5G 網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理

5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理模型5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理模型網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化后的5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)提供了可行性保障；科學(xué)合理的虛擬資源管理方案，則為網(wǎng)絡(luò)切片的可用性提供了支撐。資源管理的目的是為業(yè)務(wù)請求提供訪問物理資源的接口；虛擬資源管理的目的是為各種虛擬網(wǎng)絡(luò)功能尋找滿足運行條件的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施，并且通過對VNF的合理編排和調(diào)度，實現(xiàn)資源的優(yōu)化分配，提高資源利用率和業(yè)務(wù)提供能力。因此5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理就是加入了5G特殊場景和服務(wù)需求的虛擬資源管理。5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理不能套用傳統(tǒng)的虛擬資源管理方案，網(wǎng)絡(luò)切片由運行在NFVI上的各類VNF構(gòu)成，5G網(wǎng)絡(luò)中的VNF和互聯(lián)網(wǎng)中的VNF相比具有獨有的特殊屬性，具體表現(xiàn)如下：（1） 5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類繁多，VNF的開發(fā)廠家將不僅僅局限于運營商，包括原有的設(shè)備制造商、第三方服務(wù)提供商等都可以開發(fā)各個功能的VNF。因此相對互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來說，5G網(wǎng)絡(luò)VNF的異構(gòu)性和性能差異性將更加明顯；（2） 5G網(wǎng)絡(luò)的移動屬性決定了其VNF除了具有互聯(lián)網(wǎng)的特點以外，不同的VNF對資源的需求具有很大的差別。例如以UDM、AUSF、NSSF等公用控制網(wǎng)絡(luò)功能為例，該類VNF在網(wǎng)絡(luò)中長期存在，對底層物理資源的需求不會在短時間內(nèi)動態(tài)變化，呈現(xiàn)出資源需求固態(tài)化、靜態(tài)化的特點；反而對于SMF、UPF等專用網(wǎng)絡(luò)功能和第三方應(yīng)用為例，該類VNF會根據(jù)不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)，實時動態(tài)的產(chǎn)生資源需求，呈現(xiàn)出資源需求實時化、動態(tài)化特點；（3）5G網(wǎng)絡(luò)需要支持低時延高可靠的uRLLC場景，在對VNF進行虛擬資源管理時，必須相對于互聯(lián)網(wǎng)更加注重業(yè)務(wù)的提供時延。針對上述情況，在進行5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理方案時必須進行特殊的考慮，下文將會展開詳細論述。在本小節(jié)中，首先建立5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理模型，如圖1所示。

S求展功能層AISFAMFNSSFUPF役施層qo—&aS求展功能層AISFAMFNSSFUPF役施層qo—&a|i 物理基礎(chǔ)設(shè)施 I虛擬資源管理層應(yīng)用層圖15G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理模型5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理模型包括需求層、功能層、設(shè)施層、應(yīng)用層和虛擬資源管理層五部分組成。其中虛擬資源管理層是進行資源管理的大腦和控制中樞，虛擬資源管理層也稱為MANO層，面向需求層產(chǎn)生的服務(wù)請求，從功能層選擇合適的VNF，并根據(jù)各VNF對資源的需求以及設(shè)施層可提供的資源狀況，實現(xiàn)VNF在設(shè)施層上的映射和部署，由此構(gòu)建應(yīng)用層的各類網(wǎng)絡(luò)切片。MANO系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器(NetworkFunctionVirtualizationOrchestrate,NFVO)、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器(VirutalNetworkFunctionManage,VNFM)及虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器(VirualInfrastructureManage,VIM)組成。(1)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器NFVO是NFV系統(tǒng)的編排器，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的管理和NFV的全局資源管理。NFVO編排不同的VNF組成虛擬服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并管理VNF與NFVI資源的關(guān)聯(lián)和映射關(guān)系。一個NFVO可以同時管理多個VNFM和多個VIM[22]。NFVO功能體系如圖2所示。

M化VKFNSNFVM：能限煩排功哉ft理誓理曾理tfsS1 Or*Vrdm Or*ViEMSVNFMVIML J\_J<_ _J圖2NFVO功能體系架構(gòu)OSS/

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BSSPR忙理功tfeVNFHfl檸理VNF配雹VNF性能fl?理VNF故障NS4命冏期怦刖NS性nNSat障tfenVNFNFVO業(yè)務(wù)如排與骨理 船陽住理功龍鳳圖|第盹1爭fll戶停理1後理VNFN呂PNF背理業(yè)務(wù)編排與管理功能主要通過編排網(wǎng)絡(luò)切片中VNF的組成以及VNF之間的順序關(guān)系，來定義提供特定服務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。該功能包括：NS生命周期管理、NS性能管理、NS故障管理和VNF轉(zhuǎn)發(fā)圖管理等。資源編排與管理功能支持一個VIM域內(nèi)或跨VIM域的資源編排，為業(yè)務(wù)編排提供資源管理上的支持。該功能主要包括基礎(chǔ)設(shè)施資源管理和虛擬化資源管理兩大類，也是本文的主要研究內(nèi)容。通用管理功能包括：視圖管理、策略管理、安全管理、多租戶管理、軟件鏡像管理、VNF包管理、NS模板管理和PNF模板管理等。（2） 虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器VNFM除了包括傳統(tǒng)的故障管理、配置管理、計費管理、性能管理和安全管理外，還包括將VNF在解耦的虛擬資源上安裝、初始化、運行、擴縮容、升級、下線的端到端生命周期管理。每個VNF實例都有一個與之相關(guān)的VNFM，一個VNFM可以負責(zé)管理一個單獨的VNF實例，或者多個相同或不同類型的VNF實例。（3） 虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器VIM負責(zé)控制和管理NFVI所包含的虛擬資源，并提供給VNFM和NFVO調(diào)度使用。一個VIM可能被指定管理某一特定類型的NFVI資源（例如，僅管理計算資源/存儲資源/網(wǎng)絡(luò)資源），也可以管理多種NFVI資源。三、5G網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理過程從NFVO中的資源編排與管理功能可以看出，虛擬資源管理主要實現(xiàn)虛擬資源的編排、VNF資源管理、資源配額管理等功能。因此5G網(wǎng)絡(luò)切片虛擬資源管理的主要目的是對VNF進行編排、部署、調(diào)度，以此使得總體業(yè)務(wù)時延和資源利用率最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)切片的虛擬資源管理主要有如下幾個關(guān)鍵階段：（1）編排：對5G網(wǎng)絡(luò)切片來說，其編排功能由NFVO中的業(yè)務(wù)編排與管理功能來實現(xiàn)，編排的主要目的是根據(jù)需求確定網(wǎng)絡(luò)切片的VNF組成，以及各個VNF的執(zhí)行順序。在編排之前，首先NFVO根據(jù)業(yè)務(wù)需求，確定該網(wǎng)絡(luò)切片所需VNF的功能、性能、類型，從功能層的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能資源庫中選擇符合要求的VNF；然后根據(jù)切片的功能和業(yè)務(wù)提供模式，對各個VNF之間的執(zhí)行順序進行編排，構(gòu)成一個端到端的虛擬業(yè)務(wù)網(wǎng)，按需向用戶提供服務(wù)。（2）部署:5G網(wǎng)絡(luò)切片的部署功能由NFVO中的資源管理與編排功能實現(xiàn)，其主要目的是根據(jù)NFVI提供的底層物理資源情況，結(jié)合切片中各個VNF對資源的實際需求，完成VNF在底層物理資源的映射部署。部署的目標有兩個：一是部署完成后，使底層物理網(wǎng)絡(luò)的計算開銷、傳輸帶寬開銷、存儲開銷最優(yōu)；二是部署完成后，使網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)提供時延最優(yōu)[2