CN103763174A - 一种基于功能块的虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功能块的虚拟网络映射方法。包括：虚拟网络请求中虚拟节点按CPU需求值升序排列；选择未映射的CPU需求值最小的虚拟节点，在底层物理网络中寻找满足虚拟节点CPU需求和位置要求的备选物理节点集合；如果存在备选物理节点已经租用本虚拟节点所需要的逻辑功能块，则选择逻辑功能块共享收益最大的物理节点作为映射节点；否则，在备选物理节点中选择CPU最丰富的物理节点进行映射。本发明在虚拟网络映射过程中引入了逻辑功能块的概念，考虑了虚拟处理资源的分配。本发明提供的逻辑功能块资源共享的方案，在映射过程中节省了映射开销。

Description

一种基于功能块的虚拟网络映射方法

技术领域

本发明涉及SDN（Software Defined Network，软件定义网络）网络虚拟化领域，具体涉及一种基于功能块的虚拟网络映射方法。

背景技术

网络虚拟化是在一个物理网络上独立运营多个VN（Virtual Network，虚拟网络），这使得每个用户如同独享物理网络一样。它是通过抽象、分配及隔离机制等手段，以有选择性地进行资源的调度为用户提供服务，实现物理网络资源利用率的最大化。网络虚拟化是构建新一代互联网体系架构的重要技术，也是SDN研究的核心技术之一。SDN网络虚拟化主要支持SDN的如下两个特征：网络中应用层、控制层和转发层三层分离及新业务和多业务的全网、全局、动态、灵活部署。网络虚拟化研究包括两部分内容：多虚一（即异构底层资源和上层业务的统一抽象和建模）和一虚多（即在单个底层资源上实现多个业务映射和部署）。

SDN网络抽象和建模（即“多虚一”）涉及到两个问题，其一是SDN网络需要对各种不同来源、不同功能差异、不同内容和表达方式的网络节点资源和业务进行形式化抽象，对外提供统一规范的接口。其二是对不同颗粒度的抽象网络对象如何进行上下匹配计算，具体说就是，下层网络对象如何组合成上层网络对象，以及不同的上层网络对象如何基于相同的下层网络对象重构而成。

SDN网络映射和部署（即“一虚多”）同样涉及到两个问题，一是理论上的部署，即虚拟网络的映射，在理论上研究各类资源（比如CPU能力、带宽、内存等）能否支撑上层业务要求。这是SDN网络虚拟化中研究最充分的方向。二是具体的部署，在研究具体设备（比如网络处理器、FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑阵列））物理特性的基础上，研究如何对单一的物理资源进行分区、隔离，分配给不同的业务使用，使每个客户看到都是独占的资源，以及研究如何支撑不同层次网络对象的实现。

本发明集中在虚拟网络映射问题上。当前研究者提出了多种虚拟网络映射算法，根据研究方向方法的不同分为以下几类。

（1）虚拟网络请求到来的时候，根据其分配底部资源的方式，将虚拟网络映射分为动态映射和静态映射。静态映射算法是指静态地为虚拟网络分配固定比例的底部网络资源。动态映射算法是指根据虚拟网络的需求动态地为其分配底部物理网络资源。动态重配置算法也是其特殊的一种，是指在虚拟网络请求不改变的情况下，根据某种性能指标动态地调整映射方案为其重新分配底部资源，使得物理网络可以接受更多的虚拟网络请求，。

（2）根据虚拟网络请求处理方式的不同，虚拟网络映射可分为离线映射和在线映射。离线映射是指全部虚拟网络请求在被映射之前，它们的信息都是已知的。在线映射算法，是指一个虚拟网络请求在被映射之前，其下一个虚拟网络请求的信息、到达时间、持续时间等都是未知的。

（3）虚拟网络请求是有资源约束的，例如节点有CPU约束、地理位置约束等，虚拟链路有带宽约束、时延约束等。根据是否考虑资源约束将虚拟网络映射分为有资源约束映射和无资源约束映射。有资源约束映射是指在映射过程中考虑了虚拟节点和虚拟链路的资源约束。无资源约束映射是指在映射过程中没有考虑虚拟节点和虚拟链路的资源约束。

（4）按照虚拟网络映射计算方式的不同，虚拟网络映射可以分为集中式映射和分布式映射。集中式的虚拟网络映射是指中心决策者映射代理在虚拟网络请求映射之前，根据底部资源的实际应用情况合理地为其分配资源。分布式映射是指虚拟网络映射过程没有一个中心决策者，映射的实现一般需要底部节点的协同。

（5）虚拟网络映射一般有节点映射和链路映射两部分，根据节点映射和链路映射是否放在一个阶段完成可将虚拟网络映射分为一阶段映射和二阶段映射。二阶段映射是指在虚拟网络映射时，先进行虚拟节点的映射，在所有节点映射完成后再进行虚拟链路映射。一阶段映射算法是指虚拟节点和虚拟链路的映射同时进行

目前的虚拟网络映射研究是根据用户的业务需求，仅考虑抽象的资源诸如CPU、带宽、空间等，而并未涉及逻辑处理资源。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于功能块的虚拟网络映射方法。本发明以IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组） ForCES（Forwarding and Control Element Separation, 转发与控制分离）工作组提出的虚拟处理资源类型——LFB（Logical Functional Block，逻辑功能块）为例，在虚拟网络映射中引入虚拟处理资源的分配，本发明的工作可推广到其他类型的虚拟处理资源（如OpenFlow中的流表）。ForCES中的LFB对计算机底层资源进行抽象以实现特定的功能，这样就可以对上层服务屏蔽底层的实现细节，使上层服务可以通过直接调用模块化的功能块来满足各种服务需求。我们结合IETF ForCES工作组的研究，在原有的虚拟网络映射模型基础上引入了LFB的概念，虚拟网络中的LFB是由物理网络中的逻辑功能块支撑的，LFB不同于CPU与带宽，不同种类的LFB实现不同的功能，且虚拟网络中的LFB的映射不是简单的物理网络中逻辑功能块的资源分配，若映射到某一物理节点上的虚拟节点的LFB需求与此物理节点已经租用的逻辑功能块有相同的，那么在使用时间交叉的时间段内，虚拟节点可以直接使用此物理节点上已经租用的逻辑功能块，无需再次租用。

一种基于功能块的虚拟网络映射方法，虚拟网络映射有CPU、逻辑功能块和带宽的约束，该方法包括以下步骤：

1）将一个虚拟网络请求中的多个虚拟节点按CPU需求值的大小进行升序排列；

2）选择未映射的CPU需求值最小的虚拟节点，在底层物理网络中寻找满足虚拟节点CPU需求和位置要求的备选物理节点集合；

3）如果存在备选物理节点已经租用本虚拟节点所需要的逻辑功能块，则选择逻辑功能块共享收益最大的物理节点作为映射节点；

4）否则，在备选物理节点中选择CPU最丰富的物理节点进行映射；

5）按照步骤2）-步骤4），对各虚拟节点逐个进行节点和功能块映射；

6）节点映射和逻辑功能块映射成功后，采用K短路径方法进行虚拟链路映射，完成整个虚拟网络请求映射。

步骤3）所述的逻辑功能块共享收益，计算方法如下：虚拟节点中需要的且备选物理节点已经租用的逻辑功能块集合为（F1，F2，……，Fn）（n为正整数），则虚拟节点与此备选物理节点的共享收益为，虚拟节点与此备选物理节点共同使用Fi的时间段与Fi单位时间的租用费用乘积的累加和，i从1到n。

本发明的有益效果：1）在虚拟网络映射过程中考虑了虚拟处理资源（如逻辑功能块）的分配；2）采用逻辑功能块共享的思想进行功能块映射，节省了映射开销。

附图说明

图1 是虚拟网络请求示例图；

图2 是包含功能块的虚拟网络映射示例图；

图3 是基于功能块共享的虚拟网络映射示例图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种基于功能块的虚拟网络映射方法，虚拟网络映射有CPU、逻辑功能块和带宽的约束，该方法包括以下步骤：

1）将一个虚拟网络请求中的多个虚拟节点按CPU需求值的大小进行升序排列；

2）选择未映射的CPU需求值最小的虚拟节点，在底层物理网络中寻找满足虚拟节点CPU需求和位置要求的备选物理节点集合；

3）如果存在备选物理节点已经租用本虚拟节点所需要的逻辑功能块，则选择逻辑功能块共享收益最大的物理节点作为映射节点；

4）否则，在备选物理节点中选择CPU最丰富的物理节点进行映射；

5）按照步骤2）-步骤4），对各虚拟节点逐个进行节点和功能块映射；

6）节点映射和逻辑功能块映射成功后，采用K短路径方法进行虚拟链路映射，完成整个虚拟网络请求映射。

步骤3）所叙述的共享收益，计算方法如下：虚拟节点中需要的且备选物理节点已经租用的逻辑功能块集合为（F1，F2，……，Fn）（n为正整数），则虚拟节点与此备选物理节点的共享收益为，虚拟节点与此备选物理节点共同使用Fi的时间段与Fi单位时间的租用费用乘积的累加和，i从1到n。

实施例

下面以视频会议业务为例，对基于功能块的虚拟网络映射方法过程进行说明。如用户提出的视频会议需要的图像分辨率是640*480，每秒25帧，延时小于1秒等业务需求，管理平台把业务需求告知控制器。控制器将该业务需求转化成对服务网络的性能需求，如满足上述业务需要一个IPv4的2M带宽的延时低于0.2ms的虚拟服务网。同时控制器完成该服务需求到相关逻辑功能块的映射，如需要配置资源预留逻辑功能块，带宽预留2M，配置分类/调度逻辑功能块，保证该数据转发优先级最高。这样就得到一个虚拟的能满足该业务的网络。虚拟网络映射是研究如何将多个虚拟网络映射到一个物理网络中。基于功能块的虚拟网络映射方法具体过程如下所述。

如图1所示，有两个虚拟网络请求，虚拟网络请求1开始运行的时刻早于虚拟网络请求2，且虚拟网络请求1与虚拟网络请求2运行时间有交叉。在虚拟网络请求1中，虚拟节点a对CPU的需求为7，对逻辑功能块的需求为F1、F33、F49；虚拟节点b对CPU的需求为8，对逻辑功能块的需求为F7、F8、F23、F39；虚拟节点c对CPU的需求为6，对逻辑功能块的需求为F0、F9、F48；虚拟链路(a,b)、(b,c)、(c,a)对带宽的需求分别为10、20、15。在虚拟网络请求2中，虚拟节点d对CPU的需求为6，对逻辑功能块的需求为F2、F9、F36；节点e对CPU的需求为7，对逻辑功能块的需求为F8、F29、F49；虚拟链路(d,e)对带宽的需求为10。图2给出了一种映射方案，虚拟节点a、b、c分别映射到物理节点C、B、A，虚拟链路(a,b)、(b,c)、(c,a)分别映射到物理链路(C,B)、(B,A)、(A,C)，且节点C、B、A满足虚拟节点a、b、c对CPU和逻辑功能块的需求。虚拟网络请求2的映射过程与虚拟网络请求1类似。

图1中虚拟网络请求1中节点c与虚拟网络请求2中节点d都对功能块F9有需求，虚拟网络请求1中节点a与虚拟网络请求2中节点e都对功能块F49有需求，在图2的映射方案中，在虚拟网络请求1与虚拟网络请求2运行时间交叉的时间段内，物理节点A、E均租用F9，物理节点C、D均租用F49。物理网络中物理节点A、C也分别满足虚拟网络请求2中节点d、e对CPU和逻辑功能块的需求，物理链路（A，C）剩余可用带宽满足虚拟链路（d，e）对带宽的需求，基于逻辑功能块共享的思想，虚拟节点d、e可以映射到节点A、C上，在虚拟网络请求1和虚拟网络请求2运行时间的交叉时间段，直接使用物理节点A、C已经租用的功能块F9、F49，如图3所示，这节省了在虚拟网络请求1和虚拟网络请求2运行时间的交叉时间段内再次租用逻辑功能块F9、F49的费用。

Claims (2)

1.一种基于功能块的虚拟网络映射方法，其特征在于，虚拟网络映射有CPU、逻辑功能块和带宽的约束，该方法包括以下步骤：

1-1）将一个虚拟网络请求中的多个虚拟节点按CPU需求值的大小进行升序排列；

1-2）选择未映射的CPU需求值最小的虚拟节点，在底层物理网络中寻找满足虚拟节点CPU需求和位置要求的备选物理节点集合；

1-3）如果存在备选物理节点已经租用本虚拟节点所需要的逻辑功能块，则选择逻辑功能块共享收益最大的物理节点作为映射节点；

1-4）否则，在备选物理节点中选择CPU最丰富的物理节点进行映射；

1-5）按照步骤1-2）-步骤1-4），对各虚拟节点逐个进行节点和功能块映射；

1-6）节点映射和逻辑功能块映射成功后，采用K短路径方法进行虚拟链路映射，完成整个虚拟网络请求映射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1-3）所叙述的逻辑功能块共享收益，计算方法如下：

2-1）虚拟节点中需要的且备选物理节点已经租用的逻辑功能块集合为（F1，F2，……，Fn），n为正整数，则虚拟节点与此备选物理节点的逻辑功能块共享收益为，虚拟节点与此备选物理节点共同使用Fi的时间段与Fi单位时间的租用费用乘积的累加和，i从1到n。

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