CN102075429A - 一种基于就近原则的虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于就近原则的虚拟网络映射方法。该方法是在节点映射中选择底层物理网络节点时，不仅考虑其剩余资源，也同时考虑是否满足就近原则，即是否与已映射成功的底层物理网络节点之间存在链路连接；另外本方法中也引入了在虚拟网络节点映射将节点按照其剩余资源进行排队的机制，以及在虚拟网络链路映射前将链路按照其带宽进行排队的机制。本发明提供的方法适用于实验网络、运营商网络等已经或将要使用网络虚拟化技术进行网络分离、资源管理调度或提供定制服务的网络，该方法具有链路映射复杂度低、底层物理网络资源利用率高、虚网请求映射成功率高等特点。

Description

一种基于就近原则的虚拟网络映射方法

技术领域

网络虚拟化技术是推动互联网体系架构发展的重要方法之一，其本质是通过抽象、分配、隔离机制在一个公共物理网络上独立地运营多个虚拟子网，各虚拟子网可以使用相互独立的协议体系，并能够根据用户动态变化的需求对整个网络中节点和链路资源进行合理配置，从而增强网络的灵活性与多样性，实现网络的可测可控性，最优化网络资源的分配与调度，提高安全和服务质量、降低运营维护成本，以求根本性地解决互联网现有的僵化、以补丁和更新为主的发展现状。

网络虚拟化技术可以用于为新型网络体系结构的研究提供共享物理实验网络的基础，同时它还能够将底层物理设施提供商与网络服务运营商相分离，允许多个运营商的网络共享同一个公共的底层物理网络基础架构(链路、交换节点等)，每个网络都在其中拥有既不受其他网络影响又可以灵活调整的网络资源份额，不同网络运营商可以采用不同的网络协议，提供创新的端到端服务，因此网络虚拟化也很有希望成为一种未来网络的主流运营模式。

背景技术

虚拟网络映射问题则是网络虚拟化技术中必不可少的环节，它的主要功能是将用户的虚拟网络请求(Virtual Request)合理地映射至运营商提供的底层物理网络设施(Substrate Network)，映射过程不仅要实现虚拟网络之间的分隔与互不影响，从而保证每个虚拟网络用户的服务质量(QoS)，同时也要尽量合理地分配底层物理网络资源，提高资源利用率。如图1所示。

在图1中，两个不同的虚拟网络被映射在底层物理网络上，并向相应的用户提供服务。由于虚拟网络请求拓扑的多样性，以及节点和链路两组限制条件需要同时考虑，使得将多个不同的虚拟网络映射到一个公共底层物理网络成为NP-hard问题。为解决该问题，国外很多研究学者已经提出了一些求解映射匹配次优解的映射方法，但现有算法普遍存在匹配方程求解复杂、计算花销大、缺乏具体路径选择方法等问题。

虚拟网络映射的实现过程可以分为两个步骤：节点映射和链路映射。现有的主要方法是使用贪婪算法进行节点映射，使用K最短路径算法进行链路映射。***以时间窗为单位，一个时间窗内的所有虚拟网络请求将按照其收入排序，从规模最大的请求开始进行映射。若映射成功，则更新底层物理网络状态；若失败，则将请求放入等待队列；若失败次数超过预设参数DELAY，则直接拒绝该请求。

其中，对每个虚拟网络请求的映射步骤如下：

首先进行节点映射：对虚拟网络请求中的每个虚网节点(V_node)，使用贪婪算法寻找拥有最大剩余资源的底层物理网节点(S_node)；若该S_node满足该V_node的CPU限制，则该V_node映射成功；若对某V_node，没有满足要求的S_node，则节点映射失败；若所有V_node映射成功，则节点映射完成。

节点映射完成后进行链路映射：对虚拟网络请求中的每条虚网链路(V_hnk)，确定其两端点V_node1、V_node2映射至底层物理网络中的S_node1、S_node2；使用K最短路径算法寻找S_node1、S_node2之间的第1-K条最短路径；若其中某条路径满足该V_hnk的带宽要求，则该V_hnk映射成功；若所有K条路径均不满足带宽要求，则链路映射失败；若所有V_link映射成功，则链路映射完成。

在现阶段的虚拟网络映射算法中，由于设计节点映射算法时没有考虑到其对链路映射的影响，因此一个使用贪婪算法优化后的节点映射结果有可能导致链路映射复杂或无法完成。例如，贪婪算法选择的节点在底层物理网拓扑中可能相距很远(多跳)，那么它们中间的链路和节点就会被经常使用，从而加重负担；同时，由于一条虚链路将会占用多条底层物理网链路，底层物理网的资源利用率会变差，即***的收入/支出(Revenue/Cost)会降低。

发明内容

本发明分析了节点映射算法与链路映射算法的关系，发现在节点映射过程中，如果仅以底层物理网节点的剩余资源为目标，则上述对链路映射的负面影响几乎不能避免，因此若能提出一种方法，在考虑底层物理网节点剩余资源的同时，也考虑节点之间的距离，并使用参数调节这两个因素的影响，则可以大大简化链路映射的复杂度，并提高底层物理网的资源利用率。

本发明根据该出发点针对节点映射引入一种就近原则，并使用相关系数Corr调节底层物理网节点剩余资源与节点距离两个因素的权重，形成一个新的、更为全面的节点映射判断标准：加权剩余资源(WeightedAvailable Resource，WAR)。以加权剩余资源作为节点映射的判断标准，增加了节点就近原则作为节点映射过程中除了底层物理网节点剩余资源外的另一影响因子，从而在节点映射过程中兼顾了链路映射，避免了仅考虑底层物理网节点剩余资源而造成的对链路映射的不利影响，降低了链路映射的复杂度，提升了底层物理网链路资源的利用率，提升了***的收入支出比。

本发明涉及的定义：

1)收入(Revenue)

Revenue是指虚网映射成功获得的利润，根据映射成功的虚网带宽和CPU定义：

Revenue＝α_R∑BW_R+β_R∑CPU_R

其中，BW_R是映射成功的虚网带宽，CPU_R是映射成功的虚网节点CPU资源，α_R和β_R是用于调节带宽和CPU的权重系数，也可以理解为运营商提供虚网服务时带宽和CPU资源的单价，下标R指收入。

2)支出(Cost)：

Cost是指虚网映射成功支出的费用，根据映射使用的底层物理网络带宽和CPU定义：

Cost＝α_C∑HOPS·BW_C+β_C∑CPU_C

其中，BW_C是映射使用的底层物理网络带宽，HOPS是一条虚拟链路在底层物理网络上占用的实际链路数量，CPU_C是映射使用的底层物理网络节点CPU，α_C和β_C是用于调节带宽和CPU的权重系数，也可以理解为运营商提供虚网服务时带宽和CPU资源的成本，下标C指Cost。

3)剩余资源(Available Resource，AR)：

AR是针对某底层物理网节点的剩余资源，根据剩余CPU资源和与该底层物理网节点连接的剩余链路资源定义：

AR＝CPU_A∑BW_A

其中，Corr是针对某底层物理网节点(S_node)的相关系数，随着Corr增加，就近原则的作用得到增强，Corr＞1。指数n表示当前虚网请求中已经映射成功并且映射的象节点与S_node有直接连接的虚拟网节点个数，n的大小表征了S_node与之前已经映射成功的底层物理网络节点的距离，下标A指AR。

本发明，一是通过定义加权剩余资源引入了就近原则，在节点映射的同时顾及了链路映射。二是在虚拟网络节点映射过程中引入了V_node按照其剩余资源排序的机制。三是在虚拟网络链路映射过程中引入了V_hnk按照其带宽排序的机制。

(1)就近原则

如上所述，现有的虚网节点映射流程中，在寻找底层物理网节点时，衡量标准是节点的剩余资源，该衡量标准仅考虑了底层物理网节点的剩余资源大小，没有考虑链路映射的距离问题，因此本发明提出使用加权剩余资源作为衡量标准，定义如下：

WAR＝Corrⁿ·CPU_A∑BW_A

其中，Corr是针对某底层物理网节点S_node的相关系数，随着Corr增加，就近原则的作用得到增强，应设置为Corr＞1。指数n表示当前虚网请求中已经映射成功并且映射的象节点与S_node有直接连接的虚拟网节点个数，n的大小表征了S_node与之前已经映射成功的底层物理网络节点的距离，n越大表示距离越近，则后续的链路映射就越容易。在使用了加权剩余资源作为衡量标准以后，底层物理网节点剩余资源和链路映射的距离问题同时得到了考虑，显著降低了链路映射的复杂度，提升了底层物理网链路资源的利用率，提升了***的收入支出比。

(2)V_node排序机制

在单个虚网请求映射的过程中，现有的虚网节点映射方法并不进行V_node排序，因此虚网请求中不重要的虚网节点很可能被优先映射至资源最充裕的底层物理网络节点，则后面较为重要的虚网节点进行映射时，可能无法找到满足资源要求的底层物理网络节点，从而导致节点映射失败。因此本发明引入了V_node按照其剩余资源进行排序的机制，该机制在一定程度上保证了重要的V_node优先映射，从而提高了节点映射的整体成功率。

(3)V_hnk排序机制

在单个虚网请求映射的过程中，现有的虚网链路映射方法并不进行V_hnk排序，因此虚网请求中带宽较小虚网链路很可能被优先映射至资源最充裕的底层物理网络链路，则后面带宽较大的虚网链路进行映射时，可能无法找到满足带宽要求的底层物理网络链路，从而导致链路映射失败。因此本发明引入了V_hnk按照其带宽进行排序的机制，该机制在一定程度上保证了带宽较大的V_hnk优先映射，从而提高了链路映射的整体成功率。

附图说明

图1虚拟网络映射问题

图2时间窗模式下的虚网映射流程

图3虚网映射的具体流程

实施方式

本发明的具体操作流程的核心是时间窗，一个时间窗内进行一次虚拟网络映射，虚网映射在时间窗模式下的流程，如图2所示：

A.释放前一个时间窗内离开的虚网请求占用的底层物理网资源，上述虚网请求包括完成服务的请求和被主动拒绝的请求；虚网请求包含虚网节点请求和虚网链路请求两部分；

B.统计本时间窗内到达的虚网请求，虚网请求包括新到达的请求和重新排队的请求；

C.将步骤B中统计的虚网请求按照其收入(Revenue)从大到小进行排序，然后按顺序映射至底层物理网络，若其中任意一个虚网请求映射成功，即虚网节点和虚网链路同时映射成功，则更新底层物理网络的状态；若映射失败，则将该虚网请求送至等待队列，等待下个时间窗；预先设置虚网请求重新排队的次数，如映射失败的次数超过预设次数，则该请求不再送入等待队列，而是直接拒绝。

该虚网映射流程保证了虚网请求可以实时处理，并且虚网请求的准入机制可以通过调节参数进行控制(如推迟、拒绝虚网请求)。

虚网映射的核心步骤是将时间窗内的一组虚网请求映射至底层物理网络(步骤C)，这个映射过程可以用下面的流程描述，如图3所示

C1)首先进行节点映射，将虚网请求按照其收入从大到小进行排序；

C2)判断C1步骤排序后是否有虚网请求未进行节点映射，如果有未进行节点映射的虚网请求，执行步骤C3，如果没有未进行节点映射的虚网请求，执行步骤C9；

C3)选择C1步骤排序后收入最大的虚网请求，并将该虚网请求内的虚网节点(V_node)按照其剩余资源(Available Resource，AR)从大到小排序；

C4)判断C3步骤中选出的虚网请求中是否有虚网节点未映射，如果有未映射的虚网节点，执行步骤C5，如果没有未映射的虚网节点，执行步骤C2；

C5)选择C3步骤排序后剩余资源最大的虚网节点，在底层物理网中选择出这样的物理网节点(S_node)：其CPU资源大于上述虚网节点的CPU资源，将选出的物理网节点按照其加权剩余资源(WeightedAvailable Resource，WAR)从大到小排序；

C6)判断C5步骤排序后是否有物理网节点未被映射，如果有未被映射的物理网节点，执行步骤C7，如果没有未被映射的物理网节点，执行步骤C8；

C7)将C5步骤排序后加权剩余资源最大的物理网节点分配给C5步骤中选出的剩余资源最大的虚网节点，执行步骤C4；

C8)将C3步骤中选出的收入最大的虚网请求送至等待队列或拒绝请求，执行步骤C2；

C9)开始进行链路映射，将节点映射成功的虚网请求按收入从大到小进行排序；

C10)判断C9步骤排序后是否有虚网请求未进行链路映射，如果有未进行链路映射的虚网请求，执行步骤C11，如果没有未进行链路映射的虚网请求，映射算法结束；

C11)选择C9步骤排序后收入最大的虚网请求，并将该虚网请求内的虚网链路(V_hnk)按照其带宽从大到小排序；

C12)判断C11步骤中选出的虚网请求中是否有虚网链路未映射，如果有未映射的虚网链路，执行步骤C13，如果没有未映射的虚网链路，执行步骤C10；

C13)选择C11步骤排序后带宽最大的虚网链路，使用K最短路径(K-Shortest)算法依次寻找第1至K条最短路径，这些路径由一条或多条底层物理网链路(S_link)组成，K为大于1的整数，仅保留这K条路径中其中满足该虚网链路带宽的路径；

C14)判断C13步骤中保留的物理网路径是否未被映射，如果有未被映射的物理网路径，执行步骤C15；如果没有未被映射的物理网路径，执行步骤C16；

C15)将C13步骤中保留的物理网路径中的最短路径分配给C13步骤中选出的带宽最大的虚网链路，执行步骤C12；

C16)将C11步骤中选出的收入最大的虚网请求送至等待队列或拒绝请求，执行步骤C10。

Claims (5)

1.一种基于就近原则的虚拟网络映射方法，一个时间窗内进行一次虚拟网络映射的步骤包括：

A.释放前一个时间窗内离开的虚网请求占用的底层物理网资源，上述虚网请求包括完成服务的请求和被主动拒绝的请求；虚网请求包含虚网节点请求和虚网链路请求两部分；

B.统计本时间窗内到达的虚网请求，虚网请求包括新到达的请求和重新排队的请求；

C.将步骤B中统计的虚网请求按照其收入(Revenue)从大到小进行排序，然后按顺序映射至底层物理网络，若其中任意一个虚网请求映射成功，即虚网节点和虚网链路同时映射成功，则更新底层物理网络的状态；若映射失败，则将该虚网请求送至等待队列，等待下个时间窗；预先设置虚网请求重新排队的次数，如映射失败的次数超过预设次数，则该请求不再送入等待队列，而是直接拒绝。

2.如权利要求1所述的方法，上述步骤C包括：

C1)首先进行节点映射，将虚网请求按照其收入从大到小进行排序；

C2)判断C1步骤排序后是否有虚网请求未进行节点映射，如果有未进行节点映射的虚网请求，执行步骤C3，如果没有未进行节点映射的虚网请求，执行步骤C9；

C3)选择C1步骤排序后收入最大的虚网请求，并将该虚网请求内的虚网节点(V_node)按照其剩余资源(Available Resource，AR)从大到小排序；

C4)判断C3步骤中选出的虚网请求中是否有虚网节点未映射，如果有未映射的虚网节点，执行步骤C5，如果没有未映射的虚网节点，执行步骤C2；

C5)选择C3步骤排序后剩余资源最大的虚网节点，在底层物理网中选择出这样的物理网节点(S_node)：其CPU资源大于上述虚网节点的CPU资源，将选出的物理网节点按照其加权剩余资源(WeightedAvailable Resource，WAR)从大到小排序；

C6)判断C5步骤排序后是否有物理网节点未被映射，如果有未被映射的物理网节点，执行步骤C7，如果没有未被映射的物理网节点，执行步骤C8；

C7)将C5步骤排序后加权剩余资源最大的物理网节点分配给C5步骤中选出的剩余资源最大的虚网节点，执行步骤C4；

C8)将C3步骤中选出的收入最大的虚网请求送至等待队列或拒绝请求，执行步骤C2；

C9)开始进行链路映射，将节点映射成功的虚网请求按收入从大到小进行排序；

C10)判断C9步骤排序后是否有虚网请求未进行链路映射，如果有未进行链路映射的虚网请求，执行步骤C11，如果没有未进行链路映射的虚网请求，映射算法结束；

C11)选择C9步骤排序后收入最大的虚网请求，并将该虚网请求内的虚网链路(V_hnk)按照其带宽从大到小排序；

C12)判断C11步骤中选出的虚网请求中是否有虚网链路未映射，如果有未映射的虚网链路，执行步骤C13，如果没有未映射的虚网链路，执行步骤C10；

C13)选择C11步骤排序后带宽最大的虚网链路，使用K最短路径(K-Shortest)算法依次寻找第1至K条最短路径，这些路径由一条或多条底层物理网链路(S_link)组成，K为大于1的整数，仅保留这K条路径中其中满足该虚网链路带宽的路径；

C14)判断C13步骤中保留的物理网路径是否未被映射，如果有未被映射的物理网路径，执行步骤C15；如果没有未被映射的物理网路径，执行步骤C16；

C15)将C13步骤中保留的物理网路径中的最短路径分配给C13步骤中选出的带宽最大的虚网链路，执行步骤C12；

C16)将C11步骤中选出的收入最大的虚网请求送至等待队列或拒绝请求，执行步骤C10。

3.如权利要求2所述的方法，其中

收入是指虚网映射成功获得的利润，根据映射成功的虚网带宽和CPU定义：

Revenue＝α_R∑BW_R+β_R∑CPU_R

其中，BW_R是映射成功的虚网带宽，CPU_R是映射成功的虚网节点CPU资源，α_R和β_R是用于调节带宽和CPU的权重系数，下标R指Revenue(收入)。

4.如权利要求2所述的方法，其中

剩余资源是针对某底层物理网节点的剩余资源，根据剩余CPU资源和与该物理网节点连接的剩余链路带宽资源定义：

AR＝CPU_A∑BW_A

其中，BW_A是底层物理网节点的剩余CPU资源，CPU_A是与该底层物理网节点连接的底层物理网链路剩余的带宽资源，下标A指AR(Available Resource，剩余资源)。

5.如权利要求2所述的方法，其中，

加权剩余资源(Weighted Available Resource，WAR)定义为：

WAR＝Corrⁿ·CPU_A∑BW_A

其中，Corr是针对某底层物理网节点S_node的相关系数，随着Corr增加，就近原则的作用得到增强，Corr为大于1的实数。指数n表示当前虚网请求中已经映射成功并且映射的象节点与S_node有直接连接的虚拟网节点个数，n的大小表征了S_node与之前已经被成功映射的底层物理网络节点的距离。

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