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一種基于匹配博弈的服務(wù)鏈協(xié)同映射方法

張紅旗 黃睿 常德顯

張紅旗, 黃睿, 常德顯. 一種基于匹配博弈的服務(wù)鏈協(xié)同映射方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2019, 41(2): 385-393. doi: 10.11999/JEIT180385
引用本文: 張紅旗, 黃睿, 常德顯. 一種基于匹配博弈的服務(wù)鏈協(xié)同映射方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2019, 41(2): 385-393. doi: 10.11999/JEIT180385
Hongqi ZHANG, Rui HUANG, Dexian CHANG. A Collaborative Mapping Method for Service Chain Based on Matching Game[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(2): 385-393. doi: 10.11999/JEIT180385
Citation: Hongqi ZHANG, Rui HUANG, Dexian CHANG. A Collaborative Mapping Method for Service Chain Based on Matching Game[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(2): 385-393. doi: 10.11999/JEIT180385

一種基于匹配博弈的服務(wù)鏈協(xié)同映射方法

doi: 10.11999/JEIT180385
基金項目: 國家863計劃(2012AA012704),鄭州市科技領(lǐng)軍人才項目(131PLJRC644)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    張紅旗:男,1962年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全和信息系統(tǒng)安全

    黃睿:女,1993年生,碩士生,研究方向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

    常德顯:男,1977年生,副教授,研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全和信息系統(tǒng)安全

    通訊作者:

    黃?!?a href="mailto:xjhr1009@163.com">xjhr1009@163.com

  • 中圖分類號: TP393.08

A Collaborative Mapping Method for Service Chain Based on Matching Game

Funds: The National 863 Program of China (2012AA012704), The Zhengzhou Science and Technology Talents Project (131PLJRC644)
  • 摘要:

    針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)環(huán)境下服務(wù)鏈映射難以兼顧效率與物理資源利用率的問題,該文提出一種基于匹配博弈的服務(wù)鏈協(xié)同映射方法。首先,以最大化網(wǎng)絡(luò)資源效用為目標(biāo),建立服務(wù)鏈映射模型MUSCM;然后,分虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)部署和組鏈兩個部分解決服務(wù)鏈映射問題,VNF部署部分,設(shè)計基于多對一匹配博弈理論的算法協(xié)同服務(wù)鏈和服務(wù)節(jié)點雙方互相進(jìn)行選擇,有效提升了服務(wù)鏈的映射效率和物理資源的利用率,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計基于分段路由策略的算法實現(xiàn)各VNF實例間的流量牽引以完成VNF組鏈,有效降低了鏈路傳輸時延。實驗結(jié)果表明,與經(jīng)典算法相比,該算法在保證映射請求接受率的同時,有效降低了服務(wù)鏈的平均傳輸延時,提升了系統(tǒng)的物理資源利用率。

  • 圖  1  SDN/NFV環(huán)境下服務(wù)鏈映射問題

    圖  2  服務(wù)鏈映射請求接受率對比

    圖  3  服務(wù)鏈的平均傳輸時延對比

    圖  4  服務(wù)節(jié)點的平均資源利用率對比

    圖  5  物理鏈路的平均帶寬利用率對比

    表  1  主要符號列表

    符號描述
    $G$物理基礎(chǔ)設(shè)施無向圖$G = (N,E)$
    $N$物理節(jié)點集合,$n \in N$
    $E$物理鏈路集合,$e\left( {{n_i},{n_j}} \right) \in E$
    ${N^F}$轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集合
    ${N^S}$服務(wù)節(jié)點集合
    ${I_k}$資源種類,${I_k} = \left\{ {{\rm{CPU}},{\rm{Me}},{\rm{Th}}} \right\}$
    ${\rm{vol}}_n^{{I_k}}$服務(wù)節(jié)點$n$的${I_k}$類資源的容量
    ${\rm{vol}}_{e\left( {{n_i},{n_j}} \right)}^{\rm band}$服務(wù)節(jié)點${n_i}$和${n_j}$間物理鏈路的帶寬資源容量
    $P$網(wǎng)絡(luò)中可提供的所有VNF種類集合
    ${F^p}$類型為$p$的VNF實例集合,${f^p} \in {F^p}$
    ${R^c}$構(gòu)成服務(wù)鏈$c$的VNF實例集合
    $d_{{f^p}}^{{I_k}}$VNF實例${f^p}$的${I_k}$類資源需求
    $C$服務(wù)鏈集合,$c \in C$
    $d_c^{{I_k}}$服務(wù)鏈$c$的${I_k}$類資源需求
    $d_{{f^p},{f^{p'}}}^c$服務(wù)鏈$c$中實例${f^p}$和${f^{p'}}$間的帶寬資源需求
    $X_{{f^p},n}^c$服務(wù)鏈$c$中VNF實例${f^p}$與服務(wù)節(jié)點$n$映射關(guān)系
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  服務(wù)鏈匹配偏好表構(gòu)建算法

     算法1 服務(wù)鏈匹配偏好表構(gòu)建算法
     輸入:構(gòu)成服務(wù)鏈$c$的VNF實例集合${R^c}$,服務(wù)節(jié)點集合${N^S}$,物 理基礎(chǔ)設(shè)施圖$G$
     輸出:服務(wù)鏈匹配偏好表${\rm SC}\left( {{N^S}} \right)$
     (1) 根據(jù)輸入初始化;
     (2) for each $n$ in ${N^S}$ do
        依據(jù)式(8)計算資源偏差$\Delta R$;
        選擇$\Delta R$最小的服務(wù)節(jié)點${n_0}$;
        ${\rm{SC}}\left( {{N^S}} \right) \leftarrow \left\{ {{n_0}} \right\}$;//將${n_0}$作為起始節(jié)點,并加入偏好表 將${n_0}$標(biāo)記為已讀;
        end for
     (3) while ${N^S}$中存在未讀節(jié)點 do
        依據(jù)NNA算法尋找圖$G$中距離當(dāng)前節(jié)點最近的且滿足資源 約束條件(式(3)、式(4))的下一服務(wù)節(jié)點${n_w}$;
        ${\rm{SC}}\left( {{N^S}} \right) \cup \left\{ {{n_w}} \right\}$;//將${n_w}$加入偏好表
        將${n_w}$標(biāo)記為已讀;
     (4) 所有服務(wù)節(jié)點已讀則終止;
     (5) 返回步驟(3);
     (6) 輸出服務(wù)鏈匹配偏好表${\rm{SC}}\left( {{N^S}} \right)$
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  服務(wù)節(jié)點匹配偏好表構(gòu)建算法

     算法2 服務(wù)節(jié)點匹配偏好表構(gòu)建算法
     輸入:構(gòu)成服務(wù)鏈$c$的VNF實例集合${R^c}$,服務(wù)節(jié)點集合${N^S}$
     輸出:服務(wù)節(jié)點匹配偏好表${N^S}\left( {\rm{SC}} \right)$
     (1) 根據(jù)輸入初始化;
     (2) for each ${f^p}$ in ${R^c}$ do
        按資源需求對${f^p}$進(jìn)行排序; //資源需求優(yōu)先級依次為
        $\rm{CPU} > \rm{Me} > \rm{Th}$
        依據(jù)BFA算法選擇剩余資源空間最小的VNF實例${f^p}$;
        ${N^S}\left( {\rm{SC}} \right) \cup \left\{ {{f^p}} \right\}$; //將${f^p}$加入偏好表
        將VNF實例${f^p}$標(biāo)記為已讀;
       end for
     (3) 所有VNF實例已讀則終止;
     (4) 返回步驟(2)
     (5) 輸出服務(wù)節(jié)點匹配偏好表${N^S}\left( {\rm{SC}} \right)$
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  博弈選擇算法

     算法3 博弈選擇算法
     輸入:構(gòu)成服務(wù)鏈$c$的VNF實例集合${R^c}$,服務(wù)節(jié)點集合${N^S}$
     輸出:服務(wù)鏈和服務(wù)節(jié)點的平穩(wěn)匹配結(jié)果
        根據(jù)輸入初始化;
     if 服務(wù)鏈$c$是不飽和的 do
        for each ${f^p}$ in ${R^c}$ do
          $n \leftarrow $get highest rank in ${\rm \rm{SC}}\!\left( {{N^S}} \right)$;
          if $\left( {{\rm{vol}}_n^{{I_k}} > d_{{f^p}}^{{I_k}}} \right)\& \& \left( {{f^p} \ \ {\rm in} \ \ {N^S}\left( {\rm{SC}} \right)} \right)$ then
          將${f^p}$匹配給$n$;
          ${\rm{vol}}_n^{{I_k}} = {\rm{vol}}_n^{{I_k}} - d_{{f^p}}^{{I_k}}$;
          end
          else
          找出所有滿足${f^p}\mathop \succ \limits_n {f^{p'}}$的${f^{p'}}$;
          拒絕所有${f^{p'}}$并更新服務(wù)節(jié)點$n$的資源;
          ${\rm{vol}}_n^{{I_k}} = {\rm{vol}}_n^{{I_k}} - d_{{f^p}}^{{I_k}}$;
          將${f^{p'}}$從服務(wù)節(jié)點映射偏好表${N^S}\left( {\rm{SC}} \right)$中移除;
          將$n$從服務(wù)鏈映射偏好表${\rm{SC}}\left( {{N^S}} \right)$中移除;
          end
        end for
        輸出匹配結(jié)果;
     else
        return
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  5  分段路由連接算法

     算法4 分段路由連接算法
     輸入:VNF實例與服務(wù)節(jié)點間的映射關(guān)系$\varOmega $
     輸出:服務(wù)鏈$c$的路由路徑
     根據(jù)輸入初始化;
     依據(jù)式(11)表達(dá)$\varOmega $中服務(wù)節(jié)點的分段路徑,構(gòu)成集合$S$
        for each ${\rm{FG}}\left( {n_{i - 1}^{ma},n_i^{ma}} \right)$ in $S$ do
          利用SPA算法計算連接路徑;
        end for
        輸出計算結(jié)果;
     return
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  6  服務(wù)節(jié)點參數(shù)設(shè)置

    CPU內(nèi)存吞吐量
    32100 GB10 Gbps
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  7  VNF參數(shù)設(shè)置

    VNF種類CPU內(nèi)存(GB)吞吐量(Mbps)
    Firewall84200
    IDS8480
    IPS44268
    WAN-opt2210
    下載: 導(dǎo)出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-04-25
  • 修回日期:  2018-09-11
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2018-09-25
  • 刊出日期:  2019-02-01

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