云-雾网络环境中服务功能链的优化部署研究

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网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)和雾计算作为下一代网络的两项关键技术,越来越受到人们的关注。网络功能虚拟化为物理资源的共享提供了良好的网络范例。由物理资源虚拟化出来的虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)按照特定的顺序组成服务功能链(Service Function Chain,SFC),网络用户通过服务功能链与服务终端或彼此之间进行通信。目前,关于网络功能虚拟化或服务功能链的研究大多是基于云计算环境的。但是随着用户对云计算资源需求的增加,集中式的云计算也受到了挑战。为了解决集中式的云计算所面临的挑战,研究人员提出了分布式的雾/边缘计算,作为云计算的补充。目前,为了更好地利用雾/边缘计算的优势,服务卸载成为一个新的研究热点,它将一些云计算服务卸载到边缘网络上,从而降低云计算的流量负载。服务卸载和雾/边缘计算为解决云网络的资源消耗和时延问题提供了新的范例。另外,作为当前移动网络的两项关键技术,基于雾的无线接入网(Fog-based Radio Access Network,FRAN)和网络功能虚拟化已经成为无线网络体系结构演进的重要方向。因此,本文研究了云-雾计算环境下服务功能链的部署问题。在部署服务功能链时,利用云计算和雾计算结合的范例,可以有效地减轻云网络的资源压力。本文的主要贡献如下:(1)由于移动网络中服务功能链的部署是一个NP-hard问题,因此对于服务提供商来说,将服务功能链有效地部署到移动网络中至关重要。本研究提出了成本最小化的服务功能链部署算法来解决这个问题,主要有两个优化目标:i)最小化链路资源的成本;ii)通过使用已有虚拟机来最小化计算资源的成本。本研究利用线性规划将服务功能链部署问题进行优化建模,并设计了一种启发式算法来求解该多目标优化问题。仿真结果表明,相比于已有算法,本研究提出的算法的总的SFC映射成本大约降低了14%,总的VNF映射成本大约降低了40%,总的SFC链路映射成本大约降低了5%,SFC部署成功率大约提升了25%。(2)由于合并支持实时在线直播服务的服务功能链来减少网络资源消耗的问题还有待研究。为了达到节约资源的目的,本文研究了云-雾计算环境下的服务功能链合并与部署问题,并提出了一种高效的服务功能链合并与部署算法。最后,本研究进行了大量的仿真来评估所提出的算法的效能。结果表明,当实时在线直播服务的比例每提升10%时,总的SFC映射成本、总的VNF映射成本和总的SFC链路映射成本就分别降低10%左右,SFC部署成功率提升10%左右。(3)由于目前对服务卸载的研究大多考虑将正在运行的计算服务从移动应用或云网络卸载到雾/边缘计算网络。但是,在卸载过程中,它会消耗额外的资源并影响用户体验。因此,本文在部署服务功能链时通过在线博弈决策,将每个服务功能链请求的一部分虚拟网络功能卸载并部署到雾/边缘网络中,从而降低云网络的流量负载和资源消耗。本文提出了一种基于服务卸载和在线博弈的最小化时延的服务功能链部署算法,该算法结合在线博弈和服务卸载决策,在云-雾计算网络中部署服务功能链,以减少服务功能链的端到端时延。最后,本研究验证了提出的算法在服务功能链部署中的资源效率、端到端时延和SFC部署成功率方面的优越性。相比于已有算法,本研究提出的算法的平均VNF部署成本大约降低了5%,平均SFC链路部署成本大约降低了14%,平均SFC部署成本大约降低了10%,平均SFC路径时延大约降低了14%,SFC部署成功率大约提升了40%。(4)由于当在线用户位置改变时,服务功能链可能随之迁移。因此,本文研究了云-雾计算环境中由用户移动引起的服务功能链迁移/重映射问题。首先,本研究将服务功能链的迁移问题建模为一个线性规划。然后,本研究提出了两种服务功能链迁移策略:最少数量的VNF迁移策略和两阶段迁移策略。最后,本研究设计了一种两阶段迁移算法来迁移服务功能链,并在云-雾计算网络中评估本研究提出的算法的性能。相比于已有算法,本研究提出的SFC两阶段迁移算法的重配置成本大约降低了30%,算法的运行时间大约降低了66%,停机时间大约降低了85%,迁移时间大约降低了55%,SFC迁移请求的重映射成功率大约提升了34%。
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