本文摘要：摘要：空天地一體化網(wǎng)絡(luò)是6G通信愿景的重要組成部分，該網(wǎng)絡(luò)借助廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)多級(jí)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合處理，實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)的全球無縫覆蓋。但空天地一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且空時(shí)大尺度變化，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)空跨度大，易引發(fā)高時(shí)延、動(dòng)態(tài)路
摘要：空天地一體化網(wǎng)絡(luò)是6G通信愿景的重要組成部分，該網(wǎng)絡(luò)借助廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)多級(jí)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合處理，實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)的全球無縫覆蓋。但空天地一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且空時(shí)大尺度變化，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)空跨度大，易引發(fā)高時(shí)延、動(dòng)態(tài)路由等問題，難以保障不同業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈叨葎?dòng)態(tài)性，因而無法保障適配資源的服務(wù)連續(xù)性。端到端網(wǎng)絡(luò)切片和服務(wù)功能鏈技術(shù)(ServiceFunctionChain，SFC)作為一種有效方案，能夠?yàn)椴煌愋偷臉I(yè)務(wù)提供定制化服務(wù)，具有提升網(wǎng)絡(luò)性能的潛力。針對(duì)上述問題，研究基于網(wǎng)絡(luò)切片和SFC的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);構(gòu)建多源業(yè)務(wù)模型，并根據(jù)業(yè)務(wù)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(wù)功能鏈映射方法，通過計(jì)算部署路徑可靠度選擇SFC映射路徑。仿真結(jié)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(diǎn)資源利用率高出28.4%，服務(wù)接受率提高19.7%。
關(guān)鍵詞：天地一體化網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)切片;服務(wù)功能鏈;可靠性感知;資源分配
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種業(yè)務(wù)需求量和全球網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)需求大幅增長(zhǎng)，僅簡(jiǎn)單地利用地面通信網(wǎng)絡(luò)中有限的資源已無法支持大量通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信的全球覆蓋[1]。與此同時(shí)，迅速發(fā)展的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，能夠?yàn)榈孛娣涓C或光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)、航空、海洋及搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域提供服務(wù)[2]。因此，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合形成天地一體化網(wǎng)絡(luò)，為廣泛區(qū)域提供高度可靠、安全連續(xù)的通信服務(wù)，已經(jīng)成為下一代通信網(wǎng)絡(luò)的重要研究部分[3]。
在衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)融合過程中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商面臨很多挑戰(zhàn)，比如怎樣設(shè)計(jì)高效靈活的體系結(jié)構(gòu)，以及如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度等。然而，衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)通信設(shè)備和資源缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，將其融合進(jìn)行統(tǒng)一管理相對(duì)困難[4]。
新興的SDN(SoftwareDefinedNetwrok)/NFV(NetworkFunctionVitualization)技術(shù)突破傳統(tǒng)硬件制約，能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)靈活性、自動(dòng)化、定制化和敏捷性，是推動(dòng)全面的網(wǎng)絡(luò)融合和靈活的管理部署的重要因素[5-6]。隨著業(yè)務(wù)種類呈現(xiàn)多樣化，端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)被提出。在控制平面與業(yè)務(wù)平面分離的軟件化網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商能夠通過劃分網(wǎng)絡(luò)資源切片為不同類型的業(yè)務(wù)提供定制化服務(wù)[7-8]。每個(gè)服務(wù)于業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)及核心網(wǎng)絡(luò)等部分，在邏輯上相互隔離，服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)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(luò)中，如何設(shè)計(jì)SFC編排與映射方案來提高資源利用率和服務(wù)質(zhì)量，是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。作者在文獻(xiàn)[11]中建立了時(shí)變的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)模型和新穎的SFC請(qǐng)求形式，并提出了一種在軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中部署SFC的有效方法，從而最小化端到端的服務(wù)延遲，實(shí)現(xiàn)靈活的服務(wù)編排。文獻(xiàn)[12]重點(diǎn)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(shí)考慮服務(wù)功能復(fù)用和SFC合并的相關(guān)方法，旨在提高底層網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率。
文獻(xiàn)[13]描述了SFC在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的兩種部署模式：多域模式和衛(wèi)星編隊(duì)模式，并提出了兩種適用于不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求量的算法來部署服務(wù)功能路徑，降低了時(shí)延和丟包率，但缺少解決SFC部署問題的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于服務(wù)功能鏈的可重構(gòu)服務(wù)提供架構(gòu)，通過啟發(fā)式貪婪算法，利用空中和地面節(jié)點(diǎn)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(luò)狀態(tài)變化優(yōu)化SFC遷移過程。
綜合當(dāng)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(wù)優(yōu)先級(jí)，所提供的通信服務(wù)具有不確定性;②網(wǎng)絡(luò)管理和部署過程較為復(fù)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(luò)中資源分配過程，本文考慮在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型劃分資源切片，在切片上部署SFC,通過感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路的正常工作概率和負(fù)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(wù)提供可靠的服務(wù)，又提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率和服務(wù)接受率。
1天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型
本文假設(shè)在基于SDN/NFV的天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，有多個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)切片同時(shí)為不同用戶提供服務(wù)，每個(gè)切片上有若干SFC為用戶提供端到端服務(wù)。物理網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)、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(luò)控制器，其中SFC編排器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)形成服務(wù)功能鏈，并將其映射到衛(wèi)星和地面上分布的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)。
在具有VNF的節(jié)點(diǎn)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(gòu)建服務(wù)鏈滿足需求，一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例，同時(shí)一種網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例可以分布在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。物理網(wǎng)絡(luò)分為地面網(wǎng)絡(luò)、LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)三個(gè)層面，兩種類型網(wǎng)絡(luò)切片上的兩條SFC分別為不同用戶提供服務(wù)。
切片1中的業(yè)務(wù)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(dá)地面基站BS1，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)功能模塊AF1、NF4、NF3、NF5、NF1和AF1依次處理。切片2中的業(yè)務(wù)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(dá)地面基站BS6，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)功能模塊AF2、NF5、NF6、NF2、NF1和AF1依次處理[15]。
1.1物理網(wǎng)絡(luò)模型
地面上的網(wǎng)絡(luò)控制器統(tǒng)一管理地面和衛(wèi)星層面的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源，包括地面接入節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、星間鏈路和星地鏈路，并根據(jù)用戶的服務(wù)功能鏈請(qǐng)求為其選擇對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用場(chǎng)景：廣域?qū)拵Ы尤搿V域大規(guī)模連接、廣域時(shí)敏連接和廣域高精度定位，不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求各不相同。因此考慮將整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為4類網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中包含地面網(wǎng)關(guān)、LEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星和對(duì)應(yīng)的鏈路，劃分的主要依據(jù)為用戶服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)延和帶寬要求。如果用戶需求信息匯總部署服務(wù)功能鏈所需帶寬大、時(shí)延要求高，該SFC請(qǐng)求對(duì)應(yīng)廣域時(shí)敏連接切片，若所需帶寬大、時(shí)延要求低，則對(duì)應(yīng)廣域?qū)拵Ы尤肭衅羲鑾捫 r(shí)延要求高，SFC請(qǐng)求對(duì)應(yīng)廣域高精度定位切片，所需帶寬小，時(shí)延要求低，則對(duì)應(yīng)廣域大規(guī)模連接切片。
2部署路徑可靠度
根據(jù)SFC請(qǐng)求，可以在對(duì)應(yīng)的切片網(wǎng)絡(luò)中生成多條部署服務(wù)功能鏈的實(shí)際路徑，需要通過對(duì)不同路徑的負(fù)載情況、正常工作概率進(jìn)行評(píng)估，選出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作的概率、節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源負(fù)載情況、網(wǎng)絡(luò)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(wù)功能鏈映射算法
SFC請(qǐng)求映射到對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)切片中會(huì)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(shí)延，本文提出了基于可靠性感知的服務(wù)功能鏈映射算法。算法輸入為SFC請(qǐng)求Q和物理網(wǎng)絡(luò)G,輸出為最優(yōu)部署路徑Pq和可靠性乘積SRq。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的SFC請(qǐng)求到來時(shí)，生成相應(yīng)的虛擬服務(wù)功能序列，并根據(jù)請(qǐng)求信息中的時(shí)延和帶寬對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行分類，每個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一種類型的網(wǎng)絡(luò)切片。
在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片中，利用K條最短路徑(KSP,K-ShortestPathes)算法選擇多條長(zhǎng)度較短且時(shí)延較低的路徑，分別計(jì)算各路經(jīng)節(jié)點(diǎn)和鏈路可靠度，選擇可靠度最大的路徑作為服務(wù)功能鏈的部署路徑。若部署路徑可靠度大于設(shè)定的門限值，在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中實(shí)例化VNF，形成服務(wù)功能鏈，并更新網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)和鏈路的負(fù)載情況，否則，SFC無法部署到網(wǎng)絡(luò)中。
4仿真結(jié)果分析
將本文提出的基于可靠性感知的服務(wù)功能鏈映射算法與SPO算法[18]和SDSN算法[11]進(jìn)行對(duì)比，SPO算法直接計(jì)算出用戶端點(diǎn)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(diǎn)上;SDSN算法以最小化端到端時(shí)延為目標(biāo)，考慮了節(jié)點(diǎn)利用率和部署概率，并結(jié)合最短路徑算法在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中選擇SFC的映射路徑。本文從部署路徑可靠度、節(jié)點(diǎn)資源利用率、鏈路資源利用率、服務(wù)接受率和服務(wù)總時(shí)延來評(píng)估所提算法的性能，驗(yàn)證基于可靠性感知的服務(wù)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(qǐng)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(wù)功能鏈映射算法與SPO算法相比，當(dāng)SFC請(qǐng)求數(shù)大于120時(shí)，節(jié)點(diǎn)資源利用率提升28.4%，鏈路資源利用率提高41.9%。這是因?yàn)樵撍惴ǜ鶕?jù)SFC請(qǐng)求選擇不同類型的網(wǎng)絡(luò)切片，各個(gè)切片中的網(wǎng)絡(luò)資源得到更充分的利用，此外，部署路徑可靠度與節(jié)點(diǎn)和鏈路負(fù)載有關(guān)，能夠?qū)FC映射到節(jié)點(diǎn)和鏈路資源利用效率較低的路徑上，節(jié)點(diǎn)和鏈路資源飽和速度變慢，能夠接受更多SFC請(qǐng)求，從而提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
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5結(jié)束語
在空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理分配，滿足用戶業(yè)務(wù)需求，是空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要研究?jī)?nèi)容。本文主要研究了天地一體化網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)功能鏈映射的資源分配問題，將網(wǎng)絡(luò)切片和服務(wù)功能鏈技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于星地融合網(wǎng)絡(luò)中，提出了基于可靠性感知的服務(wù)功能鏈映射算法。仿真結(jié)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(wù)接受率，具有較高的實(shí)用價(jià)值和研究意義。
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作者：王婷，黃昊楠，張興，王鵬，張佳鑫
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