空天地一体化网络基于服务功能链的资源分配

　　摘要：空天地一体化网络是6G通信愿景的重要组成部分，该网络借助广域覆盖优势，通过对网络中异构多级资源进行统一管理和综合处理，实现通信服务的全球无缝覆盖。但空天地一体化网络结构复杂且空时大尺度变化，异构网络节点时空跨度大，易引发高时延、动态路由等问题，难以保障不同业务的服务等级。同时，网络拓扑具有高度动态性，因而无法保障适配资源的服务连续性。端到端网络切片和服务功能链技术(ServiceFunctionChain，SFC)作为一种有效方案，能够为不同类型的业务提供定制化服务，具有提升网络性能的潜力。针对上述问题，研究基于网络切片和SFC的天地一体化网络架构;构建多源业务模型，并根据业务种类划分不同的资源切片;提出一种基于可靠性感知的服务功能链映射方法，通过计算部署路径可靠度选择SFC映射路径。仿真结果表明，基于可靠性感知的SFC映射算法相比较传统的SFC映射方案，链路资源利用率高出41.9%，节点资源利用率高出28.4%，服务接受率提高19.7%。

　　关键词：天地一体化网络;网络切片;服务功能链;可靠性感知;资源分配

　　随着信息技术的快速发展，各种业务需求量和全球网络化服务需求大幅增长，仅简单地利用地面通信网络中有限的资源已无法支持大量通信服务，实现通信的全球覆盖[1]。与此同时，迅速发展的卫星通信网络具有组网灵活、覆盖范围广和不受地理环境制约等特点，能够为地面蜂窝或光纤网络覆盖不到的偏远地区、航空、海洋及抢险救灾等领域提供服务[2]。因此，将卫星网络和地面网络结合形成天地一体化网络，为广泛区域提供高度可靠、安全连续的通信服务，已经成为下一代通信网络的重要研究部分[3]。

　　在卫星和地面通信网络融合过程中，网络运营商面临很多挑战，比如怎样设计高效灵活的体系结构，以及如何实现异构网络资源的灵活调度等。然而，卫星和地面网络中的基础通信设备和资源缺少统一的标准，将其融合进行统一管理相对困难[4]。

　　新兴的SDN(SoftwareDefinedNetwrok)/NFV(NetworkFunctionVitualization)技术突破传统硬件制约，能够显著提高网络灵活性、自动化、定制化和敏捷性，是推动全面的网络融合和灵活的管理部署的重要因素[5-6]。随着业务种类呈现多样化，端到端网络切片技术被提出。在控制平面与业务平面分离的软件化网络中，运营商能够通过划分网络资源切片为不同类型的业务提供定制化服务[7-8]。每个服务于业务的网络切片涉及网络设备、接入网、传输网及核心网络等部分，在逻辑上相互隔离，服务质量、网络带宽及安全性能等专属性能都需要得到充分保证[9-10]。

　　在基于NFV的天地一体化网络中，如何设计SFC编排与映射方案来提高资源利用率和服务质量，是一个重要的研究内容。作者在文献[11]中建立了时变的卫星通信网络模型和新颖的SFC请求形式，并提出了一种在软件定义卫星网络中部署SFC的有效方法，从而最小化端到端的服务延迟，实现灵活的服务编排。文献[12]重点研究了基于SDN/NFV的地面和卫星地面云的SFC映射，并提出了一种同时考虑服务功能复用和SFC合并的相关方法，旨在提高底层网络的资源利用效率。

　　文献[13]描述了SFC在卫星通信网络中的两种部署模式：多域模式和卫星编队模式，并提出了两种适用于不同业务请求量的算法来部署服务功能路径，降低了时延和丢包率，但缺少解决SFC部署问题的统一网络模型。文献[14]提出了一种基于服务功能链的可重构服务提供架构，通过启发式贪婪算法，利用空中和地面节点的不同特性平衡资源消耗，节省了大量通信资源，但无法根据网络状态变化优化SFC迁移过程。

　　综合当前研究现状，存在的问题如下：①较少考虑用户需求差异性和业务优先级，所提供的通信服务具有不确定性;②网络管理和部署过程较为复杂;③资源分配仍存在不合理性。为了优化天地一体化网络中资源分配过程，本文考虑在天地一体化网络中根据不同的业务类型划分资源切片，在切片上部署SFC,通过感知当前网络节点和链路的正常工作概率和负载情况，将SFC部署到可靠度更高的路径上，既能为不同类型业务提供可靠的服务，又提高了网络资源利用率和服务接受率。

　　1天地一体化网络系统模型

　　本文假设在基于SDN/NFV的天地一体化网络中，有多个端到端网络切片同时为不同用户提供服务，每个切片上有若干SFC为用户提供端到端服务。物理网络包括卫星和地面网络中的不同节点、链路和地面控制器。BS1~BS6是由不同用户采用不同无线接入方式接入的地面基站;DC是地面上的网络控制器，其中SFC编排器负责协调形成服务功能链，并将其映射到卫星和地面上分布的节点和链路;L2和L6为只有转发功能的LEO卫星，其他卫星为具有VNF的卫星，分别分布在中低轨道面上，能够对数据进行处理和转发。

　　在具有VNF的节点上能够创建不同的用户接入功能，如AF1和AF2，还可以创建不同的数据处理功能，如NF1~NF6。为了便于快速构建服务链满足需求，一个物理网络节点可以包含多个网络功能实例，同时一种网络功能实例可以分布在多个网络节点上。物理网络分为地面网络、LEO卫星和MEO卫星网络三个层面，两种类型网络切片上的两条SFC分别为不同用户提供服务。

　　切片1中的业务流由地面基站BS3通过星间链路传输到卫星L3上，再依次经过卫星M4、M1和L1，最后到达地面基站BS1，数据由网络功能模块AF1、NF4、NF3、NF5、NF1和AF1依次处理。切片2中的业务流由地面基站BS5通过星间链路传输到卫星L5上，再依次经过卫星M2、M3和L7，最后到达地面基站BS6，数据由网络功能模块AF2、NF5、NF6、NF2、NF1和AF1依次处理[15]。

　　1.1物理网络模型

　　地面上的网络控制器统一管理地面和卫星层面的基础网络资源，包括地面接入节点、卫星节点、星间链路和星地链路，并根据用户的服务功能链请求为其选择对应的网络切片。

　　1.2切片分类

　　天地一体化通信系统中主要有四大类型的应用场景：广域宽带接入、广域大规模连接、广域时敏连接和广域高精度定位，不同场景的业务需求各不相同。因此考虑将整个物理网络划分为4类网络切片，每个网络切片中包含地面网关、LEO卫星、MEO卫星和对应的链路，划分的主要依据为用户服务请求的时延和带宽要求。如果用户需求信息汇总部署服务功能链所需带宽大、时延要求高，该SFC请求对应广域时敏连接切片，若所需带宽大、时延要求低，则对应广域宽带接入切片，若所需带宽小、时延要求高，SFC请求对应广域高精度定位切片，所需带宽小，时延要求低，则对应广域大规模连接切片。

　　2部署路径可靠度

　　根据SFC请求，可以在对应的切片网络中生成多条部署服务功能链的实际路径，需要通过对不同路径的负载情况、正常工作概率进行评估，选出当前网络状态下的最优部署路径。为描述部署路径的可靠性，本文定义部署路径的可靠度SRq，可靠度由网络节点正常工作的概率、节点计算资源负载情况、网络链路连通状况和链路资源带宽占用情况共同决定[16]。

　　3基于可靠性感知的服务功能链映射算法

　　SFC请求映射到对应网络切片中会形成多条路径，为保障部署路径具有更高的可靠性、较低的端到端时延，本文提出了基于可靠性感知的服务功能链映射算法。算法输入为SFC请求Q和物理网络G,输出为最优部署路径Pq和可靠性乘积SRq。当网络中有新的SFC请求到来时，生成相应的虚拟服务功能序列，并根据请求信息中的时延和带宽对请求进行分类，每个请求对应一种类型的网络切片。

　　在对应的网络切片中，利用K条最短路径(KSP,K-ShortestPathes)算法选择多条长度较短且时延较低的路径，分别计算各路经节点和链路可靠度，选择可靠度最大的路径作为服务功能链的部署路径。若部署路径可靠度大于设定的门限值，在天地一体化网络中实例化VNF，形成服务功能链，并更新网络中节点和链路的负载情况，否则，SFC无法部署到网络中。

　　4仿真结果分析

　　将本文提出的基于可靠性感知的服务功能链映射算法与SPO算法[18]和SDSN算法[11]进行对比，SPO算法直接计算出用户端点之间的最短路径作为数据转发的基本路径，将VNF部署在该路径的物理节点上;SDSN算法以最小化端到端时延为目标，考虑了节点利用率和部署概率，并结合最短路径算法在天地一体化网络中选择SFC的映射路径。本文从部署路径可靠度、节点资源利用率、链路资源利用率、服务接受率和服务总时延来评估所提算法的性能，验证基于可靠性感知的服务功能链映射算法的有效性。

　　4.1资源利用率

　　资源利用率随着SFC请求数增加出现不同程度的上升，最终趋于稳定。其中，基于可靠性感知的服务功能链映射算法与SPO算法相比，当SFC请求数大于120时，节点资源利用率提升28.4%，链路资源利用率提高41.9%。这是因为该算法根据SFC请求选择不同类型的网络切片，各个切片中的网络资源得到更充分的利用，此外，部署路径可靠度与节点和链路负载有关，能够将SFC映射到节点和链路资源利用效率较低的路径上，节点和链路资源饱和速度变慢，能够接受更多SFC请求，从而提高了网络资源利用率。

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　　5结束语

　　在空天地一体化信息网络中对异构网络资源进行合理分配，满足用户业务需求，是空天地一体化信息网络建设的重要研究内容。本文主要研究了天地一体化网络中基于服务功能链映射的资源分配问题，将网络切片和服务功能链技术结合起来应用于星地融合网络中，提出了基于可靠性感知的服务功能链映射算法。仿真结果表明，与其他SFC映射方法比较，该算法具有较高的可靠性、资源利用率和服务接受率，具有较高的实用价值和研究意义。

　　参考文献：

　　[1]WANGP,ZHANGJ,ZHANGX,etal.PerformanceEvaluationofDouble-edgeSatelliteTerrestrialNetworksonOPNETPlatform[C]//IEEE/CICInternationalConferenceonCommunicationsinChina(ICCCWorkshops).Beijing:IEEE,2018:37-42,

　　[2]阮玉晗.面向新型混合星地网络的资源分配与性能分析[D].西安：西安电子科技大学，2018.

　　[3]张乃通,赵康僆,刘功亮.对建设我国"天地一体化信息网络"的思考[J].中国电子科学研究院学报,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，黄昊楠，张兴，王鹏，张佳鑫

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