基于SDN的网络切片资源映射与编排技术研究

摘要

随着全球行业数字化转型和互联网蓬勃发展，各种新业务层出不穷，例如增强现实、高清视频、自动驾驶、智能电网和远程医疗等新兴业务都对网络提出了不同的性能需求。为了在网络上支持多样化的业务场景，灵活匹配不同业务的差异化性能，运营商将通过提供灵活可定制的网络切片来满足业务差异化的端到端性能需求。网络切片作为5G的核心技术之一，是在网络虚拟化的基础上，通过服务化编排在物理基础设施上生成多个相互隔离的端到端虚拟网络。软件定义网络（SoftwareDefined Network，SDN）通过集中控制器协调网络数据平面中的交换机来灵活地控制计算机网络。将SDN架构应用于端到端的网络切片，使得网络切片能够提供灵活的网络资源分配以满足各种业务需求。 本文对基于SDN的网络切片架构、网络切片生命周期管理中的虚拟网络映射以及网络切片部署编排进行了调研分析与研究。通过高效的虚拟网络映射机制以及网络切片部署编排机制实现网络资源的合理高效利用，满足未来5G系统的多样化需求。本文主要创新包括以下几个方面： （1）改进了基于SDN的端到端的网络切片架构，包括无线接入网和核心网的具体切片架构。通过接入网和核心网架构独立设计，使得核心网能够支持多种异构接入方式，满足5G系统对多种接入方式的支持。这种新的架构通过为不同的服务提供按需定制的网络切片来满足未来业务的多样化，不同切片之间逻辑资源隔离，共享硬件通用基础设施。 （2）针对现有虚拟网络映射算法解决大规模虚拟网络映射时，算法效率差、资源分配中节点和链路的协调性差、资源利用率低以及子虚拟网络间通信量大等缺点，提出了一种路径可分的SDN虚拟网络映射算法（PS-VNE）。PS-VNE算法首先采用k-区域划分优化理论结合图的邻接分割方法将一个大的虚拟网络请求提前进行分割为多个子网络然后再依次进行映射。在子虚拟网络映射的节点映射阶段综合考量自身资源状况和底层拓扑特性，将节点映射和链路映射阶段有机结合起来，改进了传统的两阶段映射算法。同时，在链路映射阶段支持路径可分，从而提高虚拟网络映射成功率和资源利用率。仿真结果表明，提出的新算法能有效降低虚拟网络映射成本，提高收益成本比。 （3）针对网络切片部署编排问题，建立了整数二次规划数学模型，同时考虑到精确求解算法复杂度高，执行时间长，不适用于大规模网络的缺点，提出了基于粒子群优化的网络切片部署编排算法（PSO-NSDO）。PSO-NSDO算法利用粒子群算法能快速收敛于全局最优解的特性，为不同类型的业务场景设计了符合性能要求的适应度评价函数，然后，利用粒子群追逐全局最优解和局部最优解得到网络切片部署编排问题的近似解。最后仿真实验结果表明PSO-NSDO算法能为不同的业务提供相应的部署策略，满足未来网络应用场景多样化需求，并最小化运营商成本开销，最大化运营商收益。

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