基于云的SDN和NFV架构对物联网基础设施的影响：节省成本和简化管理

埃及信息学杂志20（2019）1适用于物联网基础设施的基于云的SDN和NFV架构Mamdouh Alenezia，Khaled Almustafaa，Khalim Amjad Meerjaba沙特阿拉伯苏丹王子大学b印度V R悉达多工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年11月21日收到2018年2月27日修订2018年3月24日接受在线发售2018年保留字：计算机网络软件定义网络（SDN）网络功能虚拟化（NFV）A B S T R A C T通常被称为物联网（IoT）的连接设备正在以惊人的速度增长。网络基础设施必须通过提供足够的连接和提供基于应用的服务来容纳所有这些设备。服务提供商必须在网络基础设施上投入更多资金为解决这一问题，出现了服务提供商之间共享基础设施的新概念，以减少与基础设施部署有关的过度投资成本。因此，基于网络虚拟化的新架构正在出现，以提供网络共享，处理来自物联网设备的大数据爆炸，并简化管理任务。软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）这两种互补的架构正在出现，以全面解决若干网络问题。在这项工作中，我们介绍了SDN和NFV架构提出的最受欢迎的虚拟化概念。我们定量评估了与现有最先进的网络4G硬件技术相比，这两种SDN和NFV架构的硬件和能源成本节省。©2019 Elsevier B.V.制作和托管代表开罗计算机和信息学院大学这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍通常称为物联网（IoT）的互联网上的连接设备正在以惊人的速度不断增加。应该有足够的网络基础设施来处理数据爆炸。一个挑战是物联网设备是全球分布的。网络基础设施应该能够覆盖所有这些全球分布的设备。这是一个巨大的挑战，也是任何单一服务提供商在基础设施方面的巨大投资。由于用户被预订给许多不同的服务提供商，并且是全球分布的，因此每个服务提供商不可能具有其自己的单独网络来服务于其自己的订户。随着新技术的出现，硬件很快就过时了，导致每个服务提供商的巨大经常性成本[31，7]。*通讯作者。电子邮件 地址：malenezi@psu.edu.sa（M. Alenezi），klamustafa@psu.edu.sa（K.Almustafa）、kmeerja@gmail.com（K.A. Meerja）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。需要一种新的可共享架构，其对于每个服务提供商的订户的变化的需求是灵活的。当每个服务提供商的用户数量改变时，情况尤其如此。对网络资源的需求总是动态变化的。服务提供商将能够从可共享网络架构中借用资源，并且还能够基于其订户的需求来放弃这些资源。因此，可共享的架构将确保根据服务提供者当前的需求分配足够的资源，并计划为未来的预测需求预留资源。另一个关键问题是为了适应不断变化的流量特性（如带宽和延迟要求）所需的网络重新配置[10]。安全和服务供应策略将随着时间的推移而不断变化，因为新的业务应用程序被添加到网络上为用户提供服务[1]。必须修改数据包处理策略，并且可能必须将高层处理并入新添加的流量[18]。因此，防火墙、负载均衡器和其他专用网关的位置当多个服务提供商将使用公共网络基础设施时，这种重新配置在共享网络场景中将是一个问题。由于所有这些问题，必须在服务提供商之间保持网络资源的隔离这将通过以下方式实现https://doi.org/10.1016/j.eij.2018.03.0041110-8665/©2019制作和主办由Elsevier B. V.代表开罗大学计算机和信息学院这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。制作和主办：Elsevier可在ScienceDirect上获得目录列表埃及信息学杂志杂志主页：www.sciencedirect.com2M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）1基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新兴技术。在这项工作中，未来的SDN和NFV架构进行了讨论。执行成本分析以分析这种可共享的基于SDN和NFV的网络架构的益处。2. 未来网络的挑战技术的使用及其预测需求正处于非常快速的阶段[4]。为了满足需求，研究和创新不断在数据通信网络领域提供更好，更有效的解决方案[13，36]。这些新的解决方案是必不可少的，因为以前的现有解决方案正在迅速过时[24，12]。这不仅是因为随着时间的推移，我们对技术有了更好的理解，而且主要是因为越来越多的关注和新的需求。每天都有新的用户加入到网络中，也有新类型的网络服务。用户数量的增加和新的服务种类都需要巨大的网络资源，并且这种需求呈指数级增长[11，22，9]。连接设备的数量已经有了巨大的增长，超出了数据通信网络的预期，以至于它在目前和不久的将来可以处理如此巨大数量的设备[17，16]。数据通信网络技术需要一个全新的解决方案，它可以承受通过单一网络解决方案提供服务的设备数量的爆炸性增长。这样的解决方案还必须将服务提供给针对可能需要更大块的网络资源的未来需求而开发的基于未来网络的应用。网络解决方案必须跟踪设备和用户的连续移动，根据他们期望的服务质量，在时间内随时提供他们的数据网络解决方案必须具有弹性，通过快速恢复机制无缝修复网络故障和其他重要的是要考虑各种因素，这些因素增加了部署网络的成本，以服务于互连在一起形成物联网（IoT）的数万亿设备[33]。首先，必须指出的是，终端设备在本质上是非常多样化的。需要专门的网络行为和服务来操作这些不同的物联网设备[20，19，35]。每种类型的应用程序都需要不同的网络策略，以便根据强调的机密性、完整性和整体安全性来区别对待其数据流量。以前的趋势是在硬件中构建专门的网络功能，以加速网络操作。这些专用网络设备必须根据网络服务提供商提供的不同种类的服务对于服务提供商来说，在大的地理区域上拥有站点位置和网络基础设施是非常昂贵的。在某些地区向其他基础设施提供商租赁网络资源，以向该等地区的客户提供服务，较为容易及经济随着这种必要性，出现了在多个服务提供商之间共享网络资源的新需求这些基础设施提供商必须具有通过适当的分区和隔离机制在所需的基础上向网络服务提供商提供网络资源的能力所有这些问题的关键解决方案是网络虚拟化[5]。通过网络虚拟化的概念，所有的网络元素将是可编程的使用一个单一的标准用户界面，并可以从任何选定的中央位置远程控制在新的框架下，所有网络操作都将自动化，可以通过重新定义某个网络单元的网络功能来容易地改变该单元的角色以下是以下部分进一步讨论网络元件功能的虚拟化。3. 网络虚拟化图1中描绘了当前网络场景和未来设想的虚拟网络场景。首先考虑目前的交通网络情况。在这种情况下，所有这些不同的设备都分布在整个网络中。由于每个设备都有固定的网络功能，因此设备位置必须在网络中仔细规划。经过一段时间后，如果必须更改网络布局以适应新的要求，则必须重新安排、重新连接这些网络设备，然后单独重新配置。由于每个设备的控制功能都嵌入其中，因此每个设备都有一个单独的管理界面，必须单独访问。有时必须添加新设备，而必须丢弃旧设备，从而浪费网络基础设施资源。 所有这些原因导致更高的基础设施、运营和管理成本。另一方面，未来网络架构的想法主要是在实践中实现软件虚拟化，如图所示。1.一、可以看出，大多数基础设施只是作为硬件池创建的COTS服务器和交换机库。这些硬件池可以托管许多具有不同功能的虚拟网络设备。在软件中创建的虚拟网络功能通过标准接口访问底层硬件.这将允许服务提供商在日常基础上根据需要即时创建、删除和修改网络功能。这种增加的灵活性允许将硬件资源转移到服务提供商的实际需求。在基于COTS的服务器池上创建的虚拟网络设备的软件可编程性允许服务提供商在没有主要服务干扰的情况下试验新概念。不需要大量额外的基础设施投资来尝试新技术。只需向现有的服务器池中添加更多的COTS服务器，即可升级网络容量。基于这些软件实现的网络功能构建的虚拟网络具有高度灵活性，可轻松进行重新配置并解决新的网络布局问题。有可能只有一个管理接口，整个网络可以从单个或多个中心位置进行控制。因此，与处理基于专用硬件的网络相比，网络操作和管理是非常简单且具有成本效益的事情。3.1. 在软件这个想法是基于旧的预先存在的原始概念，即使用相同的基本硬件资源在软件中虚拟地实现各种网络功能。由于目前制造廉价但功能强大的COTS硬件的能力，这一概念正在被重新审视现在，在软件中创建的虚拟网络功能 许多虚拟网络功能可以共享单个物理硬件或硬件资源池，如图所示。 二、图2示出了单个COTS服务器以及托管许多虚拟网络功能（VNF）的适当转发硬件。每个VNF本身可以是服务器、路由器、网关、负载均衡器、代理或防火墙，仅举几例。通常，这些物理服务器和转发单元中的多于一个被捆绑为硬件资源池以托管多个VNF。这是为了解决各个VNF实例动态变化的硬件资源 这种情况也显示在图。 2，其中看到许多VNF共享硬件池资源M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）13图1.一、从现有的基于专用硬件的网络发展未来图二.虚拟网络功能的软件实现。明确区分基础设施提供商、网络服务提供商和网络运营商的角色是绝对必要的。它们之间的关系必须得到确认，并应长期依赖。因为，当这种情况发生变化时，包括技术要求在内的一切都会发生变化。为满足市场需求而开发的商业模式是发展、接受、增长和最终目标的基石任何一种典型技术的流行程度。本文中使用的术语将网络运营商视为网络服务的最终用户，他们依赖网络服务来执行其核心业务操作。它们是应用程序和内容提供商、学术和非学术机构、联邦公共和私人服务以及商业和金融机构等企业。网络运营商依赖于网络功能资源，这些资源作为服务按需从第三方购买。通过这样做，他们将不必投资和维护自己的网络，并随着业务扩展而升级。相反，他们将专注于自己的核心业务，并将一切投入其中，避免处理涉及运营和升级自己的基础设施的持续前期成本vate网络基础设施。在另一个极端，基础设施提供商将在地理位置上采购站点，并在这些位置安装网络基础设施。他们的业务是通过基于网络硬件虚拟化的高弹性软件向客户提供硬件。它们将提供原始计算、存储和转发资源，作为可微调的虚拟硬件资源。客户将只根据他们的实际使用收费通过“现收现付”计费计划。通过硬件虚拟化，物理资源在多个4M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）1客户端通常是中间网络服务提供商。网络服务提供商将在实际硬件基础设施提供商和终端网络运营商之间扮演中介者的角色，终端网络运营商是网络服务的最终用户，以实现其主要业务的功能。如图3所示，网络服务提供商可以使用从基础设施提供商获得的虚拟硬件资源为其终端客户端远程创建和维护多个网络。网络服务提供商将创建VNF并将其连接到不同的网络，这些网络可以用于公共或私人用途。网络服务提供商本身可以是从同一基础设施提供商购买虚拟硬件资源的许多人。他们可能会互相竞争，以保持他们在这一业务的领先地位，吸引更多的网络运营商作为他们的客户。出于这个原因，他们提出了自己的网络政策，服务质量协议和计费选项，以保持业务盈利。因此，下一代网络的目标是能够远程创建、控制和管理虚拟资源的网络，这些虚拟资源是在软件中创建的互连VNF无需人工干预即可更改网络拓扑。VNF的容量可以根据需要增加或减少。这消除了向某些客户端过度供应或供应不足资源的情况，从而能够始终保持基于合同协议的服务质量图三.使用软件实现的网络元件功能构建的多个虚拟网络。云中的网络控制和管理软件执行基于COTS的底层转发硬件基础设施的共享，这些基础设施分布在各个地理上分离的位置。复杂的网络策略可以通过细粒度的网络资源控制和配置来实现网络策略可以立即应用和测试，而不会中断任何服务。网络技术的新创新可以很容易地被软件所接受，而不需要大量的投资.为了实现图3所示的未来能力网络的梦想目标，网络架构必须经历完全的转变。需要一个全新的体系结构来将虚拟化纳入物理硬件。大部分理论可以从现有知识中借鉴，并适用于当前的需求和网络场景。两种深刻的方法被立即用于在称为VNF的软件中创建网络元件。这两种方法是不同的，但互补的，可以粗略地比较，如图4所示。这些方法的主要区别在于，一种方法保留了控制平面在物理设备中。而另一种方法将控制功能与物理设备分离，使得设备仅执行数据转发功能或为其构建的某些其他功能。该架构允许将控制平面嵌入到物理设备中，以确认当前硬件制造过程中存在的实践。这是一个中间解决方案，而不是对架构进行全面检查。在这种体系结构中，物理硬件覆盖着一层管理物理资源的软件。这个软件层将防止应用程序直接访问物理设备.这就是所谓的虚拟化软件，在这种架构中称为hypervisor。还有一小部分软件层可以解决跨平台问题。这两个层一起将提供用于虚拟地供应设备资源的手段。创建VNF，这些虚拟资源模拟期望网络元件的确切功能。VNF只不过是在软件中虚拟创建的专用网络功能元件，作为为完全相同的目的而构建的专用网络硬件的替代品。根据该架构创建的VNF使用通过管理程序变得可用的逻辑上可用的资源。VNF的能力可以通过物理设备资源的逻辑上可用的切片的适当供应来仔细地讨论中的另一个主要架构建议对当前的网络设备制造过程进行全面改革。它不提倡将控制平面留在设备中。 因此，它从硬件中删除了控制平面，从而简化了仅进行数据转发的通用网络设备的制造。将有一个单独的软件控制器见图4。 虚拟设备资源的软件实现。M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）15控制网络中的所有设备。这也被称为网络操作系统。软件控制器将使用南向API与物理设备对接。该软件控制器将提供一个北向API，该API由为特定网络功能设计的网络应用程序访问。这些网络应用将创建在软件控制器的控制下的所需VNF。请参见图4，其中逐层比较了用于在软件中创建网络元素的两种架构。3.2. 使用云平台在软件中实现网络功能云平台是一种理想的网络解决方案，可以提供各种形式的服务，如虚拟硬件即服务、虚拟网络功能和平台即服务，以及最终的应用和软件即服务。 拥有云网络的想法是能够在全球范围内提供服务，理论上具有无限的容量，能够适应不断变化的需求，具有高度的弹性和安全性，并能够提供计量服务。基础设施提供商将使用云环境将其虚拟硬件资源作为服务推出，并在全球范围内向其客户提供。网络服务提供商将使用此全球可用性服务为他们的客户端创建虚拟网络和VNF，这些客户端将是实际的网络运营商。网络服务提供商将为他们的网络运营商客户建立网络，客户将使用网络来做他们的业务。网络运营商将能够为他们的最终用户创建应用程序和软件服务，他们是网络服务的最终消费者。这些网络服务可以是访问Internet以参与社交网络、在家中或办公室使用某个软件、获取新闻和信息、执行视频会议等。下一代网络的要求，诸如基础结构资源池化和共享、按需服务、鼓励自助服务的简单接口、用于广泛网络接入的多级服务云网络的这一概念是通过高带宽链路互连分布式数据中心来实现的。这些数据中心托管大量服务器池以及随时可用于执行虚拟化的网络相关硬件由于基础设施的大规模部署，进行研究和开发以构建更强大的软件虚拟化框架并随着时间的推移不断改进它们将是经济的。由于云计算网络下的预期节省是巨大的，所有利益相关者都在不断寻求投资于这个框架，以进一步改进和扩展使用这种模式的服务云网络的主要优势在于，它们提供了巨大的潜力，小投资在改善全球市场提供的服务方面具有巨大的影响力这些云网络可以轻松启动高度复杂的、科学相关的服务，如网格计算和自主计算。另一方面，它们还为不太复杂的用户提供基于实用程序的计算。云网络正朝着提供高可用性的方向发展从基础设施到终端用户应用的任何类型的网络服务。构建物理和逻辑网络拓扑以确保足够的冗余度和高可用性。网络协议旨在确保将数据安全地传递给相关用户，而不会对机密性和真实性造成任何损害。这些网络协议必须在不超过最大容许延迟的持续时间内传送数据。换句话说，在任何情况下都必须完全符合服务水平协议（SLA）。每个网络用户都有不同的需求。 用户需求不断他们的数量也不总是固定的，因为他们根据自己的需要来来去去。云网络利用前面讨论的软件虚拟化框架来提供多租户功能，以支持同一硬件和软件基础设施上的多个应用程序。这里的挑战性问题是适当地共享所有潜在资源。同时，云中使用的框架应该在多租户应用程序之间提供完全隔离。添加新应用程序不应降低现有应用程序的性能。从这个意义上说，云网络必须具有弹性，才能优雅地响应网络上不断变化的负载当今网络的主要问题之一是可扩展性。每个人都在网上花费更多的时间，寻求更高的数据传输率，更大的存储容量，更多的计算能力。如果不增加新的网络基础设施，这些庞大的数据就无法实时正确处理。资源昂贵，消耗大量能源，对环境造成负担。技术必须迅速赶上高需求，这在任何情况下都是不可阻挡的。解决方案必须便宜，可快速部署，节能。这些网络中呈现的数据将是高度非结构化、半结构化和结构化的。在任何情况下，数据都必须被操纵，以提取日常生活所需的知识和信息。采用适当的软件虚拟化框架的云网络是解决可扩展性问题和处理大量数据生成的未来方向。所以，我们主要关心的是有效处理物联网设备和其他形式网络用户产生的大数据。关键在于开发一个高度可扩展的基于云的软件虚拟化框架。3.3. 用于大数据处理的资源调配许多信息技术和数据网络相关行业的专家会立即得出结论，未来明显的主要数据来源将是物联网设备和社交网络。当大数据增长时，对其可信度的担忧也会增加。数据还必须通过简单的查询机制高度可访问。这是必要的，因为任何数据分析活动的成功都取决于数据可用性的程度。如果相关数据可随时获得，则可从分析活动中得出快速准确的决策[21，29]。基于准确数据分析的决策将对采取合理决策以改善任何业务活动产生深远影响。另一个主要方面是数据在相关用户之间传输的速度，以便他们能够快速关联数据，共同提取和交流知识和信息。通过这样做，他们将能够及时做出决定，不要错过任何重大机会。这对于任何企业保持领先于同行至关重要。目前使用固态设备（SSD）的存储技术非常缓慢，甚至无法完全满足当今所需的大数据分析的最低要求。未来更具挑战性，需要一些中间存储解决方案。这可能是一些解决方案，创新地模拟更快的分布式存储。这将需要直到一个新的完全不同的存储技术进入市场[38，37].据设想，全息存储技术将来拯救，但它仍然是至少十年后才能进入主流使用。除此之外，数据存储在地理上相距甚远的位置。必须从不同地区获取数据进行分析，这给连接这些远程存储的通信链路带来了很大的压力。由于所有这些限制，网络资源必须事先转移并保留用于进行大数据分析#21463;的用户[6]。时域多路复用的概念可以用于满足具有不同的用户的需求6M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）1在不同的时间段内活跃。这将减轻所需网络资源的负担。路由技术还可以用于在网络中的目的节点之间智能地传输数据，从而使网络资源的总体消耗非常小[30]。因此，最佳的网络调度和资源配置策略对于增强大数据消费体验起着至关重要的作用[25]。精心设计的服务质量供应机制和流量准入计划是必不可少的，直到有一个在所有形式的网络容量的网络管理策略必须克服存储设备的读/写速度和通信链路的数据传输速率的瓶颈。物联网设备分散在不同的地区和非常偏远的地方[27，23]。它们通常位于很远的地方，难以实际到达，只能通过高度不可靠的无线通信媒介访问。由于物联网设备将多次被放置在恶劣的环境中，受到周围高水平的噪音和干扰，通信质量将很差。仍然必须使用节能手段从这样的设备中提取数据。数据将被中间传输到与中央处理位置具有更好和更可靠通信链路的数据接收器[3]。由于这种汇聚节点的容量上的许多限制，必须设计适当的数据存储和转发机制。必须制定最佳策略来决定数据处理和存储的位置。根据重做分析所需的时间，决定存储分析结果还是简单地丢弃它们也是另一个需要考虑的问题。必须考虑物联网网络拓扑及其与中央云的通信，以便为大数据处理提供有效的资源配置策略[28]。4. 基于软件定义网络（SDN）的物联网架构在基于软件定义网络（SDN）的虚拟化的新范例中，所有IoT网络元件都只是转发设备，而没有任何智能灌输到它们中，可以控制和转发数据流量。这些都是简单的COTS为基础的装备，从一个独立的软件代理接收命令驻留在远程服务器上。整个网络管理和控制操作都驻留在这个软件中，通常称为SDN控制器。SDN控制器被视为整个网络的大脑。SDN控制器驻留在大型云网络中的多个物理分布的服务器上。除了驻留在多个服务器上之外，SDN控制器软件还以集中的方式逻辑地控制网络。控制和人工策略似乎被应用在反映整个网络跨度的中心位置。网络的这种逻辑中央控制将极大地减少网络运营商的负担，因为它将避免在当今网络中非常常见的跨网络的配置错误。在数据、控制和管理平面之间开发了开放和标准的接口，允许异构设备毫不费力地连接到网络。这对于当前难以连接异构设备的传统网络是不可能的。三个不同的平面，即数据、控制和管理-图5中示出了SDN架构中的端平面。数据平面驻留在实际的网络硬件上，这些硬件是各种基于COTS的IoT设备。数据平面通过南向接口连接到控制平面。实际的设备虚拟化发生在驻留在SDN控制器中的控制平面中。图5示出了SDN控制器中的控制平面由用于基于COTS的IoT设备的虚拟化的网络管理程序模块组成。 SDN控制器由控制和人组成，将平面划分为单独的层。这些控制和管理平面使用北向接口彼此通信。控制平面还包括网络操作系统，它将整个网络作为一个单一的逻辑实体进行控制。5. 基于网络功能虚拟化（NFV）的物联网架构图5中示出了基于网络功能虚拟化（VNF）的架构的概念图。这个虚拟层以虚拟机管理程序的形式位于设备本身上，而不是网络虚拟机管理程序。虚拟机管理程序创建虚拟机（VM）这些物理硬件在概念图[26]中被称为虚拟基础设施。可以使用开放标准API访问虚拟硬件。更高级的编程语言可以访问这些标准的开放API集以创建虚拟网络功能（VNF）。VNF可以使用在单独的服务器群上运行的中央软件管理器来创建。可以使用类似于SDN架构中的软件控制器的软件管理器动态分配和释放资源[8]。另一方面，VNF使能设备也可以使用中央SDN控制器来控制，使得两种架构可以共存并一起工作[32]。VNF架构的三个基本组件是：（a）物理硬件：硬件是托管诸如CPU、存储器和存储的资源的任何裸金属机器。(b)虚拟机管理程序层：这个虚拟层是在管理CPU能力、内存和存储容量等资源的裸金属硬件上运行的软件层。(c)虚拟机：来宾虚拟机是一种软件，它使用一小部分硬件资源来模拟物理平台的架构和功能。因此，特定的物理硬件可以托管多个VM。可以在物理硬件上托管的VM的最大数量取决于物理硬件的资源和每个VM使用的资源量[15]。VNF和SDN架构的关键优势在于，基于通用COTS的服务器可以并入企业级网络中甚至蜂窝移动网络的物理层处理也可以在这些COTS服务器中实现[14]。这是电信行业的一大步，因为它将改变整个蜂窝网络架构。通过采用基于云的数据中心，它将大大减少资本然而，它还没有测试这样的网络的性能，只有未来的试验才能够通过开发良好的测试床网络来回答这些问题。多个租户将能够共享基于云的SDN和基于NFV架构的虚拟化网络资源，以提高利润率并降低基础架构支出[34，12]。6. SDN/NFV架构在4G基础设施上的成本分析本 节 中 的 成 本 分 析 将 比 较 传 统 4G 硬 件 网 络 和 使 用 基 于 云 的SDN/NFV架构的未来网络的成本。6.1. 成本分析：基准4G网络假设中央4G路由器ri将能够处理k个情况，并且服务提供商i花费u美元来获得它并在他自己的网络中进行配置。假设路由器的保质期为x年，之后必须更换。假设在同一个业务中有m个这样的服务提供商使用他们自己的M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）17eeeeeeeeeeeeXXeE E14eePmeeeXe我v我a我Mi¼1ai表1定义4G网络的输入变量图五.体系结构概念图。nei¼kv=ek×ci6输入变量描述1; 2;.. . ;mg数 量 的服务提供商1; 2;.. . ;cmg服务提供商的客户数量mR/fr1;r2;. ;rmg4G路由器由服务提供商U¼ fu1;u2;. . ;umg 服务 提供 商安装 的4G 路由 器的 单位成 本ki;i2 f1;mg 路由 器处理的同时会话数ri kv;v2 f1;cmg客户占用的平均会话数ve i;i2 f1; mg路由器r i每天消耗的能量一种4G中央路由器ri.现在假设每个服务提供者m都有全部顾客，比如说cm。每个客户v;v2 f1;cmg平均使用kv个会话。假设平均能耗-路由器R1的操作是每天E1。所有输入变量总结见表1。服务提供商i支持其所有客户所需的路由器数量以及x年的相关成本由下式给出：Ci¼ni×u×xð7Þ其中，ni是所需的VM数量，Ci是服务提供商i在x年内产生的成本。该系列的能耗副提供者i由Ei表示，并且由以下等式给出Ei¼ni×eð8Þ为了进行定量比较，让kai×ki 9u×x¼ci×ui 10ebi×ei 11服务提供商i使用基于SDN/NFV的网络x年所产生的成本，以其4G网络的成本表示由Ci给出的工作如下Cin¼k=k×cð1ÞCei¼ai×Ci12Cni ×ui其中n 是所需的路由器数量，C 是产生对于SDN/NFV架构下的成本降低，ci=ai应小于1。如果VM和4G路由器处理相同数量的i i会话，虚拟机的成本应低于4G路由器对于服务提供商i，持续X年。服务提供商i的能耗由Ei给出，如下所示Ei¼ni ×eið3Þ因此，所有m个服务提供商在x年由C给出如下MC ni ui41/1类似地，每天的总能量消耗由E给出为：成本然而，当VM支持的会话比4G路由器多时，VM成本会更宽松。但业内专家预计，虚拟机将比4G路由器更强大，但成本更低。必要和必要的条件是ai>ci。服务提供商i使用基于SDN/NFV架构的共享网络由以下表达式给出，由Ci表示。8Ci-eCi×100如下MCi¼Ci：ai-ci×100ð13ÞE ni ei1/16.2. 成本分析：基于SDN/NFV架构的网络假设基于SDN/NFV架构的网络提供了可以处理e-kneo-us会话的虚拟机（VM）。假设每年租用这些虚拟机的成本为u美元。的对于SDN/NFV中的能量消耗，其可以用4G参数b我iai×i接下来，计算所有m个服务提供商在x期间的总成本年由Ce给出如下eXPmni提供商使用基于公共可共享SDN/NFV的网络。什么...VM每天消耗的能量是e。假设所有m服务Ce¼x×ue×ni¼C×nið15Þ假设服务提供商的所有其他输入变量都是同样的，比如他们的客户数量和他们的行为在网络上，可以看到服务提供商i支持其所有客户所需的虚拟机数量以及x年的相关成本由下式给出类似地，每天的总能量消耗由E给出为：如下MEe×ni 161/1e我1/1i¼1ci8M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）1G以基于4G路由器的网络的能量消耗表示的基于SDN/NFV的网络中的总体能量消耗给出如下。假设虚拟机租赁成本与购买4G路由器并在其整个保质期内对其进行维护相同。显然，如果虚拟机不够强大，SDN/ NFV网络的成本会更高。怎么--当VM开始支持比4G路由器更多的会话时，PmniSDN/NFV网络的成本下降。当租金的实际成本eE¼E×Pmnið17Þ购买虚拟机的成本低于拥有4G路由器的实际成本，i¼1bi6.3. 结果两种完全不同的技术之间的成本和能耗比较无疑是非常复杂的，因为它必须考虑许多硬件特定方面[2]。实证结果将更实质性地揭示实际成本和能源消耗。然而，我们已经从行业专家那里了解到因此，我们以可变参数的形式获取这些信息，以研究SDN/NFV网络和4G网络之间的相对成本和能耗，如上述模型所示。然而，该模型将提供关于成本和能源节约的见解，作为许多不同重要因素的函数。其中一个重要的指标是会话的数量支持的设备。我们称会话是一个恒定的硬件资源，用于服务于用户.通常，用户可以在设备上使用多于一个会话。这在我们以前提出的模型中得到了反映。在基于SDN/NFV的网络中，VM被分配给服务提供商以服务其客户的流量。为此目的，基于SDN/NFV的网络中的VM还根据所支持的会话的数量和它们消耗的能量的量来描述。图6示出了当使用SDN/NFV网络的VM时某个服务提供商i的成本相对于在使用4G硬件时产生的成本的变化。在我们的模型和所有呈现的结果中，我们假设所有客户在无限长的时间内一直都有流量。尽管这种解释是无效的，但它代表了最坏的情况，这也将消除来自共享SDN/NFV网络资源的复用增益。因此，对于感兴趣的参数，相对成本降低是真实的和定量的。SDN/NFV网络中的服务提供商i的相对成本和能耗降低取决于VM有多强大，同时取决于VM的成本效益和能效。例如图 6显示了4G路由器支持500个会话的情况下的结果。我们通过将支持的会话数量从400更改为2000来改变SDN/NFV网络的VM的性能容量作为最坏的情况，我们服务提供商I的工作成本相当低。当虚拟机非常强大并支持2000个会话时，在SDN/NFV网络上租用虚拟机的成本会大幅下降。SDN/NVF技术必须赶上传统的专用硬件技术，特别是当4G技术更加强大时。这在图6中示出，其中4G路由器现在支持1000个会话，而不是如先前结果中所示的500个会话。因此，我们逐渐增加的力量，4G技术，看看这将如何影响共享SDN/NFV网络的相对成本。很明显，除非虚拟机在实力上没有真正的进步，并且在经济上是可行的，否则我们在使用SDN/NFV技术时不会看到同样数量的成本降低。然而，我们仍然看到，在SDN/NFV网络中租赁VM的相对成本为服务提供商i节省了相当大的成本。这将是虚拟化技术成功的关键。对于4G路由器分别支持500和1000个会话的情况，SDN/NFV网络的成本降低百分比如图7所示从这两个结果可以看出，根据SDN/NFV技术在提供更便宜的替代方案方面的成功，可以观察到40%至80%的更好的处理能力。结果考虑了实际上合适的ci的非常标称的值。然而，正如已经提到的，成本是相对于现有的4G硬件技术。假设4G硬件与COTS硬件相比是昂贵的，这在当前现有的场景中是真实的。通过高效的虚拟化软件使COTS服务器更加强大是降低SDN/ NFV网络成本的另一个关键因素。来自研究和行业专家的反馈强烈表明SDN/NFV技术可以节省更多成本。对于服务提供商i，来自使用SDN/NFV网络的能量节省在图1中示出。 八、对于多个服务提供商的情况，我们考虑两个sce- narios，第一个有3个服务提供商，第二个有5个服务提供商。 为的情况的3服务供应商，kv¼ f1; 2; 3g;ki 1/4 f700; 800; 1000g;ci1/4 f 0： 5; 0： 6; 0： 7g和ci 1/4 f1500;2000;两千五对于由5个服务提供商组成的另一网络场景，● kv/f1; 2; 3; 4; 5g● ki¼ f500; 600; 700; 800; 1000g见图6。 SDN/NFV VM相对于单个服务提供商的4G网络硬件的相对成本比较i¼1aiM. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）19图第七章为单个服务提供商使用SDN/NFV VM的成本降低百分比i.见图8。为单个服务提供商使用SDN/NFV VM的节能百分比i.图10. 使用共享SDN/NFV网络时的整体节能● Ci 1/4 f0： 3; 0： 4; 0： 5; 0： 6; 0： 7g● 1500; 2000; 2500; 3000; 3000g图9中示出了共享公共SDN/NFV网络的所有服务提供商的总成本节省。类似地，在使用SDN/NFV网络时，所有服务提供商的总能量节省在图10中示出。从这两个结果可以看出，即使当SDN/NFV不采取复用时，图第九章所有服务提供商共享SDN/NFV网络的总成本即使有增益，它仍然提供了大量的成本和能量节省。在我们未来的工作 中 ， 我 们 有 兴 趣 看 到 机 会 资 源 访 问 和 复 用 增 益 如 何 在 共 享SDN/NFV网络中提供更多的能源和成本节约。7. 结论讨论了未来的网络挑战以及虚拟化在解决与基于云的SDN和NFV技术相关的所有问题中的作用此外，还讨论了虚拟化的概念以及SDN和NFV框架的概念。从大数据爆炸的角度讨论了基于云的数据中心网络的必要性，以及基于SDN/NFV的技术将如何处理云网络上的大数据爆炸。此外，研究了基于云的SDN/NFV网络，并提出了一个数学模型，比较了SDN/NFV网络和典型4G网络之间的成本和能耗。所有关键指标都被视为变量函数，以研究它们对SDN/NFV网络中的总成本和能耗的影响。坚持文献中的常见假设，所提出的模型研究了参与SDN/NFV网络共享的单个服务提供商和系统中所有服务提供商的相对成本和能耗。通过消除任何复用增益的可能性，我们仍然发现在基于SDN/NFV的网络中有相当大的成本降低和能量节省。结果证实了通过成功部署基于软件vir的网络10M. Alenezi等人/Egyptian Informatics Journal 20（2019）1tualization。在我们未来的工作中，我们有兴趣看到机会主义的资源访问和复用增益将如何在共享SDN/NFV网络中提供更多的能源和成本节约致谢这项研究由阿卜杜勒阿齐兹国王科技城（KACST）赞助。引用[1] 放大图片作者：Alenezi M，Almustafa K，Hussein M. 5G蜂窝网络中的虚拟化和安全意识性能分析。J Eng Sci Technol Rev 2018;11（1）：199-207.[2] Almustafa K ， Alenezi M. SDN/NFV 架 构 在 4G 基 础 设 施 上 的 成 本 分 析 。 ProcComput Sci2017（113）：130-7。[3] [10]杨文，李文. RFID技术用于智能空间中基于物联网的个人医疗保健。IEEEInternet Things J 2014;1（2）：144-52.[4] Ameur H，Khoukhi L，Esseghir M，Boulahia LM.节能网络：最近的研究和未来的挑战。Int J Wirel Mob Comput 2017;12（1）：1-15.[5] [10] 杨 文 ， 王 文 ， 王 文 . 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