空天地一體化網絡基于服務功能鏈的資源分配

　　摘要：空天地一體化網絡是6G通信愿景的重要組成部分，該網絡借助廣域覆蓋優勢，通過對網絡中異構多級資源進行統一管理和綜合處理，實現通信服務的全球無縫覆蓋。但空天地一體化網絡結構復雜且空時大尺度變化，異構網絡節點時空跨度大，易引發高時延、動態路由等問題，難以保障不同業務的服務等級。同時，網絡拓撲具有高度動態性，因而無法保障適配資源的服務連續性。端到端網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務提供定制化服務，具有提升網絡性能的潛力。針對上述問題，研究基于網絡切片和SFC的天地一體化網絡架構;構建多源業務模型，并根據業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的SFC映射方案，鏈路資源利用率高出41.9%，節點資源利用率高出28.4%，服務接受率提高19.7%。

　　關鍵詞：天地一體化網絡;網絡切片;服務功能鏈;可靠性感知;資源分配

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

　　在衛星和地面通信網絡融合過程中，網絡運營商面臨很多挑戰，比如怎樣設計高效靈活的體系結構，以及如何實現異構網絡資源的靈活調度等。然而，衛星和地面網絡中的基礎通信設備和資源缺少統一的標準，將其融合進行統一管理相對困難[4]。

　　新興的SDN(SoftwareDefinedNetwrok)/NFV(NetworkFunctionVitualization)技術突破傳統硬件制約，能夠顯著提高網絡靈活性、自動化、定制化和敏捷性，是推動全面的網絡融合和靈活的管理部署的重要因素[5-6]。隨著業務種類呈現多樣化，端到端網絡切片技術被提出。在控制平面與業務平面分離的軟件化網絡中，運營商能夠通過劃分網絡資源切片為不同類型的業務提供定制化服務[7-8]。每個服務于業務的網絡切片涉及網絡設備、接入網、傳輸網及核心網絡等部分，在邏輯上相互隔離，服務質量、網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量，是一個重要的研究內容。作者在文獻[11]中建立了時變的衛星通信網絡模型和新穎的SFC請求形式，并提出了一種在軟件定義衛星網絡中部署SFC的有效方法，從而最小化端到端的服務延遲，實現靈活的服務編排。文獻[12]重點研究了基于SDN/NFV的地面和衛星地面云的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，旨在提高底層網絡的資源利用效率。

　　文獻[13]描述了SFC在衛星通信網絡中的兩種部署模式：多域模式和衛星編隊模式，并提出了兩種適用于不同業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部署問題的統一網絡模型。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，通過啟發式貪婪算法，利用空中和地面節點的不同特性平衡資源消耗，節省了大量通信資源，但無法根據網絡狀態變化優化SFC遷移過程。

　　綜合當前研究現狀，存在的問題如下：①較少考慮用戶需求差異性和業務優先級，所提供的通信服務具有不確定性;②網絡管理和部署過程較為復雜;③資源分配仍存在不合理性。為了優化天地一體化網絡中資源分配過程，本文考慮在天地一體化網絡中根據不同的業務類型劃分資源切片，在切片上部署SFC,通過感知當前網絡節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，既能為不同類型業務提供可靠的服務，又提高了網絡資源利用率和服務接受率。

　　1天地一體化網絡系統模型

　　本文假設在基于SDN/NFV的天地一體化網絡中，有多個端到端網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。物理網絡包括衛星和地面網絡中的不同節點、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是地面上的網絡控制器，其中SFC編排器負責協調形成服務功能鏈，并將其映射到衛星和地面上分布的節點和鏈路;L2和L6為只有轉發功能的LEO衛星，其他衛星為具有VNF的衛星，分別分布在中低軌道面上，能夠對數據進行處理和轉發。

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

　　切片1中的業務流由地面基站BS3通過星間鏈路傳輸到衛星L3上，再依次經過衛星M4、M1和L1，最后到達地面基站BS1，數據由網絡功能模塊AF1、NF4、NF3、NF5、NF1和AF1依次處理。切片2中的業務流由地面基站BS5通過星間鏈路傳輸到衛星L5上，再依次經過衛星M2、M3和L7，最后到達地面基站BS6，數據由網絡功能模塊AF2、NF5、NF6、NF2、NF1和AF1依次處理[15]。

　　1.1物理網絡模型

　　地面上的網絡控制器統一管理地面和衛星層面的基礎網絡資源，包括地面接入節點、衛星節點、星間鏈路和星地鏈路，并根據用戶的服務功能鏈請求為其選擇對應的網絡切片。

　　1.2切片分類

　　天地一體化通信系統中主要有四大類型的應用場景：廣域寬帶接入、廣域大規模連接、廣域時敏連接和廣域高精度定位，不同場景的業務需求各不相同。因此考慮將整個物理網絡劃分為4類網絡切片，每個網絡切片中包含地面網關、LEO衛星、MEO衛星和對應的鏈路，劃分的主要依據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，則對應廣域寬帶接入切片，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，則對應廣域大規模連接切片。

　　2部署路徑可靠度

　　根據SFC請求，可以在對應的切片網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，選出當前網絡狀態下的最優部署路徑。為描述部署路徑的可靠性，本文定義部署路徑的可靠度SRq，可靠度由網絡節點正常工作的概率、節點計算資源負載情況、網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和物理網絡G,輸出為最優部署路徑Pq和可靠性乘積SRq。當網絡中有新的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絡切片。

　　在對應的網絡切片中，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，分別計算各路經節點和鏈路可靠度，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，在天地一體化網絡中實例化VNF，形成服務功能鏈，并更新網絡中節點和鏈路的負載情況，否則，SFC無法部署到網絡中。

　　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據轉發的基本路徑，將VNF部署在該路徑的物理節點上;SDSN算法以最小化端到端時延為目標，考慮了節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絡中選擇SFC的映射路徑。本文從部署路徑可靠度、節點資源利用率、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請求數增加出現不同程度的上升，最終趨于穩定。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請求數大于120時，節點資源利用率提升28.4%，鏈路資源利用率提高41.9%。這是因為該算法根據SFC請求選擇不同類型的網絡切片，各個切片中的網絡資源得到更充分的利用，此外，部署路徑可靠度與節點和鏈路負載有關，能夠將SFC映射到節點和鏈路資源利用效率較低的路徑上，節點和鏈路資源飽和速度變慢，能夠接受更多SFC請求，從而提高了網絡資源利用率。

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　　5結束語

　　在空天地一體化信息網絡中對異構網絡資源進行合理分配，滿足用戶業務需求，是空天地一體化信息網絡建設的重要研究內容。本文主要研究了天地一體化網絡中基于服務功能鏈映射的資源分配問題，將網絡切片和服務功能鏈技術結合起來應用于星地融合網絡中，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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