一种网络切片链路部署方法与装置与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种网络切片链路部署方法与装置。

背景技术：

随着通信技术的飞速发展，为了能够满足众多应用差异化的需求，网络切片作为一种新兴的解决方案，使其能够在一个物理基础设施中切分出多个相互隔离的端到端的逻辑网络，为不同的业务场景提供定制化的服务，该项技术优势使得网络切片在5g网络技术中占有重要的地位。

在基于软件定义网络(sdn，softwaredefinednetwork)/网络功能虚拟化(nfv，networkfunctionsvirtualization)的5g通信网络中，如何有效地部署网络切片是5g网络大规模商业化之前必须解决的问题。在网络切片部署的过程中，需要实现虚拟网络与物理网络之间的映射关系，因此网络切片的部署迎来了多方面的挑战，一方面，面对未来海量数据流量的增长需求，需要考虑底层物理资源的容量限制，以保证服务质量。另一方面，5g要求端到端时延达到ms级，并突破时空限制，给用户带来极佳的体验，因此，亟待新的网络切片部署方法可以用来满足网络切片的服务可靠性。

网络切片部署问题主要分为虚拟网络功能(vnf,virtualnetworkfunctions)的映射和虚拟链路的映射。当前关于网络切片的部署解决方案，主要是针对网络切片中的vnf到物理资源节点间的映射的方案，在节点映射关系确定后，采用最短路径算法确定物理链路的使用。但是这类部署方式很容易给某些转发设备带来过多的负载，数据包会在某些关键位置拥堵，增加了数据传输的时延，并增加了丢包的概率。

技术实现要素：

本发明提供一种网络切片链路部署方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

第一方面，本发明提供了一种网络切片链路部署方法。

具体的，所述网络切片链路部署方法，包括：

获取物理基础设施网络的拓扑结构；

获取所述物理基础设施上网络切片中vnf的属性；

根据所述vnf的属性选取所述网络切片中需要相互连接的vnf，基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

第二方面，本发明实施例中提供了一种网络切片链路部署装置。

具体的，所述网络切片链路部署装置，包括：

第一获取模块，被配置为获取物理基础设施网络的拓扑结构；

第二获取模块，被配置为获取所述物理基础设施上网络切片中vnf的属性；

计算模块，被配置为根据所述vnf的属性选取所述网络切片中需要相互连接的vnf，基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行上述第一方面中网络切片链路部署方法的计算机指令。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，用于存储网络切片链路部署装置所用的计算机指令，其包含用于执行上述第一方面中网络切片链路部署方法为网络切片链路部署装置所涉及的计算机指令。

本发明基于模拟退火算法，在以最短路径算法作为初始解的前提下，设置合理的随机扰动，出现更优的解时，就接受它作为新的解，并以一定概率接受比当前解更差的解作为新解来避免陷入局部最优，从而达到全局最优的部署方案。本发明在完成网络切片链路的部署过程中，即考虑了路径传输，也考虑了链路及路由设备的负载情况，实现了总体负载均衡，合理提升网络切片的服务可靠性的技术效果。

附图说明

图1示出根据本发明一实施方式的网络切片链路部署方法的流程图；

图2示出根据本发明一实施方式的网络切片链路部署方法的应用场景的示意图；

图3示出根据本发明一实施方式的网络切片链路部署装置的示意图；

图4示出根据本发明一实施方式的电子设备的结构框图；

图5是适于用来实现根据本发明一实施方式的网络切片链路部署方法的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应理解本发明所描述的实施例只是网络切片部署中的链路部署过程，而非网络切片的全部部署过程，链路部署的前提是已知节点的部署结果。根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上实现的本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面的描述中，对与本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。

现有技术中网络切片链路部署策略主要是通过最短路径算法计算出有连接关系的vnf间的最短路径，但是直接以这个为结果会带来关键节点负载过高的情况，整体的负载不均衡。针对上述问题，本发明基于模拟退火算法，在以最短路径算法作为初始解的前提下，设置合理的随机扰动，出现更优的解时，就接受它作为新的解，并以一定概率接受比当前解更差的解作为新解来避免陷入局部最优，从而达到全局最优的部署方案。本发明在完成网络切片链路的部署过程中，实现了整体的负载均衡，提升了网络性能。

根据本发明的一方面，提供一种网络切片链路部署方法，图1示出根据本公开一实施方式的网络切片链路部署方法的流程图，图2示出根据本公开一实施方式的网络切片链路部署方法的应用场景的示意图，如图1和图2所示，网络切片中多域资源分配方法包括：

步骤s1：获取物理基础设施网络的拓扑结构。

由于5g引入了网络功能虚拟化，实现了硬件的通用化和功能的虚拟化，网络切片的处理单元可以在虚拟机中运行，每个虚拟机都需要通用服务器作为承载。

在本发明一实施例中，底层物理基础设施包括但不限于通用服务器、网络转发设备、物理链路及专用设备，其中，所述通用服务器用来部署支持虚拟化的功能模块，专用物理设备用来部署不支持虚拟化的一些组件，网络转发设备用于数据的路径选择，物理链路用来承担数据的传输。

在本发明一实施例中，所述获取的物理基础设施网络拓扑结构的结果可以用邻接矩阵表示。

在本发明一实施例中，所述步骤s1，所述获取物理基础设施网络的拓扑结构的步骤之后，还可以包括但不限于获取每个节点所代表的设备信息、每条物理链路剩余的带宽、每个网络转发设备在单位时间的转发频数。

步骤s2：获取所述物理基础设施上网络切片中vnf的属性，所述vnf的属性包括但不限于vnf的种类、vnf的数量、vnf之间的连接关系、以及vnf所处的物理节点的位置。

所述物理基础设施上的网络切片可抽象为虚拟的网络或者系列服务功能链，根据客户的需求，可采用此技术向用户提供定制的、灵活的服务。在同一物理基础设施网络中可以部署多个不同的相互独立的网络切片，在虚拟资源上它们之间是相互独立的，但是它们却可以共用相同的物理设施。在本实施例中，所述网络切片由vnf组成，它们部署在不同的物理节点上，并构成一个完整的虚拟网络。为了开展网络切片链路的部署工作，需要获取所述物理基础设施上网络切片中的基本组成单元vnf的相关属性，所述vnf的属性包括但不限于vnf的种类、vnf的数量、vnf之间的连接关系、以及vnf所处的物理节点的位置。除此之外，还可以获取所述网络切片中每个网元在物理基础设施网络中所处的物理节点所在的位置。

步骤s3：根据所述vnf的属性选取所述网络切片中需要相互连接的vnf，基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

现有技术中网络切片链路部署策略主要是通过最短路径算法计算出有连接关系的vnf间的最短路径，但是直接以这个为结果会带来关键节点负载过高的情况，整体的负载不均衡。针对上述问题，本发明会基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

在本发明的一个实施例中，所述步骤s3，根据所述vnf的属性选取所述网络切片中需要相互连接的vnf，基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径的步骤，包括步骤s31-s34：

步骤31，将网络初始状态设置为所述网络切片中需要相互连接的vnf之间都是通过最短路径连接，在该情况下获取单位时间内所述物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax，且迭代次数k＝0；

在本发明中，基于模拟退火算法来完成网络切片链路部署，而初始解对于模拟退火算法的最终求解是非常重要的，初始解选取不当会导致需要大量的迭代次数才能获得最优解。在本实施例中，利用最短路径算法去计算每套网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径，并将所述vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解，因为在其他部署策略下会直接将所述vnf的最短物理路径作为最终解，因此，选取每套网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解，可以减少迭代次数，较快地获得最优解，从而更有效的部署网络切片链路。

具体地，利用最短路径算法计算每一个网络切片中有连接关系的vnf之间的最短路径，并保存路径结果，该算法在遍历节点的过程中需要判断当前到该节点的链路是否有足够的带宽，如果满足才进行路径的更新，具体表达如下：

s0＝{t1，t2，...，ti，...，tn)

ti＝{v11，v12，...，v1k，...，vj1，...，vjk，...，vk1，vk2，...，，vkk}

vjk＝{nj，wl1，wl2，...，nk}

在上式中，t1，t2，...，ti，...，tn中的下标i代表在所述物理基础设施网络中需要部署的网络切片i，ti代表网络切片i的链路部署解，ti的组成元素vjk代表vnfj到vnfk之间的路径,即vnfj到vnfk之间需要经过的路由设备，nj代表vnfj，nk代表vnfk，wl1,wl2,...代表vnfj到vnfk之间需要经过的转发设备，s0则代表所有网络切片链路部署解的集合，在利用最短路径算法求得s0之后，将s0作为模拟退火算法的初始解。

在本发明一实施例中，当假设每个网络切片在单位时间内随机产生相同的数据量，从而获得在单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax，并赋值cmax＝c0，迭代次数k记为0。

步骤32：随机选取某个网络切片i，在该网络切片i中随机选取若干对已经建立了最短路径的vnf，随机改变它们的路径，得到所述网络中网络切片链路部署当前解的集合st，并获取单位时间内所述物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct；

在以最短路径算法作为初始解的前提下，为了获取全局最优的部署方案，需要进一步设置合理的随机扰动。在本发明的一个实施例中，所述步骤s32，随机选取某个网络切片i，在该网络切片i中随机选取若干对已经建立了最短路径的vnf，随机改变它们的路径，得到所述网络中网络切片链路部署当前解的集合st，并获取单位时间内所述物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct的步骤，包括步骤s321-s324：

步骤s321：随机选取某个网络切片i，然后在ti中随机选取r对有连接关系的vnf，表示为计算每对vnf之间的路径长度{d1，d2，…di…，dr}，其中di表示第i对vnf之间的路径，该步骤中得到的路径均是vnf之间的最短路径；

步骤s322：针对随机选择的r对有连接关系的vnf中的第i对vnf，i从1到r，随机选择q个路由设备换成它的邻居节点，也就是改变该对vnf之间的路径，使新的路径经由该q个路由设备，在该情况下计算该对vnf之间的路径长度dt；

步骤s323：根据dt与1.5di的大小关系，获取所述网络切片链路部署当前解的集合st；

具体地，若dt≤1.5di，则接受该dt，将的变化写进s0中，即更新该第i对vnf之间的路径，把所述网络切片链路部署当前解的集合记为st；

若dt＞1.5di，则重新随机选择q个路由设备继续改变dt，即重复步骤s322和s323，直到满足条件dt≤1.5di，然后将的变化写进s0中，即把所述网络切片链路部署当前解的集合记为st。

上述步骤s322和s323遍历r对vnf中的每一对，使得最终得到的st与s0相比，所述r对vnf之间的路径被更新，不再是最短路径。

在该实施例中，dt与di之间选取了倍数关系是1.5，此处仅是示例性的，还可以根据实际需求选择其他的倍数关系，例如1.3或2等等，但选取的vnf之间的路径不易过长，否则影响服务质量。步骤s324：获取单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct。

具体地，假设每个网络切片在单位时间内随机产生相同的数据量，则获取在单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct。

在模拟退火算法中，当对初始解设置合理的随机扰动时，就会出现更优的解，可以接受更优的解作为新的解，并以一定概率接受比当前解更差的解作为新解来避免陷入局部最优，从而达到全局最优的部署方案。利用最短路径算法去计算网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径，并将所述vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解时，已获取了在单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax；在对所述初始解设置合理的随机扰动之后，又获取了单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct，比较上述两个数值ct与cmax的大小关系。

步骤s33：若ct<cmax，则接受所述st，，并将ct的值赋给cmax；若ct≥cmax，则以概率e^-δ/t接受所述st，其中δ＝ct-cmax，t在此处可根据实际情况规定其大小，t的选取会影响st被接受的概率，t取值范围是在10和50之间，可以包括10和50；

步骤s34：令k＝k+1，当满足预设条件时，则将步骤s33中接受的网络切片链路部署解作为最终解，否则返回步骤s32。

在本实施例中，所述预设条件是指连续n1次之内cmax没有发生变化和/或迭代次数k≥n2，其中n1和n2为固定数值。本发明实施例中对n1和n2的具体取值不做限定，例如，n1＝5000，n1＝20000，表示如果连续5000次之内cmax没有发生变化或者k≥20000，停止迭代，将当前的st作为最终解，完成网络切片链路部署过程。

本发明基于模拟退火算法，在以最短路径算法作为初始解的前提下，设置合理的随机扰动，出现更优的解时，就接受它作为新的解，并以一定概率接受比当前解更差的解作为新解来避免陷入局部最优，从而达到全局最优的部署方案。本发明在完成网络切片链路的部署过程中，即考虑了路径传输，也考虑了链路及路由设备的负载情况，实现了总体负载均衡，合理提升网络切片的服务可靠性的技术效果。

下述为本发明装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。

图3示出根据本公开一实施方式的网络切片链路部署装置的结构框图，该装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为电子设备的部分或者全部。如图3所示，网络切片中多域资源分配装置包括：

第一获取模块301，被配置为获取物理基础设施网络的拓扑结构。

由于5g引入了网络功能虚拟化，实现了硬件的通用化和功能的虚拟化，网络切片的处理单元可以在虚拟机中运行，每个虚拟机都需要通用服务器作为承载。

在本发明一实施例中，底层物理基础设施包括但不限于通用服务器、网络转发设备、物理链路及专用设备，其中，所述通用服务器用来部署支持虚拟化的功能模块，专用物理设备用来部署不支持虚拟化的一些组件，网络转发设备用于数据的路径选择，物理链路用来承担数据的传输。

在本发明一实施例中，所述获取的物理基础设施网络拓扑结构的结果可以用邻接矩阵表示。

在本发明一实施例中，所述第一获取模块301，还可以包括但不限于被配置为获取每个节点所代表的设备信息、每条物理链路剩余的带宽、每个网络转发设备在单位时间的转发频数。

第二获取模块302，被配置为获取所述物理基础设施上网络切片中vnf的属性，所述vnf的属性包括但不限于vnf的种类、vnf的数量、vnf之间的连接关系、以及vnf所处的物理节点的位置。

所述物理基础设施上的网络切片可抽象为虚拟的网络或者系列服务功能链，根据客户的需求，可采用此技术向用户提供定制的、灵活的服务。在同一物理基础设施网络中可以部署多个不同的相互独立的网络切片，在虚拟资源上它们之间是相互独立的，但是它们却可以共用相同的物理设施。在本实施例中，所述网络切片由vnf组成，它们部署在不同的物理节点上，并构成一个完整的虚拟网络。为了开展网络切片链路的部署工作，需要获取所述物理基础设施上网络切片中的基本组成单元vnf的相关属性，所述vnf的属性包括但不限于vnf的种类、vnf的数量、vnf之间的连接关系、以及vnf所处的物理节点的位置。除此之外，还可以获取所述网络切片中每个网元在在物理基础设施网络中所处的物理节点所在的位置。

计算模块303，被配置为根据所述vnf的属性选取所述网络切片中需要相互连接的vnf，基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

现有技术中网络切片链路部署策略主要是通过最短路径算法计算出有连接关系的vnf间的最短路径，但是直接以这个为结果会带来关键节点负载过高的情况，整体的负载不均衡。针对上述问题，本发明会基于路由设备的最大转发次数计算所述vnf之间的连接路径。

在本发明的一个实施例中，所述计算模块，包括步骤：

第一获取子模块，被配置为将网络初始状态设置为所述网络切片中需要相互连接的vnf之间都是通过最短路径连接，在该情况下获取单位时间内所述物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax，且迭代次数k＝0；

在本发明中，基于模拟退火算法来完成网络切片链路部署，而初始解对于模拟退火算法的最终求解是非常重要的，初始解选取不当会导致需要大量的迭代次数才能获得最优解。在本实施例中，利用最短路径算法去计算每套网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径，并将所述vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解，因为在其他部署策略下会直接将所述vnf的最短物理路径作为最终解，因此，选取每套网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解，可以减少迭代次数，较快地获得最优解，从而更有效的部署网络切片链路。

具体地，利用最短路径算法计算每一个网络切片中有连接关系的vnf之间的最短路径，并保存路径结果，该算法在遍历节点的过程中需要判断当前到该节点的链路是否有足够的带宽，如果满足才进行路径的更新，具体表达如下：

s0＝{t1，t2，…，ti，…，tn}

ti＝{v11，v12，...，v1k，...，vj1，...，vjk，...，vk1，vk2，...，vkk}

vjk＝{nj，wl1，wl2，…，nk}

在上式中，t1，t2，...，ti，...，tn中的下标i代表在所述物理基础设施网络中需要部署的网络切片i，ti代表网络切片i的链路部署解，ti的组成元素vjk代表vnfj到vnfk之间的路径,即vnfj到vnfk之间需要经过的路由设备，nj代表vnfj，nk代表vnfk，wl1,wl2,...代表vnfj到vnfk之间需要经过的转发设备，s0则代表所有网络切片链路部署解的集合，在利用最短路径算法求得s0之后，将s0作为模拟退火算法的初始解。

在本发明一实施例中，当假设每个网络切片在单位时间内随机产生相同的数据量，从而获得在单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax，并赋值cmax＝c0，迭代次数k记为0。

第二获取子模块，被配置为随机选取某个网络切片i，在该网络切片i中随机选取若干对已经建立了最短路径的vnf，随机改变它们的路径，得到所述网络中网络切片链路部署当前解的集合st，并获取单位时间内所述物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct。

随机改变vnf之间的路径的过程已经在上述对方法的描述中有详细说明，在此不再赘述。

在模拟退火算法中，当对初始解设置合理的随机扰动时，就会出现更优的解，可以接受更优的解作为新的解，并以一定概率接受比当前解更差的解作为新解来避免陷入局部最优，从而达到全局最优的部署方案。利用最短路径算法去计算网络切片中需要相互连接的vnf的最短物理路径，并将所述vnf的最短物理路径作为模拟退火算法的初始解时，已获取了在单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数cmax；在对所述初始解设置合理的随机扰动之后，又获取了单位时间内物理基础设施网络中转发次数最大的路由设备的使用频数ct，比较上述两个数值ct与cmax的大小关系。

接受子模块，被配置为若ct<cmax，则接受所述st，，并将ct的值赋给cmax；若ct≥cmax，则以概率e^-δ/t接受所述st，其中δ＝ct-cmax，t为参数；

求解子模块，被配置为令k＝k+1，当满足预设条件时，则将步骤s33中接受的网络切片链路部署解作为最终解，否则返回步骤s32。

在本实施例中，所述预设条件是指连续n1次之内cmax没有发生变化和/或迭代次数k≥n2，其中n1和n2为固定数值。本发明实施例中对n1和n2的具体取值不做限定，例如，n1＝5000，n1＝20000，表示如果连续5000次之内cmax没有发生变化或者k≥20000，停止迭代，将当前的st作为最终解，完成网络切片链路部署过程。

本发明实施例还公开了一种电子设备，图4示出根据本发明一实施方式的电子设备的结构框图，如图4所示，所述电子设备400包括存储器401和处理器402；其中，

所述存储器401用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器402执行以实现上述任一方法步骤。

图5适于用来实现根据本发明实施方式的网络切片链路部署方法的计算机系统的结构示意图。

如图5所示，计算机系统500包括中央处理单元(cpu)501，其可以根据存储在只读存储器(rom)502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(ram)503中的程序而执行上述实施方式中的各种处理。在ram503中，还存储有系统500操作所需的各种程序和数据。cpu501、rom502以及ram503通过总线504彼此相连。输入/输出(i/o)接口505也连接至总线504。

以下部件连接至i/o接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至i/o接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。

特别地，根据本发明的实施方式，上文描述的方法可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施方式包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在及其可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行所述数据监控方法的程序代码。在这样的实施方式中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。