CN112436991A - 一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，步骤为：构建网络模型和构建能耗模型，本发明通过建立新的网络模型和能耗模型，对企业级虚拟网络映射问题，先进行节点映射，在进行链路映射，采用两阶段的能耗感知的映射算法，针对企业级网络提出了能耗感知模型包括节点能耗和链路能耗，以这个能耗模型作为虚拟网络映射的目标函数，实现了较高的资源利用率，缩短了虚拟请求的映射时间，有效的降低了企业网中虚拟网络映射的能耗。通过对企业网的网络模型进行构建，构建新的能耗模型，优先把虚拟网络请求映射的到能耗最小的并且满足需求的物理网路上，降低了运行时间，明显降低了虚拟网络映射的能耗，有比较高的虚拟网络映射成功率。

Description

一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法

技术领域

本发明属于虚拟网络映射方法的技术领域，尤其涉及一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法。

背景技术

互联网经过长时间的发展，对人们的生活带来了极大的便利，最近几年互联网更是以极大的速度发展，现在互联网上运行了很多的应用和很多的网络技术，网络规模的增加直接导致能耗的增加。

网络规模的增加也会导致网络僵化的产生，所以为了解决互联网僵化问题的产生和网络能耗的增加，出现网络虚拟化技术，主要就是把服务提供商和基础设施提供商分开，主要是把不同的虚拟网络共存在同一物理网络上，从而实现对不同服务提供商的特殊要求，网络虚拟化中主要就是虚拟网络映射问题，能够实现多样化的网络的要求。

网络虚拟化的主要就是虚拟网络拓扑，包括服务提供商的不同的虚拟节点和虚拟链路，通过基础设施提供商向不同的服务提供商提供不同的网络拓扑，这样就可以做到服务提供商和基础设施提供商的解耦，不同的虚拟网络之间相互独立。

为了解决网络虚拟化中对于虚拟网络高效的分配和控制底层物理网络，虚拟网络映射技术就产生了，虚拟网络映射技术作为核心问题就是为了把带有节点约束和链路约束的虚拟网络请求映射到物理网络上，虚拟网路映射问题是一个NP-Hard问题，如何高效率的把带有约束的虚拟网路请求映射在物理网络上是一个主要问题，目前很多算法都是以降低虚拟网络映射的成本为目标，主要是为了提高底层网络映射收益，很少有研究在考虑虚拟网络映射问题中能耗问题。能耗问题已经成为了一个不可忽视的问题，现有的节能虚拟网络映射方法都是为了降低能耗提高运营商收益。

但是能耗开销已经占用数据中心30％到40％的能耗总开销，占企业运营开销的50％到60％，因此，企业为了降低运行费用就要优化虚拟网络映射过程中的能源消耗。在现有的虚拟网络映射方法上，针对企业网的特点，提出了一种基于企业网的能耗感知虚拟网络映射方法。

大部分节能的虚拟网络映射方法都是把底层网络的所有节点设为同一功耗，然后主要的节能技术就是通过关闭不工作的节点来实现节能的目标。这些节能算法虽然可以很好的在互联网环境中应用，但是在企业网中，由于在底层物理网路中不存在不工作节点，因此能耗优化问题不是最小化工作节点的数量，所以目前提出的大部分节能的虚拟网络映射方法不能很好的应用在企业网的能耗管理中。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，通过对企业底层物理网络的能耗优化虚拟网络映射问题进行研究，建立物理网路节点和链路的能耗模型，把最小化能耗为目标，构造虚拟网络映射问题的数学优化模型然后设计能耗感知的虚拟网络映射虚拟网络映射方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，针对企业级虚拟网络映射的特征，重新构建了网络模型和能耗模型，如下所示：

构建网络模型

利用图论知识对网络拓扑进行构建，将物理网络拓扑图定义为加权无向图G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s和L_s分别表示底层物理网络的节点和链路；用加权无向图G_v＝(N_v,L_v)表示虚拟网络拓扑图。其中N_v和L_v表示虚拟节点和虚拟链路。对于虚拟节点n_v∈N_v，cpu(n_v)表示请求的从cpu资源，loc(n_v)表示位置需求，Distance(n_v)表示虚拟节点映射到物理节点的位置需求，对于虚拟链路l_v其有带宽需求bw(l_v)，每次到来一个虚拟网络请求(virtualnetwork request)，都包括请求到达时间和离开时间，那么虚拟网络请求VNR可以表示为VNR(G_v,T_a,T_b)，其中T_a表示虚拟网络请求的到达时间，T_b表示虚拟网络请求的存在时间。

2)构建能耗模型：

虚拟网络映射中主要包括节点能耗和链路能耗两个部分。

企业网络中的能耗包括节点能耗和链路能耗，因为企业网络中计算机节点需要满足企业日常办公使用以及对于数据分析的任务，我们主要针对后者进行能耗优化。在服务器总的能耗中，现在的好多研究都说明在服务器节点能耗中与CPU占用率成正比关系，反而服务器中其他的内存功耗较小。因此物理网络节点能耗模型为：

节点处于激活状态；

其中

P_b ^m表示服务器节点的基础能耗，

表示CPU满利用率时的功耗，

表示CPU利用率最小时的功耗，CPU表示当前节点在满足日常工作需要时CPU利用率。avl(n_m)表示当前节点m的CPU利用率。PS_m为1表示节点m处于激活状态。

PN_m＝0，其他；

用

代表物理节点m和虚拟节点i的映射关系，如果虚拟节点i映射到了物理节点m上就令

否则就令

所以虚拟网络请求映射到物理网路的节点能耗为

S(t)是虚拟网络映射期间被映射的虚拟节点的数目，avl_i(t)是虚拟请求i点在虚拟网络映射期间的cpu利用率。

物理链路能耗模型，在映射虚拟链路l_ij时，通常是把这条链路映射到一条底层的物理路径上边，在这条路径上两端的N_s ^m和Nsⁿ作为宿主节点满足虚拟网路的节点需求，发送和接收数据包，在这条物理路径上其他的节点就叫做转发节点，据研究表明这些转发节点的功耗为定值，在本发明中设置这些能耗为常量

所以映射虚拟链路的能耗为：

其中PL_m∈{0,1}表示物理节点m是否为转发节点，如果是转发节点则PL_m＝1，否则PL_m＝0，其中

本发明的目的是最小化虚拟网路映射总能耗，对企业级能耗感知的虚拟网路映射问题进行整数线性规划，具体如下，存在正整数Q使总能耗不大于Q：

E_l+E_n≤Q

服从如下约束：

表示节点CPU资源约束；

表示满足链路带宽的约束；

表示虚拟节点的位置限制；

表示连通性约束，保证了流入一个结点的流量与流出此节点的流量相等。

保证了来自同一个虚拟网路请求的虚拟节点只能映射到不同的物理节点上并且指定一个虚拟节点只能对应一个物理节点。

表示二进制变量的取值范围只能是0和1。

当

为1时，说明虚拟节点u成功映射到物理节点j上，如果

为0说明映射失败；还有当

为1时说明虚拟链路l_ij成功映射到物理链路l_mn上，当

为0时说明映射失败。

进一步的，节点映射具体过程如下：

11)、对于每个虚拟网络请求n_v∈G_v，计算每个虚拟节点的资源需求NR(n_v)；

12)、把虚拟节点的NR值从大到小排序，把排序结果存入集合R中；

13)、对于物理节点先选择满足虚拟网络请求约束的节点构造候选节点集合M；

14)、在候节点集合中的蓄力节点通过计算NR(n_s)进行从大到小排序；

15)、把NR(n_v)值大的虚节点优先映射到NR(n_s)值大的物理节点上；

16)、映射成功后计算C_cpu(n_S)＝C_cpu(n_v)-C_cpu(n_S)；

17)、返回步骤11)，把每个虚拟节点一一映射到物理节点上，再把候选节点集合M中被成功映射的物理节点删除，映射成功的物理节点存入到节点映射链表Nodelist中。

进一步的，虚拟节点映射成功后，进行虚拟链路映射：

21)、将虚拟链路l_ij∈L_v按带宽需求从大到小排序；

22)、通过获取节点映射阶段的映射链表NodeList找到每一个被映射的物理节点

和

然后采用k最短路径算法计算每一条被映射的物理节点之间的链路l_mn，放入集合L中；

23)、对与最短路径集合L中的每一条路径l，根据上述E_l计算链路能耗；

24)、把集合中的链路根据链路能耗从小到大排序，优先把虚拟链路l_ij映射到能耗最小的最短路径上；

25)、映射成功后计算物理链路的剩余带宽资源BW(l_S)＝BW(l_s)-BW(l_V)；

26)、返回步骤22)把虚拟网络请求的虚拟链路一一映射到物理网路的物理路径上，把成功映射的物理链路存到链表LinkList中。

由上，本发明对于企业网的特性，以收益为目标的虚拟网络映射在企业级网络上不适用，在企业网中的虚拟网络映射阶段，对传统的能耗模型重新定义，相对比传统的虚拟网络映射机制，企业级网络中有一些不同之处，计算机节点只能提供有限数量的资源，虚拟网络请求是动态到达的，虚拟网络请求需要映射到指定的候选节点从而获得更高的服务质量，数据中心不会产生收益，对传统的能耗模型重新定义使它适用于企业网环境下的能耗特征。保证能耗最小的情况下进行虚拟网络映射，在保证虚拟网络映射率的情况下降低虚拟网络映射能耗。通过建立新的网络模型和能耗模型，对企业级虚拟网络映射问题，先进行节点映射，在进行链路映射，采用两阶段的能耗感知的映射算法，针对企业级网络提出了能耗感知模型包括节点能耗和链路能耗，以这个能耗模型作为虚拟网络映射的目标函数，实现了较高的资源利用率，缩短了虚拟请求的映射时间，有效的降低了企业网中虚拟网络映射的能耗。

另外，本发明的基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法通过对企业网的网络模型进行构建，构建新的能耗模型，优先把虚拟网络请求映射的到能耗最小的并且满足需求的物理网路上，降低了运行时间，明显降低了虚拟网络映射的能耗，有比较高的虚拟网络映射成功率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的网络模型图，上边为虚拟网络请求，下边为底层物理网络；

图2为本发明的能耗感知的节点映射图；

图3为本发明能耗感知链路映射图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

在企业网中，针对企业不同于其他的网络，在企业网中服务器节点只能提供有限数量的物理资源，虚拟网络请求是动态到达的，本发明的能耗感知的虚拟网络映射方法是把虚拟请求映射到指定的候选物理节点从而获得较高的服务质量。因此在虚拟网络映射过程在必须考虑到服务质量情况下满足最小化能耗需求，针对企业网的特征，重新定义了基于企业网的能耗模型和虚拟网络映射方法。

虚拟网络映射阶段包括两个阶段的映射，满足虚拟网络需求约束，根据发明内容的目标函数设计了一个两阶段的虚拟网络映射方法，其中包括节点映射和链路映射。

一.网络映射模型

如图1用加权无向图G_S和G_v表示物理网路和虚拟网络，物理网路拓扑定义为G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s代表底层物理节点集合，L_s代表底层物理链路集合，节点属性包括CPU(n_s)是CPU计算资源，链路属性包括带宽资源BW(l_s)。虚拟网络拓扑定义为G_v＝(N_v,L_v)。

其中N_v代表底层物理节点集合，L_v代表底层物理链路集合，节点属性包括CPU(n_v)是虚拟节点CPU资源需求，链路带宽需求为BW(l_v)。

二.节点映射过程如图2，具体步骤如下：

在节点映射阶段优先映射对资源要求高的虚拟节点，因此将节点的资源能力定义为

其中

表示虚拟节点与周围节点的拓扑关系，α和β为权重系数。

删除不满足虚拟网络需求约束的物理节点，对物理节点进行排序优先映射到资源多的物理节点上能够提高虚拟网络的映射几率，排序方式为

其中H(n_s)＝res(BW_l)表示剩余的带宽资源，这种对物理节点排序的方法可以实现资源利用的最大化，其中

为虚拟网络映射到物理网络时的新增功耗，其中λ→0防止分母为0，优先选择NR(n_s)值大的作为候选物理节点，能够有效的节省能耗。

根据图2和上述的排序方式节点映射具体过程如下。

1、对于每个虚拟网络请求n_v∈G_v，计算每个虚拟节点的资源需求NR(n_v)为：

2、把虚拟节点的NR值从大到小排序，把排序结果存入集合R中。

3、对于物理节点先选择满足虚拟网络请求约束的节点构造候选节点集合M。

4、在候节点集合中的物理节点通过计算NR(n_s)进行从大到小排序。

5、把NR(n_v)值大的虚节点优先映射到NR(n_s)值大的物理节点上。

6、映射成功后计算C_cpu(n_S)＝C_cpu(n_v)-C_cpu(n_S)。

7、返回步骤1，把每个虚拟节点一一映射到物理节点上，再把候选节点集合M中被成功映射的物理节点删除，映射成功的物理节点存入到节点映射链表NodeList中。

二.链路映射阶段参考图3过程如下：

因为在企业网中进行虚拟网络映射不用考虑链路的延迟需求只需要考虑带宽需求，所以把虚拟链路请求按带宽需求排序，把对带宽需求高的虚拟节点进行优先排序，进行优先映射。虚拟链路l_ij∈L_v，采用k最短路径算法计算物理节点

和

之间的最短路径集合N。

1、将虚拟链路l_ij∈L_v按带宽需求从大到小排序。

2、通过获取节点映射阶段的映射链表NodeList找到每一个被映射的物理节点

和

然后采用k最短路径算法计算每一条被映射的物理节点之间的链路l_mn，放入集合L中。

3、对与最短路径集合L中的每一条路径l，根据上述E_l计算链路能耗。

4、把集合中的链路根据链路能耗从小到大排序，优先把虚拟链路l_ij映射到能耗最小的最短路径上。

5、映射成功后计算物理链路的剩余带宽资源BW(l_S)＝BW(l_s)-BW(l_V)。

6、返回步骤2把虚拟网络请求的虚拟链路一一映射到物理网路的物理路径上，把成功映射的物理链路存到链表LinkList中。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建网络模型：利用图论知识对网络拓扑进行构建，将物理网络拓扑图定义为加权无向图G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s和L_s分别表示底层物理网络的节点和链路；用加权无向图G_v＝(N_v,L_v)表示虚拟网络拓扑图，其中N_v和L_v表示虚拟节点和虚拟链路；

S2、构建能耗模型：企业网络中的能耗包括节点能耗和链路能耗，节点能耗模型为：

节点处于激活状态；

PN_m＝0，其他；

其中

P_b ^m表示服务器节点的基础能耗，

表示CPU满利用率时的功耗，

表示CPU利用率最小时的功耗，CPU表示当前节点在满足日常工作需要时CPU利用率；avl(n_m)表示当前节点m的CPU利用率，映射虚拟链路的能耗为

其中PL_m∈{0,1}表示物理节点m是否为转发节点，如果是转发节点则PL_m＝1，否则PL_m＝0，其中

2.如权利要求1所述的基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，对企业级能耗感知的虚拟网路映射问题进行整数线性规划，具体如下，存在正整数使总能耗不大于Q：

E_l+E_n≤Q

服从如下约束：

表示节点CPU资源约束；

表示满足链路带宽的约束；

表示虚拟节点的位置限制；

表示连通性约束，保证了流入一个结点的流量与流出此节点的流量相等。

3.如权利要求2所述的基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，当

为1时，说明虚拟节点u成功映射到物理节点j上，如果

为0说明映射失败；当

为1时说明虚拟链路l_ij成功映射到物理链路l_mn上，当

为0时说明映射失败。

4.如权利要求3所述的基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，节点映射具体过程如下：

11)、对于每个虚拟网络请求n_v∈G_v，计算每个虚拟节点的资源需求NR(n_v)；

12)、把虚拟节点的NR值从大到小排序，把排序结果存入集合R中；

13)、对于物理节点先选择满足虚拟网络请求约束的节点构造候选节点集合M；

14)、在候节点集合中的蓄力节点通过计算NR(n_s)进行从大到小排序；

15)、把NR(n_v)值大的虚节点优先映射到NR(n_s)值大的物理节点上；

16)、映射成功后计算C_cpu(n_S)＝C_cpu(n_v)-C_cpu(n_S)；

17)、返回步骤11)，把每个虚拟节点一一映射到物理节点上，再把候选节点集合M中被成功映射的物理节点删除，映射成功的物理节点存入到节点映射链表Nodelist中。

5.如权利要求4所述的基于企业网的能耗感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，虚拟节点映射成功后，进行虚拟链路映射：

21)、将虚拟链路l_ij∈L_v按带宽需求从大到小排序；

22)、通过获取节点映射阶段的映射链表NodeList找到每一个被映射的物理节点

和

然后采用k最短路径算法计算每一条被映射的物理节点之间的链路l_mn，放入集合L中；

23)、对与最短路径集合L中的每一条路径l，根据上述E_l计算链路能耗；

24)、把集合中的链路根据链路能耗从小到大排序，优先把虚拟链路l_ij映射到能耗最小的最短路径上；

25)、映射成功后计算物理链路的剩余带宽资源BW(l_S)＝BW(l_s)-BW(l_V)；

26)、返回步骤22)把虚拟网络请求的虚拟链路一一映射到物理网路的物理路径上，把成功映射的物理链路存到链表LinkList中。

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