NFV环境下级联故障分析及解决方案研究

摘要

随着互联网的发展，上层服务需求越来越多样化，传统的底层网络功能迫于专属硬件的限制，无法快速更新适应。网络功能虚拟化(Network Function Virtual-ization，NFV)将IT虚拟化技术引入传统电信网络，实现了传统网络功能的软硬件分离，使得网络功能可编程动态伸缩，大大增强了网络的更新迭代速度。然而，传统电信网络和IT网络在可靠性的要求上存在较大差异，级联故障问题频繁发生在 IT网络系统中，针对电信网络的高可靠性要求，NFV环境下的网络的级联故障问题应当引起重视。
　　本文首先从服务功能链(Service Function Chain，SFC)的角度分析了NFV环境下故障扩散的模式，通过实验总结出两种不同的故障扩散模式：
　　(1)当不同服务功能链共享的资源故障时，故障将在大量不同服务链间扩散。
　　(2)当服务功能链上不同功能模块间性能不匹配时，故障会沿着服务功能链的性能瓶颈模块向上游模块扩散。
　　为了防止共享资源故障引起的大面积故障扩散，本文采用对关键资源如共享资源加强保护的办法提高系统的可靠性，阻断故障的扩散。首先针对NFV多层虚拟化特点，对其不同层次中各模块之间的存在的多种关系（依赖、备份、负载均衡）进行抽象，建立了一个三值状态多层依赖模型。然后提出一个优化系统可靠性的备份资源分配算法，仿真结果表明，算法能得到最优解或近似最优解。从而从备份资源分配角度为实现故障隔离提供思路。
　　为了解决服务链上不同服务功能模块服务能力不匹配带来的扩容风暴问题，本文提出了联动扩容算法。该算法主要思想在于预测出瓶颈模块扩容后对下游模块的影响，将受影响的模块与瓶颈模块联动扩容，从而避免多次扩容。具体方法是利用神经网络，建立了扩容量和数据流的输入输出速率之间的关系模型，使得上游节点的扩容对下游节点的影响可以量化，提前对下游受波及的节点进行扩容，防止了故障的扩散。仿真结果表明，联动扩容算法避免了单点独立扩容可能导致的二次服务功能不匹配问题，节约了系统扩容的总时间，降低了平均服务响应延迟。
　　最后，为更好地应用上述算法，在目前业界的NFV架构基础上，实现了NFV环境下故障隔离架构，该架构根据上述算法的输入输出需求，增加了监视器模块和算法部署模块，并给出了运行实例，为增强算法的实用价值提供参考。

目录

声明

1第一章绪论

1.1研究内容的背景及意义

1.2论文的主要贡献与创新

1.3论文的结构安排

2第二章NFV环境下故障扩散分析

2.1 NFV环境网络特点分析

2.2 NFV环境下故障扩散分析及实验

2.3本章小结

3第三章提高系统可靠性的级联故障预防算法

3.1 NFV环境及其可靠性建模

3.2算法仿真

3.3本章小结

4第四章面向服务功能不匹配的联动扩容算法

4.1问题描述与模型提出

4.2联动扩容算法描述

4.3算法仿真与结果分析

4.4本章小结

5第五章NFV环境下故障隔离架构

5.1基于SDN技术的NFV基础架构

5.2 NFV环境下故障隔离架构

5.3运行实例

5.4本章小结

6第六章全文总结与展望

6.1本文主要工作

6.2下一步研究方向

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果