空天地一體化網(wǎng)絡基于服務功能鏈的資源分配

　　摘要：空天地一體化網(wǎng)絡是6G通信愿景的重要組成部分，該網(wǎng)絡借助廣域覆蓋優(yōu)勢，通過對網(wǎng)絡中異構多級資源進行統(tǒng)一管理和綜合處理，實現(xiàn)通信服務的全球無縫覆蓋。但空天地一體化網(wǎng)絡結構復雜且空時大尺度變化，異構網(wǎng)絡節(jié)點時空跨度大，易引發(fā)高時延、動態(tài)路由等問題，難以保障不同業(yè)務的服務等級。同時，網(wǎng)絡拓撲具有高度動態(tài)性，因而無法保障適配資源的服務連續(xù)性。端到端網(wǎng)絡切片和服務功能鏈技術(ServiceFunctionChain，SFC)作為一種有效方案，能夠為不同類型的業(yè)務提供定制化服務，具有提升網(wǎng)絡性能的潛力。針對上述問題，研究基于網(wǎng)絡切片和SFC的天地一體化網(wǎng)絡架構;構建多源業(yè)務模型，并根據(jù)業(yè)務種類劃分不同的資源切片;提出一種基于可靠性感知的服務功能鏈映射方法，通過計算部署路徑可靠度選擇SFC映射路徑。仿真結果表明，基于可靠性感知的SFC映射算法相比較傳統(tǒng)的SFC映射方案，鏈路資源利用率高出41.9%，節(jié)點資源利用率高出28.4%，服務接受率提高19.7%。

　　關鍵詞：天地一體化網(wǎng)絡;網(wǎng)絡切片;服務功能鏈;可靠性感知;資源分配

　　隨著信息技術的快速發(fā)展，各種業(yè)務需求量和全球網(wǎng)絡化服務需求大幅增長，僅簡單地利用地面通信網(wǎng)絡中有限的資源已無法支持大量通信服務，實現(xiàn)通信的全球覆蓋[1]。與此同時，迅速發(fā)展的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具有組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣和不受地理環(huán)境制約等特點，能夠為地面蜂窩或光纖網(wǎng)絡覆蓋不到的偏遠地區(qū)、航空、海洋及搶險救災等領域提供服務[2]。因此，將衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡結合形成天地一體化網(wǎng)絡，為廣泛區(qū)域提供高度可靠、安全連續(xù)的通信服務，已經(jīng)成為下一代通信網(wǎng)絡的重要研究部分[3]。

　　在衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡融合過程中，網(wǎng)絡運營商面臨很多挑戰(zhàn)，比如怎樣設計高效靈活的體系結構，以及如何實現(xiàn)異構網(wǎng)絡資源的靈活調(diào)度等。然而，衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡中的基礎通信設備和資源缺少統(tǒng)一的標準，將其融合進行統(tǒng)一管理相對困難[4]。

　　新興的SDN(SoftwareDefinedNetwrok)/NFV(NetworkFunctionVitualization)技術突破傳統(tǒng)硬件制約，能夠顯著提高網(wǎng)絡靈活性、自動化、定制化和敏捷性，是推動全面的網(wǎng)絡融合和靈活的管理部署的重要因素[5-6]。隨著業(yè)務種類呈現(xiàn)多樣化，端到端網(wǎng)絡切片技術被提出。在控制平面與業(yè)務平面分離的軟件化網(wǎng)絡中，運營商能夠通過劃分網(wǎng)絡資源切片為不同類型的業(yè)務提供定制化服務[7-8]。每個服務于業(yè)務的網(wǎng)絡切片涉及網(wǎng)絡設備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)及核心網(wǎng)絡等部分，在邏輯上相互隔離，服務質(zhì)量、網(wǎng)絡帶寬及安全性能等專屬性能都需要得到充分保證[9-10]。

　　在基于NFV的天地一體化網(wǎng)絡中，如何設計SFC編排與映射方案來提高資源利用率和服務質(zhì)量，是一個重要的研究內(nèi)容。作者在文獻[11]中建立了時變的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡模型和新穎的SFC請求形式，并提出了一種在軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡中部署SFC的有效方法，從而最小化端到端的服務延遲，實現(xiàn)靈活的服務編排。文獻[12]重點研究了基于SDN/NFV的地面和衛(wèi)星地面云的SFC映射，并提出了一種同時考慮服務功能復用和SFC合并的相關方法，旨在提高底層網(wǎng)絡的資源利用效率。

　　文獻[13]描述了SFC在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的兩種部署模式：多域模式和衛(wèi)星編隊模式，并提出了兩種適用于不同業(yè)務請求量的算法來部署服務功能路徑，降低了時延和丟包率，但缺少解決SFC部署問題的統(tǒng)一網(wǎng)絡模型。文獻[14]提出了一種基于服務功能鏈的可重構服務提供架構，通過啟發(fā)式貪婪算法，利用空中和地面節(jié)點的不同特性平衡資源消耗，節(jié)省了大量通信資源，但無法根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)變化優(yōu)化SFC遷移過程。

　　綜合當前研究現(xiàn)狀，存在的問題如下：①較少考慮用戶需求差異性和業(yè)務優(yōu)先級，所提供的通信服務具有不確定性;②網(wǎng)絡管理和部署過程較為復雜;③資源分配仍存在不合理性。為了優(yōu)化天地一體化網(wǎng)絡中資源分配過程，本文考慮在天地一體化網(wǎng)絡中根據(jù)不同的業(yè)務類型劃分資源切片，在切片上部署SFC,通過感知當前網(wǎng)絡節(jié)點和鏈路的正常工作概率和負載情況，將SFC部署到可靠度更高的路徑上，既能為不同類型業(yè)務提供可靠的服務，又提高了網(wǎng)絡資源利用率和服務接受率。

　　1天地一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)模型

　　本文假設在基于SDN/NFV的天地一體化網(wǎng)絡中，有多個端到端網(wǎng)絡切片同時為不同用戶提供服務，每個切片上有若干SFC為用戶提供端到端服務。物理網(wǎng)絡包括衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡中的不同節(jié)點、鏈路和地面控制器。BS1~BS6是由不同用戶采用不同無線接入方式接入的地面基站;DC是地面上的網(wǎng)絡控制器，其中SFC編排器負責協(xié)調(diào)形成服務功能鏈，并將其映射到衛(wèi)星和地面上分布的節(jié)點和鏈路;L2和L6為只有轉(zhuǎn)發(fā)功能的LEO衛(wèi)星，其他衛(wèi)星為具有VNF的衛(wèi)星，分別分布在中低軌道面上，能夠?qū)��?shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

　　在具有VNF的節(jié)點上能夠創(chuàng)建不同的用戶接入功能，如AF1和AF2，還可以創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)處理功能，如NF1~NF6。為了便于快速構建服務鏈滿足需求，一個物理網(wǎng)絡節(jié)點可以包含多個網(wǎng)絡功能實例，同時一種網(wǎng)絡功能實例可以分布在多個網(wǎng)絡節(jié)點上。物理網(wǎng)絡分為地面網(wǎng)絡、LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡三個層面，兩種類型網(wǎng)絡切片上的兩條SFC分別為不同用戶提供服務。

　　切片1中的業(yè)務流由地面基站BS3通過星間鏈路傳輸?shù)叫l(wèi)星L3上，再依次經(jīng)過衛(wèi)星M4、M1和L1，最后到達地面基站BS1，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡功能模塊AF1、NF4、NF3、NF5、NF1和AF1依次處理。切片2中的業(yè)務流由地面基站BS5通過星間鏈路傳輸?shù)叫l(wèi)星L5上，再依次經(jīng)過衛(wèi)星M2、M3和L7，最后到達地面基站BS6，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡功能模塊AF2、NF5、NF6、NF2、NF1和AF1依次處理[15]。

　　1.1物理網(wǎng)絡模型

　　地面上的網(wǎng)絡控制器統(tǒng)一管理地面和衛(wèi)星層面的基礎網(wǎng)絡資源，包括地面接入節(jié)點、衛(wèi)星節(jié)點、星間鏈路和星地鏈路，并根據(jù)用戶的服務功能鏈請求為其選擇對應的網(wǎng)絡切片。

　　1.2切片分類

　　天地一體化通信系統(tǒng)中主要有四大類型的應用場景：廣域?qū)拵Ы尤�、廣域大規(guī)模連接、廣域時敏連接和廣域高精度定位，不同場景的業(yè)務需求各不相同。因此考慮將整個物理網(wǎng)絡劃分為4類網(wǎng)絡切片，每個網(wǎng)絡切片中包含地面網(wǎng)關、LEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星和對應的鏈路，劃分的主要依據(jù)為用戶服務請求的時延和帶寬要求。如果用戶需求信息匯總部署服務功能鏈所需帶寬大、時延要求高，該SFC請求對應廣域時敏連接切片，若所需帶寬大、時延要求低，則對應廣域?qū)拵Ы尤肭衅�，若所需帶寬小、時延要求高，SFC請求對應廣域高精度定位切片，所需帶寬小，時延要求低，則對應廣域大規(guī)模連接切片。

　　2部署路徑可靠度

　　根據(jù)SFC請求，可以在對應的切片網(wǎng)絡中生成多條部署服務功能鏈的實際路徑，需要通過對不同路徑的負載情況、正常工作概率進行評估，選出當前網(wǎng)絡狀態(tài)下的最優(yōu)部署路徑。為描述部署路徑的可靠性，本文定義部署路徑的可靠度SRq，可靠度由網(wǎng)絡節(jié)點正常工作的概率、節(jié)點計算資源負載情況、網(wǎng)絡鏈路連通狀況和鏈路資源帶寬占用情況共同決定[16]。

　　3基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法

　　SFC請求映射到對應網(wǎng)絡切片中會形成多條路徑，為保障部署路徑具有更高的可靠性、較低的端到端時延，本文提出了基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法。算法輸入為SFC請求Q和物理網(wǎng)絡G,輸出為最優(yōu)部署路徑Pq和可靠性乘積SRq。當網(wǎng)絡中有新的SFC請求到來時，生成相應的虛擬服務功能序列，并根據(jù)請求信息中的時延和帶寬對請求進行分類，每個請求對應一種類型的網(wǎng)絡切片。

　　在對應的網(wǎng)絡切片中，利用K條最短路徑(KSP,K-ShortestPathes)算法選擇多條長度較短且時延較低的路徑，分別計算各路經(jīng)節(jié)點和鏈路可靠度，選擇可靠度最大的路徑作為服務功能鏈的部署路徑。若部署路徑可靠度大于設定的門限值，在天地一體化網(wǎng)絡中實例化VNF，形成服務功能鏈，并更新網(wǎng)絡中節(jié)點和鏈路的負載情況，否則，SFC無法部署到網(wǎng)絡中。

　　4仿真結果分析

　　將本文提出的基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法與SPO算法[18]和SDSN算法[11]進行對比，SPO算法直接計算出用戶端點之間的最短路徑作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的基本路徑，將VNF部署在該路徑的物理節(jié)點上;SDSN算法以最小化端到端時延為目標，考慮了節(jié)點利用率和部署概率，并結合最短路徑算法在天地一體化網(wǎng)絡中選擇SFC的映射路徑。本文從部署路徑可靠度、節(jié)點資源利用率、鏈路資源利用率、服務接受率和服務總時延來評估所提算法的性能，驗證基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法的有效性。

　　4.1資源利用率

　　資源利用率隨著SFC請求數(shù)增加出現(xiàn)不同程度的上升，最終趨于穩(wěn)定。其中，基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法與SPO算法相比，當SFC請求數(shù)大于120時，節(jié)點資源利用率提升28.4%，鏈路資源利用率提高41.9%。這是因為該算法根據(jù)SFC請求選擇不同類型的網(wǎng)絡切片，各個切片中的網(wǎng)絡資源得到更充分的利用，此外，部署路徑可靠度與節(jié)點和鏈路負載有關，能夠?qū)�SFC映射到節(jié)點和鏈路資源利用效率較低的路徑上，節(jié)點和鏈路資源飽和速度變慢，能夠接受更多SFC請求，從而提高了網(wǎng)絡資源利用率。

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　　5結束語

　　在空天地一體化信息網(wǎng)絡中對異構網(wǎng)絡資源進行合理分配，滿足用戶業(yè)務需求，是空天地一體化信息網(wǎng)絡建設的重要研究內(nèi)容。本文主要研究了天地一體化網(wǎng)絡中基于服務功能鏈映射的資源分配問題，將網(wǎng)絡切片和服務功能鏈技術結合起來應用于星地融合網(wǎng)絡中，提出了基于可靠性感知的服務功能鏈映射算法。仿真結果表明，與其他SFC映射方法比較，該算法具有較高的可靠性、資源利用率和服務接受率，具有較高的實用價值和研究意義。

　　參考文獻：

　　[1]WANGP,ZHANGJ,ZHANGX,etal.PerformanceEvaluationofDouble-edgeSatelliteTerrestrialNetworksonOPNETPlatform[C]//IEEE/CICInternationalConferenceonCommunicationsinChina(ICCCWorkshops).Beijing:IEEE,2018:37-42,

　　[2]阮玉晗.面向新型混合星地網(wǎng)絡的資源分配與性能分析[D].西安：西安電子科技大學，2018.

　　[3]張乃通,趙康僆,劉功亮.對建設我國"天地一體化信息網(wǎng)絡"的思考[J].中國電子科學研究院學報,2015,10(3):223-230.

　　[4]FERRÚSR,KOUMARASH,SALLENTO,etal.SDN/NFV-enabledSatelliteCommunicationsNetworks:Opportunities,ScenariosandChallenges[J].PhysicalCommunication,2015,18(P2):95-112.

　　作者：王婷，黃昊楠，張興，王鵬，張佳鑫

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