面向5G环境的网络切片资源调整方法及系统与流程

本发明涉及一种面向5g环境的网络切片资源调整方法及系统，涉及通信技术领域。

背景技术：

sdn作为一种新型网络体系架构，将可编程性及控制与转发分离这两个功能分别纳入互联网和移动通信等领域，可加速网络部署、简化网络管理、集中网络运营。数控分离有助于底层网络设施资源的抽象与管理视图的集中，从而以虚拟资源的形式支持上层应用与服务，实现更好的灵活性与可控性。通过sdn技术可进行网络规划、流量调度、开放灵活的呼叫转移分离和集中控制，进而实现网络自动化和智能化。现有的sdn架构主要由基础设施层、控制层和应用层三层组成，如图1所示。

①基础设施层：由大量基本网络设备组成，负责处理控制层下发的规则，并根据规则进行数据转发。

②控制层：是sdn网络的重要组成部分，根据交换机上报的网络状态等信息，进行网络资源管理调度，并通过南向接口下发控制信令，保证数据平面的交换机可以协调、可靠、高效的工作，类似于网络的操作系统。

③应用层：由sdn应用构成。sdn应用能够通过可编程方式把需要请求的网络行为通过北向接口提交给控制器。

sdn具有如下特点：

1)灵活性：在传统网络中，当业务需求发生变化时，调整网络布局十分困难，需要人工修改大量相关设备的配置，如路由器、交换机、防火墙等，耗费大量的人力、物力资源。在互联网发展日新月异的今天，这种不灵活的特性使得传统网络愈发无法满足各大厂商和用户的需求。而sdn通过将网络设备的控制权分离出来，由集中的sdn控制器管理，因此在网络调整时无须依赖底层网络设备，从而屏蔽了来自底层网络设备的差异。由于这种控制权是完全开放的，因此用户可以自定义网络路由和传输策略。

2)可编程性：基于sdn的网络部署模式无需对每个路由器进行反复配置，只需要在使用时对网络规则进行简单定义即可。并且基于sdn的网络部署模式支持路由器内置协议修改，以此实现更好的数据交换和转发的功能，从而使得网络更贴近用户需求。

3)开放性：由于网络的总带宽是一定的。如果某个时刻某项业务突然需要更多的带宽和流量，传统网络是很难进行随时间的动态调整的，但在基于sdn设计的网络中这个是很容易实现的。sdn可以从全局的角度进行流量和带宽的统筹，并且通过协议下发新的规则，甚至于可以暂时关闭sip(sessioninitiationprotocol)和ftp(filetransferprotocol)从而让流媒体的带宽更大。待该业务的需求降低之后再让网络恢复原状。

nfv实现传统电信设备的软硬件解耦、网元动态创建和虚拟资源提供。运用虚拟化技术将物理资源抽象化，形成可以供上层应用的虚拟资源，实现对网络功能的虚拟化。通过采用nfv技术，网络设备的功能实现不再依赖于特定、专用硬件，而可通过使用x86等通用硬件及虚拟化技术承载很多功能的软件处理，从而降低网络昂贵的设备成本，实现资源的充分灵活共享，保证新业务的快速开发和部署，并支持基于实际业务需求的自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

其主要思想是将设备安装在相应的虚拟机软件中，构成一个虚拟网络设备，只要虚拟机被分配给it资源，同时虚拟实体的硬件、网络设备和网络性能的真实能力是相同的。实现nfv需要：①虚拟机被分配给it资源；②虚拟实体的硬件、网络设备和网络性能的真实能力是相同的。根据先前建立的网络拓扑结构，将虚拟网元连接起来形成虚拟网络。nfv的主要功能是实现虚拟网络元素和虚拟网络，网络结构和组织形式发生了变化，但网络性能没有改变。

网络切片技术将物理基础设施资源虚拟化为多个相互独立且平行的专用虚拟网络。每个切片都可独立按照业务场景的需求进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理。通过nfv技术虚拟化出满足业务性能要求的vnf、通过sdn根据业务需求进行动态组网从而形成一个网络切片。图2即为基于sdn/nfv的网络切片结构。可以看到，一个服务可以根据具体服务需求包含多个切片实例，每个切片实例又可由具备特定功能的子网切片实例构成。

其中，服务指提供给终端客户的商业服务；网络切片实例定义了底层的资源集合；网络切片子网实例可被视为一组相关的vnf/pnf集合。

5g相关研究组织提出5g需要端到端的网络切片，从无线或者有线接入网，到传输网，再到核心网。不同的网络部分都采用nfv将物理网络切分成逻辑网络。目前接入网比较典型的研究有c-ran，将bbu和rrh进行分离，bbu集中在资源池，按需分配bbu资源给不同网络切片。核心网有vepc，通过nfv技术将核心网功能软件化并且模块化，根据不同网络切片需求进行功能的组合。接入网和核心网都采用资源池化技术，具有良好的扩展性，可以按需分配并且动态扩缩容。目前5g对传输网的研究比较少。传输网尚缺灵活性，5g需要重新设计传输网络，使其不成为核心网的瓶颈，并且提高资源利用率和减少运维等开销。

目前已有学者提出可重构信息通信基础网络通过为用户构建可重构服务承载网的方式，实现其对功能可动态重构和扩展的底层物理网络的共享，从而为不同业务提供其根本需求和可以定制的基础网络服务。这种服务是将业务需求与底层网络资源状态，如网络拓扑、资源状态等条件优化考虑，构建出的多个在底层物理资源上存在交集，能够提供不同服务能力的承载子网，如图3所示。

在服务承载网构建时，将底层资源区别对待；并动态感知资源的使用状态，发现紧要资源并进行相应迁移处理，从而提高服务承载网请求的构建成功率。

在基于sdn的网络环境中，流表是一种资源，更新流表需要一定的时间，当满足上述技术一约束条件下选出的路径映射可能需要更新较多的流表，造成业务恢复时间较长。

mpls是利用标记(label)进行数据转发的。当分组进入网络时，要为其分配固定长度的短的标记，并将标记与分组封装在一起，在整个转发过程中，交换节点仅根据标记进行转发。mpls独立于第二和第三层协议，诸如atm和ip。它提供了一种方式，将ip地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。在mpls中，数据传输发生在标签交换路径上。mpls主要设计来解决网路问题，如网路速度、可扩展性、qos管理以及流量工程，同时也为下一代ip中枢网络解决宽带管理及服务请求等问题。

mpls可以满足多种灵活的业务需求，但是只能动态改变某个用户的带宽分配，不能根据全局网络进行带宽的优化分配。

网络切片的构成是通过nfv技术虚拟化出满足业务性能要求的虚拟网元，而后使用sdn技术根据业务需求进行动态组网，从而形成一个网络切片。而不同链路的带宽资源利用率会随着时间的推移而有所改变，为提高用户体验，需对网络资源进行动态调整，具体解决问题如下：

1、多个网络切片：存在某个切片资源占用率极低，另一个与之服务种类相近的切片已经拥塞的情况，此时需要在切片间进行网络资源的动态调整。然而现有技术无法满足快速、高效的资源动态调整，会造成极大的资源浪费和资源空闲。

2、单个网络切片：存在部分网络资源占用率极低，而网络其他部分已经拥塞的情况，此时需要进行切片内部的资源动态调整，现有技术很难满足网络资源的快速调整。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提出了面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案架构、核心模块构成与系统具体流程，针对5g网络切片应用场景，提出基于遗传算法的网络资源优化算法，实现了单个网络切片内和多个网络切片间的网络资源动态调整，保证了资源的有效利用以及总体资源占有率的提高。

本发明的技术方案是一种面向5g环境的网络切片资源调整方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，首先，管理者根据实际需求将各网络切片拥有的资源量进行初始化；

步骤二，各网络切片内部的租户根据各自需求向相应切片管理者申请所需资源，并签订资源自动调整协议，以便资源的后续调整处理；

步骤三，在运行时，先判断多个网络切片间的网络资源量是否需要进行重新分配；若需要，则通过在空闲网络切片与拥塞网络切片间对网络资源进行再分配实现优化网络性能的目标；若不需要，则进一步判断单个网络切片内是否存在资源分配不合理现象；若存在，则对一个网络切片内的网络资源进行再调整，从而缓解网络压力。

进一步的，所述步骤一中，管理者分别为每个网络切片分配初始带宽、节点初始计算能力和节点初始缓存能力，并将分配结果存入网络切片数据库中，此过程由sdn控制器统一控制管理。

进一步的，步骤二中，管理者为每个租户分配初始资源，并且建立起各租户与物理网络资源的初始映射关系，初始分配的各个网络资源值会存储在网络资源数据库中。

进一步的，步骤三中，所述通过在空闲网络切片与拥塞网络切片间对网络资源进行再分配实现优化网络性能的目标，其具体流程为：

步骤3.1，sdn控制器从网络资源数据库中读取每一个租户当前的网络资源量，并根据读取结果进行资源调整触发决策；

步骤3.2，根据资源调整触发决策，判断要在多个网络切片间的资源动态调整流程；

步骤3.3，使用遗传算法，以实际收益为适应度函数，通过整体实际收益的提高量的大小来判断应该如何调整不同网络切片间的资源；决策方法如下：假定第i个网络切片，其分配的总带宽为ai，单元带宽租用价格pi，单元带宽收益gi，资源利用率为σ，则该租户或网络切片的实际收益为：ki＝σ×aigi-aipi，通过计算整体的实际收益，最终得到适应度函数：而后使用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，并通过不断比较总体适应度与上一次的适应度，最终得到最优的资源调整量；

步骤3.4，在进行调整量决策之后，每一个需要调整的网络切片，根据步骤3.2和步骤3.3的结果，在不同网络切片内部进行网络资源再分配，调整流程同于一个网络切片内的资源动态调整；

步骤3.5，对每个需要调整的网络切片内的网络资源进行资源再分配，将新的转发规则下发到具体网络中；

步骤3.6，将新分配的网络切片资源存储到网络切片数据库中，将新分配的各网络切片的网络资源信息存储到网络资源数据库中；

步骤3.7，重复进行步骤3.1-步骤3.6，完成网络切片间的资源动态调整；

步骤3.8，若网络拥塞停止，则将调整的网络切片各个链路信息回调到设定的初始资源值。

更进一步的，步骤三中，所述对一个网络切片内的网络资源进行调整，其具体流程为：

步骤4.1，sdn控制器从网络资源数据库中读取当前的网络资源分配情况，并根据读取结果进行资源调整触发决策；

步骤4.2，根据资源调整触发决策，判断执行一个网络切片内的资源动态调整流程；

步骤4.3，采用遗传算法，以实际收益为适应度函数，通过整体实际收益的提高来判断应该如何调整映射关系以及网络资源；在判断为需要进行资源调整的前提下，进行关于资源调整量的决策；决策方法如下：假定第i个节点或链路，其分配的带宽为ai，单元带宽租用价格pi，单元带宽收益gi，资源利用率为σ，则其实际收益为：ki＝σ×aigi-aipi，通过计算整体的实际收益，最终得到适应度函数为：而后通过遗传算法进行选择、交叉、变异操作，并通过不断比较总体适应度与上一次的适应度，最终得到最优的资源调整量；

步骤4.4，根据步骤4.2和步骤4.3的结果进行相应的网络资源再分配，将新的转发规则下发到具体网络中；

步骤4.5，将新分配的网络资源信息存储到网络资源数据库中；

步骤4.6，重复进行步骤4.1-步骤4.5，完成网络切片内的网络资源动态调整；

步骤4.7，如果网络拥塞停止，则将调整的各个链路信息回调到设定的初始资源值。

针对上述资源调整方法，本发明还提供面向5g环境的网络切片资源调整系统，所述系统包括sdn控制器，所述sdn控制器包括五个功能模块组成：网络切片监控模块、网络切片资源调整模块、网络监控模块、网络资源调整模块和网络更新模块；

其中，所述网络切片监控模块：位于sdn控制器内，负责监控和形成各个网络切片当前的资源分配状态视图，并将其结果传输给网络切片资源调整模块；

所述网络切片资源调整模块：位于sdn控制器内，该模块负责接收网络切片监控模块发送的网络切片资源分配视图，并依据该视图判断是否需要进行网络切片间的资源调整、计算出所需调整的资源量，并将结果下发到网络资源调整模块；

所述网络监控模块：位于sdn控制器内，该模块主要负责监控一个网络切片内部的当前网络资源分配情况，并将结果传输到网络资源调整模块；

所述网络资源调整模块：位于sdn控制器内，根据网络监控模块的输出判断一个网络切片内部是否需要进行网络资源的调整，并将调整结果下发到网络更新模块；

所述网络更新模块：位于sdn控制器内，该模块接收网络资源调整模块关于网络调整量的输出结果，并将该输出结果下发给对应的物理链路、物理节点等，完成一个切片内部的网络资源动态调整。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)提出了在5g环境下面向网络切片的一种带宽资源动态调整方案，解决了当部分切片拥塞时的带宽资源动态调整问题；并提出了资源动态调整流程。

(2)提出了资源调整预先判断机制，保证短时间的流量急剧变化不会触发资源调整决策，解决了流量频繁变化导致网络资源被频繁改变的问题。

(3)设计了根据遗传算法解决从全局角度进行网络资源重分配的问题。

附图说明

图1为现有的sdn架构图；

图2为基于sdn/nfv的网络切片结构图；

图3为可重构服务承载网示意图；

图4为面向5g环境的网络切片资源调整系统架构图；

图5为面向5g环境的网络切片资源调整系统核心模块功能图；

图6为面向5g环境的网络切片资源调整方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明中实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本方案设计了面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案架构、核心模块构成与系统具体流程。

实施例1

面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案架构设计

面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案架构总共分为单个网络切片内的资源动态调整和多个网络切片间的资源动态调整两部分，如图4所示，各部分主要构成如下：

多个网络切片间的资源动态调整：由sdn控制器、网络切片数据库和网络切片组构成，sdn控制器负责将资源在不同网络切片间进行动态分配和调整。当需要调整时，选定需调整的已拥塞网络切片和空闲网络切片，通过在空闲网络切片与拥塞网络切片间对网络资源进行再分配，缓解网络拥塞压力，降低网络切片的拥塞持续时间，提升用户体验。

单个网络切片内的资源动态调整：由sdn控制器、网络资源数据库和单个网络切片构成，sdn控制器负责将一个网络切片内的网络资源进行动态分配和调整。当需要调整时，选定需调整的网络资源类型，根据所选择的待调整网络资源类型，判断调整链路资源还是节点资源。通过在空闲与拥塞的链路或及节点中对网络资源进行重分配，缓解网络拥塞的压力，降低该网络切片内部的拥塞持续时间，提升用户的体验。

首先，管理者根据实际需求将各网络切片拥有的资源量进行初始化。管理者分别为每个网络切片分配初始带宽、节点初始计算能力和节点初始缓存能力等，并将分配结果存入网络切片数据库中。此过程由sdn控制器统一控制管理。

之后，各网络切片内部的租户根据各自需求向相应切片管理者申请所需资源，并签订资源自动调整协议，以便资源的后续调整处理。在此过程中，网络切片管理者会首先为每个租户分配初始资源，并且建立起各租户与物理网络资源的初始映射关系。初始分配的各个网络资源值会存储在网络资源数据库中。

在运行时，首先判断多个网络切片间的网络资源量是否需要进行重新分配。若需要，则通过在空闲网络切片与拥塞网络切片间对网络资源进行再分配实现优化网络性能的目标。若不需要，则需进一步判断单个网络切片内是否存在资源分配不合理现象；若存在，则对一个网络切片内的网络资源进行再调整，从而缓解网络压力，提升用户的体验。

网络监控模块负责监控各网络切片内部的链路流量、节点计算量、节点缓存量等；网络切片监控模块负责监控每个网络切片当前的资源量。本方案的详细模块设计见实施例2部分，详细流程设计详见实施例3部分。

实施例2

面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案核心功能模块

本方案核心功能模块及其关系如图5所示。

本方案的核心组件为sdn控制器。sdn控制器由五个功能模块组成：网络切片监控模块、网络切片资源调整模块、网络监控模块、网络资源调整模块和网络更新模块，其功能如下：

①网络切片监控模块：位于sdn控制器内，负责监控和形成各个网络切片当前的资源分配状态视图，并将其结果传输给网络切片资源调整模块。

②网络切片资源调整模块：位于sdn控制器内，该模块负责接收网络切片监控模块发送的网络切片资源分配视图，并依据该视图判断是否需要进行网络切片间的资源调整、计算出所需调整的资源量，并将结果下发到网络资源调整模块。

③网络监控模块：位于sdn控制器内，该模块主要负责监控一个网络切片内部的当前网络资源分配情况，并将结果传输到网络资源调整模块。

④网络资源调整模块：位于sdn控制器内，根据网络监控模块的输出判断一个网络切片内部是否需要进行网络资源的调整，并将调整结果下发到网络更新模块；

⑤网络更新模块：位于sdn控制器内，该模块接收网络资源调整模块关于网络调整量的输出结果，并将该输出结果下发给对应的物理链路、物理节点等，完成一个切片内部的网络资源动态调整。

实施例3

面向5g环境下一种网络切片的资源调整方案流程设计

本方案的核心流程如下：

首先判断是否需要在多个网络切片间进行资源调整。若需要，则进行多个网络切片间的资源分配；若不需要，再判断是否需要对单个网络切片内的资源进行调整，若需要调整，则在一个网络切片内部对网络资源进行再分配，再将最终调整结果通过网络更新模块下发到各物理链路、物理节点中，其核心流程如图6所示。

(一)一个网络切片内的资源动态调整流程：

1.各个租户根据自身的情况与需要，向其所在的网络切片管理者申请资源，并且签订资源自动调整协议，以便后续的资源调整处理。网络切片管理者首先为每个租户分配初始资源，并且建立起各租户与物理网络资源的初始映射关系。初始分配的网络资源值会存储在网络资源数据库中。

2.sdn控制器从网络资源数据库中读取当前的网络资源分配情况，并根据读取结果进行资源调整触发决策。

3.根据资源调整触发决策，判断需要对哪种网络资源进行调整。

4.sdn控制器计算资源调整量。本方案采用遗传算法，以实际收益为适应度函数，通过整体实际收益的提高量的大小来判断应该如何调整不同网络切片间的资源；决策方法如下：假定第i个网络切片，其分配的总带宽为ai，单元带宽租用价格pi，单元带宽收益gi，资源利用率为σ，则该租户或网络切片的实际收益为：ki＝σ×aigi-aipi，通过计算整体的实际收益，最终得到适应度函数：而后使用遗传算法进行选择、交叉、变异操作，并通过不断比较总体适应度与上一次的适应度，最终得到最优的资源调整量。

5.根据步骤3和步骤4的结果进行相应的网络资源再分配，将新的转发规则下发到具体网络中。

6.将新分配的网络资源信息存储到网络资源数据库中。

7.重复进行步骤2—6。完成网络切片内的网络资源动态调整。

8.如果网络拥塞停止，则将调整的各个链路信息回调到设定的初始资源值。

(二)多个网络切片间的资源动态调整流程：

1.各个租户根据自身的情况与需要，向网络切片申请资源，并且签订资源自动调整协议，以便后续的资源调整处理。网络切片管理者会首先为每个网络切片分配一个初始资源，网络切片内也会进行资源的分配。初始分配的带宽资源值会存储在网络资源数据库中。

2.sdn控制器从网络资源数据库中读取每一个租户当前的网络资源量，并根据读取结果进行资源调整触发决策。

3.根据资源调整触发决策，判断需要对哪种网络资源进行调整。

4.控制器开始进行资源调整量决策。此时使用遗传算法，以实际收益为适应度函数，通过整体实际收益的提高来判断应该如何调整映射关系以及网络资源；在判断为需要进行资源调整的前提下，进行关于资源调整量的决策；决策方法如下：假定第i个节点或链路，其分配的带宽为ai，单元带宽租用价格pi，单元带宽收益gi，资源利用率为σ，则其实际收益为：ki＝σ×aigi-aipi，通过计算整体的实际收益，最终得到适应度函数为：而后通过遗传算法进行选择、交叉、变异操作，并通过不断比较总体适应度与上一次的适应度，最终得到最优的资源调整量。

5.在进行调整量决策之后，每一个需要调整的网络切片，根据步骤3和步骤4的结果，在不同网络切片内部进行网络资源再分配，调整流程同于一个网络切片内的资源动态调整。

6.对每个需要调整的网络切片内的网络资源进行资源再分配，将新的转发规则下发到具体网络中。

7.将新分配的网络切片资源存储到网络切片数据库中，将新分配的各网络切片的网络资源信息存储到网络资源数据库中。

8.重复进行步骤2—7。完成网络切片间的资源动态调整。

9.若网络拥塞停止，则将调整的网络切片各个链路信息回调到设定的初始资源值。

本发明创造所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制发明创造。以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。