CN103475504A - 基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，涉及通信技术领域。该方法对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合和任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化；当物理节点发生故障时，将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中；查找受到故障物理节点影响的虚拟链路集合，将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中。该方法在进行虚拟网络映射时，不需要为虚拟节点分配相应的备份物理节点，在物理节点发生故障时，只需要根据相应的算法，利用事先计算好的候选物理节点集合和候选物理路径集合完成虚拟网络的重映射。

Description

基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法。

背景技术

网络虚拟化是克服当前因特网僵化状况的一种新思路。通过网络虚拟化技术，多个虚拟网络可以共存于同一底层物理网络之上，为终端用户提供个性化的服务，有效地促进了网络创新的部署和应用。网络虚拟化将传统的网络服务提供商（Internet Service Provider，简称ISP）的设施与服务分离。由基础设施提供商（Infrastructure Provider，简称InP）负责管理和运营底层网络设施；由服务提供商（Service Provider，简称SP）租用InP的网络资源组装虚拟网络，提供个性化的端到端服务。

虚拟网络映射问题是网络虚拟化技术面临的一大难题，即当SP发来带有节点和链路约束的虚拟网络创建请求时，为其分配InP持有的底层网络资源。该问题是一个NP难(NP-hard)问题，早期关于虚拟网络映射的研究只是单纯地为该问题提供了启发式的解决方法，但这些方法中都没有考虑虚拟网络映射的生存性问题。虚拟网络映射的生存性，即在底层网络设施发生故障时，如何对受到故障影响的已映射虚拟网络进行恢复，也就是由底层物理节点故障引起的虚拟网络的重映射问题。现有的虚拟网络重映射方法的基本思想是：SP在收到一个虚拟网络创建请求时，对该请求进行一定的扩充。在原请求的基础上，增加一些虚拟节点和虚拟链路，为每个虚拟节点分配备份虚拟节点，为每条虚拟链路分配备份虚拟链路。在发生单一物理节点故障时，将受到影响的虚拟节点重映射到相对应的备份虚拟节点所在的备份用物理节点上，然后将相关的虚拟链路重映射到其备份虚拟链路所在的备份用物理路径上。

上述虚拟网络重映射方法只有当底层物理网络的剩余物理资源能够同时满足虚拟网络对工作用和备份用资源的需求时，才会对该虚拟网络创建请求进行映射；在发生故障时，直接将受影响的虚拟资源迁移到备份用的物理资源上，虽然故障恢复的速度较快，但存在备份用资源浪费、虚拟网请求接收率低、及通常需要求解复杂的混合线性规划等问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，使得在创建虚拟网络时，不必考虑为其进行复杂的备份，就能在物理网络中发生节点故障时对受故障影响的虚拟网络进行重映射。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，包括：

S1、对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合和任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化；

S2、当有虚拟网络创建的请求到达时，对其进行虚拟网络映射，并定期地向特定物理节点发送虚拟节点的镜像文件；当有虚拟网络生命周期结束时，回收为其分配的物理节点及物理链路资源；

S3、当物理节点发生故障时，获取受该物理节点影响的虚拟节点集合，将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中；

S4、查找受到故障物理节点影响的虚拟链路集合，获取受影响的虚拟链路集合中每一条虚拟链路两端的虚拟节点所在的物理节点，将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中。

优选的，步骤S1中所述对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合进行初始化包括：

对于每一个物理节点，其候选物理节点集合为满足下式的所有物理节点的集合：

$\mathrm{Cov}(G^S/x,r,h)\⊇(\mathrm{Cov}(G^S,x,h)-f(G^S,x,0))$

其中，x代表进行候选物理节点集合初始化的所述每一个物理节点，r代表x的候选物理节点，Cov（G^S，x，h）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合；f（G^S，x，0）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过0跳可以到达的所有物理节点的集合；Cov（G^S/x，r，h）代表在底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合;

并且，对于每一个物理节点，将其候选物理节点集合中所有候选物理节点按其与所述每一个物理节点的相似度由大到小进行排序。

优选的，所述候选物理节点集合采用WFS算法进行计算。

优选的，对于每一个物理节点，其候选物理节点和所述每一个物理节点间的相似度为：

$\mathrm{Sim}(x,r,h)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{h}J(f(G^S,x,i),f(G^S/x,r,i)),r\∈C(x,h)$

其中，C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点的集合，r为C（x，h）中的一个元素；f（G^S，x，i）为底层网络拓扑图G^S中从x出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；f（G^S/x，r，i）为底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；J（f（G^S，x，i），f（G^S/x，r，i））为集合f（G^S，x，i）和集合f（G^S/x，r，i）的Jaccard相似度；Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的连通性的相似程度。

优选的，步骤S1中所述任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化包括：

用K短路径算法计算候选物理路径集合。

优选的，步骤S2进一步包括：

映射过程中在每一个物理节点的剩余资源上预留一定比例的备份用资源，其余为工作用资源。

优选的，步骤S3中所述将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中包括：

根据InP的赔偿金额、故障物理节点与其候选物理节点的相似度建立0-1规划，求解规划得到受该故障物理节点影响的虚拟节点到该物理节点的候选物理节点集合的映射关系。

优选的，所述0-1规划的目标函数为：

$\min \{\mathrm{\α}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}S\left(\mathrm{gv}\right)(1-\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}})-\mathrm{\β}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\mathrm{Sim}(x,r,h)\}$

约束条件为：

$\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{cpu}\left(y\right)\×m_{\mathrm{yr}}\≤R\left(r\right),\∀r\∈C(x,h)$

$\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\≤1,\∀y\∈N_F$

m_yr＝0,y∈N_F,r∈C(x,h)-LC(y)

其中，N_F为受到故障物理节点x影响的虚拟节点集合，y为N_F中的一个元素；C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点集合；N_S为C（x，h）中满足受该故障物理节点影响的虚拟节点y位置约束的物理节点组成的集合，r为N_S中的一个元素；gv为受故障物理节点影响的虚拟节点y所在的虚拟网络；v为虚拟网络gv中不同于y的另一个虚拟节点，S（gv）为受影响的虚拟网络gv若发生了服务中断需要InP付出的经济赔偿，m_yr是虚拟节点到物理节点映射的指示器，当m_yr=1时表示虚拟节点y将映射到物理节点r上，当m_yr=0时表示虚拟节点y与物理节点r没有映射关系，Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的相似度，α和β为调节因子，α>>β；

cpu（y）为受故障物理节点影响的虚拟节点y的转发能力需求；R（r）为候选物理节点r上当前剩余的备份用的转发能力；LC（y）为满足虚拟节点y的地理位置约束的物理节点组成的集合；

为虚拟节点到物理节点映射的指示器，当

时表示虚拟节点v已经映射到物理节点r上，当

时表示虚拟节点v与物理节点r没有映射关系。

优选的，步骤S4中所述受到故障物理节点影响的虚拟链路集合包括：

两端虚拟节点中有一个映射在该故障物理节点上的虚拟链路；

或者，流经的物理路径使用了该故障物理节点作为中转节点的虚拟链路。

优选的，步骤S4中所述将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中包括：采用MCF算法进行映射。

（三）有益效果

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提出了一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，该方法在进行虚拟网络映射时，不需要为虚拟节点分配相应的备份用物理节点，在物理节点发生故障时，只需要先将受故障物理节点影响的虚拟节点集合重映射到候选物理节点集合中，然后将受故障物理节点影响的虚拟链路集合重映射到候选物理路径集合中，从而完成受该故障物理节点影响的虚拟网络的重映射。

本发明的实施例中，首先定义了物理节点在指定路由跳数内的覆盖集合的概念，通过主物理节点覆盖集合与其候选物理节点的覆盖集合间应满足的关系，借助WFS（Width First Search，广度优先搜索）算法来计算主物理节点的候选物理节点集合；其次定义了物理节点间的相似度的概念，并且在重映射时优先使用相似度值较大的候选物理节点，而不是如现有技术中，在进行规划计算时考虑所有的物理节点，从而降低了计算复杂度，节省了大量的在线计算时间和底层物理资源。

本发明的实施例中，进行故障恢复的过程中，采用0-1规划对受故障物理节点影响的虚拟节点进行重映射，0-1规划的目标函数综合考虑了InP的赔偿金额和物理节点的相似度，从而提高了底层物理网络的故障恢复成功率，降低了InP的赔偿损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法的流程图；

图2为本发明实施例中底层物理网络的一个示意图；

图3为本发明实施例中虚拟网络初始映射图；

图4为本发明实施例中虚拟网络的重映射图；

图5为本发明实施例与基本的主动备份策略就虚拟网络创建请求接受率的比较示意图;

图6为本发明实施例与基本的主动备份策略就长期运营的InP平均收益的比较示意图；

图7和图8为本发明实施例中节点相似度概念的有效性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

为了解决当底层物理网络中物理节点发生故障时虚拟网络的重映射问题，本发明实施例提出了一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，包括：

S1、对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合和任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化；

S2、当有虚拟网络创建的请求到达时，对其进行虚拟网络映射，并定期地向特定物理节点发送虚拟节点的镜像文件；当有虚拟网络生命周期结束时，回收为其分配的物理节点及物理链路资源；

S3、当物理节点发生故障时，获取受该物理节点影响的虚拟节点集合，将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中；

S4、查找受到故障物理节点影响的虚拟链路集合，获取受影响的虚拟链路集合中每一条虚拟链路两端的虚拟节点所在的物理节点，将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中。

本发明的上述实施例中，在进行虚拟网络映射时，不需要为虚拟节点分配相应的备份用物理节点，在物理节点发生故障时，只需要先将受故障物理节点影响的虚拟节点集合重映射到候选物理节点集合中，然后将受故障物理节点影响的虚拟链路集合重映射到候选物理路径集合中，从而完成受该故障物理节点影响的虚拟网络的重映射。

本发明的上述实施例中，对于每一个物理节点，其候选物理节点集合为满足下式的所有物理节点的集合：

$\mathrm{Cov}(G^S/x,r,h)\⊇(\mathrm{Cov}(G^S,x,h)-f(G^S,x,0))---\left(1\right)$

其中，x代表进行候选物理节点集合初始化的所述每一个物理节点，r代表x的候选物理节点，Cov（G^S，x，h）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合；f（G^S，x，0）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过0跳可以到达的所有物理节点的集合；Cov（G^S/x，r，h）代表在底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合。

并且，对于每一个物理节点，将其候选物理节点集合中所有候选物理节点按其与所述每一个物理节点的相似度由大到小进行排序。

本发明的上述实施例中，所述候选物理节点集合采用WFS算法进行计算。

本发明的上述实施例中，对于每一个物理节点，其候选物理节点和所述每一个物理节点间的相似度为：

$\mathrm{Sim}(x,r,h)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{h}J(f(G^S,x,i),f(G^S/x,r,i)),r\∈C(x,h)---\left(2\right)$

其中，C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点的集合，r为C（x，h）中的一个元素；f（G^S，x，i）为底层网络拓扑图G^S中从x出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；f（G^S/x，r，i）为底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；J（f（G^S，x，i），f（G^S/x，r，i））为集合f（G^S，x，i）和集合f（G^S/x，r，i）的Jaccard相似度；Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的连通性的相似程度。

本发明的上述实施例中，对任意两个物理节点间的候选物理路径集合采用K短路径算法进行初始化。

本发明的上述实施例中，为了能够进行故障恢复，在虚拟网络的映射过程中，在每一个物理节点的剩余资源上预留一定比例的备份用资源，其余为工作用资源。

本发明的上述实施例中，当底层物理网络的物理节点发生故障时，根据InP的赔偿金额、发生故障的物理节点与该物理节点的候选物理节点的相似度建立0-1规划，求解规划得到受该物理节点影响的虚拟节点到该物理节点的候选物理节点集合的映射关系。

本发明的上述实施例中，0-1规划的目标函数为：

$\min \{\mathrm{\α}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}S\left(\mathrm{gv}\right)(1-\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}})-\mathrm{\β}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\mathrm{Sim}(x,r,h)\}---\left(3\right)$

约束条件为：

$\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{cpu}\left(y\right)\×m_{\mathrm{yr}}\≤R\left(r\right),\∀r\∈C(x,h)---\left(4\right)$

$\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\≤1,\∀y\∈N_F---\left(5\right)$

m_yr＝0,y∈N_F,r∈C(x,h)-LC(y)             （7）

其中，N_F为受到故障物理节点x影响的虚拟节点集合，y为N_F中的一个元素；C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点集合；N_S为C（x，h）中满足受该故障物理节点影响的虚拟节点y位置约束的物理节点组成的集合，r为N_S中的一个元素；gv为受故障物理节点影响的虚拟节点y所在的虚拟网络；v为虚拟网络gv中不同于y的另一个虚拟节点，S（gv）为受影响的虚拟网络gv若发生了服务中断需要InP付出的经济赔偿，m_yr是虚拟节点到物理节点映射的指示器，当m_yr=1时表示虚拟节点y将映射到物理节点r上，当m_yr=0时表示虚拟节点y与物理节点r没有映射关系，Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的相似度，α和β为调节因子，α>>β；

cpu（y）为受故障物理节点影响的虚拟节点y的转发能力需求；R（r）为候选物理节点r上当前剩余的备份用的转发能力；LC（y）为满足虚拟节点y的地理位置约束的物理节点组成的集合；

为虚拟节点到物理节点映射的指示器，当

时表示虚拟节点v已经映射到物理节点r上，当时表示虚拟节点v与物理节点r没有映射关系。

本发明的上述实施例中，受到故障物理节点影响的虚拟链路集合包括：

两端虚拟节点中有一个映射在该故障物理节点上的虚拟链路；

或者，流经的物理路径使用了该故障物理节点作为中转节点的虚拟链路。

本发明的上述实施例中，采用MCF算法将受到故障物理节点影响的虚拟链路重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中。

下面采用一个具体的例子详细说明虚拟网络的重映射过程：

1、参见图2，假设底层物理网络中有9个物理网络节点A、B、C、D、E、F、G、H、I，那么采用（1）式对底层物理网络中的每一个物理节点的候选物理节点集合和任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化；

对每一个物理节点的候选物理节点集合进行初始化，也就是说，对于某一物理节点X，其候选物理节点必须在相同的路由跳数h内能够覆盖物理节点X所能覆盖的所有物理节点，该候选物理节点集合采用WFS算法进行计算。例如，当h=2时，物理节点A的候选物理节点集合为C(A,2)={B,D,H,E}；

然后，根据（2）式获取这4个候选物理节点与物理节点A之间的相似度，即Sim（A，B，2）=0.65，Sim（A，D，2）=0.6，Sim（A，H，2）=0.6，Sim（A，E，2）=0.167，将这4个候选物理节点按照相似度由大到小进行排序；

对任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化，也就是说，采用K短路径算法计算候选物理路径集合；

2、参见图3，若现有两个虚拟网络创建请求1和2到达，其中虚拟网络创建请求1请求创建由a、b、c三个虚拟节点和其间的虚拟链路ab,ac,bc组成的虚拟网络1，虚拟网络创建请求2请求创建由d、e两个虚拟节点和其间的虚拟链路de组成的虚拟网络2；其中，每个虚拟节点旁的数字代表该虚拟节点对转发能力的需求，每条虚拟链路旁的数字代表该虚拟链路对带宽能力的需求；底层物理网络中，物理节点A旁的数字30为其当前剩余的备份用转发能力，物理链路AG旁的数字20为其当前剩余的备份用带宽能力，图中其他数字依次类推，本实施例中假设备份用的资源占物理节点剩余资源的30%；当某一个虚拟网络生命周期结束时，回收为其分配的物理节点及物理链路资源；

3、参见图3，若物理节点A发生故障，受影响的虚拟节点包括：a和d；那么，故障恢复需要的转发能力为cpu(a)+cpu(d)=10+11=21；

下面将虚拟节点a和d重映射到物理节点A的候选物理节点集合中；

根据上述物理节点A的4个候选物理节点与A的相似度大小可知，使用候选物理节点的顺序Ｂ、D、H、E，也就是说，优先考虑物理节点B作为物理节点A的候选物理节点，其次是D、Ｈ、Ｅ；物理节点B上的剩余的备份用转发能力为39，可以满足需求，故节点重映射方案为将虚拟节点a和d都重映射到物理节点B上，参见图4；

4、参见图3，受影响的虚拟链路包括：a和b之间的虚拟链路、a和c之间的虚拟链路、d和e之间的虚拟链路；采用MCF算法进行这些链路的重映射，重映射结果参见图4。

在生成重映射方案时，若虚拟网络1的故障赔偿金额大于虚拟网络2，则在底层物理资源不能负担对所有受故障物理节点影响的虚拟网络的恢复时，应优先考虑对虚拟网络1进行恢复。

本发明的实例，利用GT-ITM软件生成底层物理网络拓扑和虚拟网络请求拓扑。其中，底层物理网络拓扑的规模为100个物理节点，物理节点间连接率为50%，所有物理节点随机分布在100*100的网格内，物理节点的转发能力和物理链路的带宽能力都服从50-100的均匀分布。虚拟网络请求拓扑中的虚拟节点数目服从3-10的均匀分布，虚拟节点间连接率为50%，虚拟节点请求的转发能力服从0-10的均匀分布，虚拟链路请求的带宽能力服从0-50的均匀分布。假设虚拟网络创建请求的到来服从每100单位时间内到达率为8的泊松分布，其生命周期服从相同参数的负指数分布；底层节点故障的发生服从每100单位时间内到达率为6的泊松分布。赔偿方式取两种，一种为赔偿金s₁=收益+c₁,另一种为赔偿金s₂=收益×c₂，其中c₁和c₂都是大于0的常数。

本发明的实例中采用INET工具产生不同节点数的网络拓扑，假设路由跳数为固定值3，实例中在不同的网络规模下，令本发明方法实施例与一种基本的主动备份策略进行比较（基本的主动备份策略：将每个物理资源上的剩余资源分为备份用和工作用两部分，其中两部分资源占比分别为a、b，满足a+b=1；备份用节点也必须满足相应虚拟节点的位置约束；只有当剩余物理资源能够同时满足某个虚拟网络对工作用和备份用物理资源的需求时，才会对该虚拟网络创建请求进行映射，在发生故障时，直接将受影响的虚拟资源迁移到备份用的物理资源上），从虚拟网络创建请求的接收率（如图5所示）、长期运营InP的平均收益两个方面进行了对比（如图6所示）；同时，对本方法实施例中提出的节点相似度的概念进行了评估，从长期运营的平均赔偿和平均收益两个方面测验了其有效性（如图7、图8所示）。

如图5所示：纵坐标为随时间推移虚拟网络创建请求的接收率，横坐标为工作用资源所占的比例a，三种应对底层物理节点故障的方法分别为：1.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）；2.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为乘上某个常数（s₂)；3.基本的主动备份策略。由图中曲线可以看出，方法1，2的虚拟网络创建请求的接收率明显优于方法3。

如图6所示：纵坐标为长期运营InP的平均收益，横坐标为工作用资源所占的比例a，三种应对底层物理节点故障的方法分别为：1.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）；2.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为乘上某个常数（s₂)；3.基本的主动备份策略。由图中曲线可以看出，方法1长期运营的InP平均收益明显优于方法3。方法2与方法3相比不具明显优势的原因在于方法2采用的赔偿方式中赔偿金额较大。从图中还可以看出不同赔偿方式下工作用资源比例a的阈值，例如，方法1在a=70%附近取得其最大平均收益，而对方法2来说，这一值则在在a=50%附近。

图7和图8体现了本方法中提出的相似度的有效性。

如图7所示：纵坐标为长期运营InP的平均赔偿，横坐标为工作用资源所占的比例a，图7体现了相似度对长期运营InP的平均赔偿的影响，这里只考虑两种方式：1.采用拓扑感知的重映射方法，考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）；2.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）。因为主动备份策略下InP不会遇到需要支付赔偿金的情况，故不与该策略进行比较。可以看出在其他条件相同的情况下，考虑相似度可以减少长期运营的InP平均赔偿。

如图8所示：纵坐标为长期运营InP的平均收益，横坐标为工作用资源所占的比例a，图8体现了相似度对长期运营InP的平均收益的影响，这里考虑两种方式：1.采用拓扑感知的重映射方法，考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）；2.采用拓扑感知的重映射方法，但不考虑相似度，赔偿方式为加上某个常数（s₁）。可以看出在其他条件相同的情况下，考虑相似度可以增加长期运营的InP平均收益。

综上，本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提出了一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，该方法在进行虚拟网络映射时，不需要为虚拟节点分配相应的备份用物理节点，在物理节点发生故障时，只需要先将受故障物理节点影响的虚拟节点集合重映射到候选物理节点集合中，然后将受故障物理节点影响的虚拟链路集合重映射到候选物理路径集合中，从而完成受该故障物理节点影响的虚拟网络的重映射。

本发明的实施例中，首先定义了物理节点在指定路由跳数内的覆盖集合的概念，通过主物理节点覆盖集合与其候选物理节点的覆盖集合间应满足的关系，借助WFS（Width First Search，广度优先搜索）算法来计算主物理节点的候选物理节点集合；其次定义了物理节点间的相似度的概念，并且在重映射时优先使用相似度值较大的候选物理节点，而不是如现有技术中，在进行规划计算时考虑所有的物理节点，从而降低了计算复杂度，节省了大量的在线计算时间和底层物理资源。

本发明的实施例中，进行故障恢复的过程中，采用0-1规划对受故障物理节点影响的虚拟节点进行重映射，0-1规划的目标函数综合考虑了InP的赔偿金额和物理节点的相似度，从而提高了底层物理网络的故障恢复成功率，降低了InP的赔偿损失。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合和任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化；

S2、当有虚拟网络创建的请求到达时，对其进行虚拟网络映射，并定期地向特定物理节点发送虚拟节点的镜像文件；当有虚拟网络生命周期结束时，回收为其分配的物理节点及物理链路资源；

S3、当物理节点发生故障时，获取受该物理节点影响的虚拟节点集合，将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中；

S4、查找受到故障物理节点影响的虚拟链路集合，获取受影响的虚拟链路集合中每一条虚拟链路两端的虚拟节点所在的物理节点，将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S1中所述对底层物理网络中每一个物理节点的候选物理节点集合进行初始化包括：

对于每一个物理节点，其候选物理节点集合为满足下式的所有物理节点的集合：

$\mathrm{Cov}(G^S/x,r,h)\⊇(\mathrm{Cov}(G^S,x,h)-f(G^S,x,0))$

其中，x代表进行候选物理节点集合初始化的所述每一个物理节点，r代表x的候选物理节点，Cov（G^S，x，h）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合；f（G^S，x，0）代表在底层网络拓扑图G^S中从x出发经过0跳可以到达的所有物理节点的集合；Cov（G^S/x，r，h）代表在底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过h跳可以覆盖的所有物理节点的集合;

并且，对于每一个物理节点，将其候选物理节点集合中所有候选物理节点按其与所述每一个物理节点的相似度由大到小进行排序。

3.根据权利要求2所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，所述候选物理节点集合采用WFS算法进行计算。

4.根据权利要求2所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，对于每一个物理节点，其候选物理节点和所述每一个物理节点间的相似度为：

$\mathrm{Sim}(x,r,h)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{h}J(f(G^S,x,i),f(G^S/x,r,i)),r\∈C(x,h)$

其中，C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点的集合，r为C（x，h）中的一个元素；f（G^S，x，i）为底层网络拓扑图G^S中从x出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；f（G^S/x，r，i）为底层网络拓扑图G^S中去掉x后，从r出发经过i跳可以到达的所有物理节点的集合；J（f（G^S，x，i），f（G^S/x，r，i））为集合f（G^S，x，i）和集合f（G^S/x，r，i）的Jaccard相似度；Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的连通性的相似程度。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S1中所述任意两个物理节点间的候选物理路径集合进行初始化包括：

用K短路径算法计算候选物理路径集合。

6.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

映射过程中在每一个物理节点的剩余资源上预留一定比例的备份用资源，其余为工作用资源。

7.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S3中所述将受影响的虚拟节点集合重映射到该物理节点的候选物理节点集合中包括：

根据InP的赔偿金额、故障物理节点与其候选物理节点的相似度建立0-1规划，求解规划得到受该故障物理节点影响的虚拟节点到该物理节点的候选物理节点集合的映射关系。

8.根据权利要求7所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，所述0-1规划的目标函数为：

$\min \{\mathrm{\α}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}S\left(\mathrm{gv}\right)(1-\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}})-\mathrm{\β}\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\mathrm{Sim}(x,r,h)\}$

约束条件为：

$\underset{y\∈N_F}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{cpu}\left(y\right)\×m_{\mathrm{yr}}\≤R\left(r\right),\∀r\∈C(x,h)$

$\underset{r\∈N_S}{\mathrm{\Σ}}{m}_{\mathrm{yr}}\≤1,\∀y\∈N_F$

m_yr＝0,y∈N_F,r∈C(x,h)-LC(y)

其中，N_F为受到故障物理节点x影响的虚拟节点集合，y为N_F中的一个元素；C（x，h）为物理节点x在h跳范围内的候选物理节点集合；N_S为C（x，h）中满足受该故障物理节点影响的虚拟节点y位置约束的物理节点组成的集合，r为N_S中的一个元素；gv为受故障物理节点影响的虚拟节点y所在的虚拟网络；v为虚拟网络gv中不同于y的另一个虚拟节点，S（gv）为受影响的虚拟网络gv若发生了服务中断需要InP付出的经济赔偿，m_yr是虚拟节点到物理节点映射的指示器，当m_yr=1时表示虚拟节点y将映射到物理节点r上，当m_yr=0时表示虚拟节点y与物理节点r没有映射关系，Sim（x，r，h）代表物理节点x与r在h跳内的相似度，α和β为调节因子，α>>β；

cpu（y）为受故障物理节点影响的虚拟节点y的转发能力需求；R（r）为候选物理节点r上当前剩余的备份用的转发能力；LC（y）为满足虚拟节点y的地理位置约束的物理节点组成的集合；

为虚拟节点到物理节点映射的指示器，当

时表示虚拟节点v已经映射到物理节点r上，当

时表示虚拟节点v与物理节点r没有映射关系。

9.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S4中所述受到故障物理节点影响的虚拟链路集合包括：

两端虚拟节点中有一个映射在该故障物理节点上的虚拟链路；

或者，流经的物理路径使用了该故障物理节点作为中转节点的虚拟链路。

10.根据权利要求1所述的基于拓扑感知的虚拟网络重映射方法，其特征在于，步骤S4中所述将受影响的虚拟链路集合重映射到相应物理节点对间的候选物理路径集合中包括：采用MCF算法进行映射。

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