CN104038400B - 一种跨数据中心的虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法，虚拟网络在保证生存能力需求和可靠性条件下，先通过虚拟节点分组算法VNGP将虚拟网络中的虚拟节点进行分组，并基于当前分组寻找不同分组间的所有节点对集合，确定出最终分组，再通过GVNM子算法将分组后的虚拟网络映射到底层数据中心网络上。在保证生存能力需求下将虚拟节点映射到同一数据中心，从而节约了通信资源，还采用数据中心内部的可靠性增强方法，从而保证了虚拟网络的可靠性，同时具有高效性。

Description

一种跨数据中心的虚拟网络映射方法

技术领域

本发明属于互联网通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种跨数据中心的虚拟网络映射方法。

背景技术

当前，互联网在获取并交换信息方式的模型上取得了巨大的成功，在过去的三十年中，互联网通过支持大批分散的应用以及大量不同的网络技术，证实了自身结构的价值，然而，互联网的广泛使用也成为了其进一步发展的最大阻碍，由于其多供应商的特性，在互联网的现有结构中加入新的结构或调整需要获得所有运营商的共同认可，从而现今的网络结构受到限制只能够进行迟缓简单的更新，而无法进行迅速的变革。

网络虚拟化作为解决当前互联网僵化问题的技术手段，近年来受到了国内外未来网络领域研究的广泛关注。网络虚拟化的优势之一是支持多个异构的网络架构共享物理基础设施，网络虚拟化技术其本质是通过抽象、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网，从而能够有选择性地进行最佳的资源分配与调度。网络虚拟化实现了分布式虚拟资源的广泛共享，因此虚拟资源映射是网络虚拟化技术需要实现的重要功能。虚拟资源映射算法作为网络虚拟化技术的关键问题之一，它实现了将用户的虚拟网络请求合理地映射至底层物理网络的物理资源上的过程，其中如何高效分配物理网络资源以满足各虚拟网络的链路带宽和节点性能要求，是虚拟资源映射问题的关键。

目前已有跨数据中心虚拟网络映射算法以最小化映射成本为目标。该算法按照分级地将虚拟网络映射到多数据中心的底层基础设施上，由于广域网上的单位带宽成本比单个数据中心内高，因此先选择将虚拟网络中的所有虚拟节点映射到单个数据中心内以最小化广域网上所承载的带宽，之后再逐级将虚拟节点和虚拟链路映射到数据中心内部的机架和服务器上。但这种方法仅考虑了映射成本，而没有考虑区域失效(整个数据中心失效)对虚拟网络的影响，甚至在单个数据中心内资源充足的情况下，虚拟网络将完全映射到数据中心内部，那么这个数据中心的失效将导致整个虚拟网络的失效。

还有另外的映射算法中，由于广域网上的单位带宽成本比数据中心内高，因此忽略数据中心内的带宽成本，并将整个数据中心视为底层拓扑的一个物理节点，强制约束所有的虚拟节点映射到不同的物理节点上(数据中心内)，并在此基础上以最小化映射成本为目标。该算法虽然最大化了虚拟网络对单个数据中心的容错能力，但是由于广域网上承载的大量带宽而导致映射成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种跨数据中心的虚拟网络映射方法，在保证生存能力和可靠性需求的条件下以最小的成本为目标完成虚拟网络映射到底层数据中心网络。

为实现上述发明目的，本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定虚拟网络的生存能力需求s_V：

虚拟节点n_V映射在物理节点n_S上表示为：n_V→n_S:M(n_V)＝n_S,n_V∈V_V,n_S∈V_S

当M(n_V)＝n_S时x(n_V,n_S)为1，否则x(n_V,n_S)为0，则生存能力约束为：

其中，V_V为虚拟节点集合，V_S为物理节点集合；

(2)、确定虚拟网络中虚拟节点的最终分组：

(2、1)、通过虚拟节点分组算法VNGP(Virtual Node Group Partition)将虚拟网络中的虚拟节点进行分组：

将虚拟节点集合V_V放入到N(s_V)个分组中，N(s_V)为V_V的分组数目，即V_V＝G₁∪G₂∪…∪G_i，第i个分组G_i内的虚拟节点数目|G_i|≤[(1-s_V)*|V_V|],分组数目N(s_V)≤|V_V|，其中，i＝1,2,…N(s_V)，[]表示向下取整；

(2、2)、在虚拟节点集合V_V中增加辅助节点，使N(s_V)个分组中都有[(1-s_V)*|V_V|]个节点；

(2、3)、基于当前分组G_i寻找不同分组间的所有节点对集合U：

定义所有节点对之间的权值为y(m,n)或y(n,m)，n∈V_V,m≠n，y(m,n)的表达式为：

则集合那么在已知各个分组大小的条件下，V_V中的虚拟节点以最小化组间虚拟链路的总需求带宽为：

其中，由于每个分组的大小确定为[(1-s_V)*|V_V|]，因此可以得到集合U的大小为：

(2、4)、在确定每个分组大小和分组数目条件下，通过交换不同分组内的虚拟节点和辅助节点来寻找最终分组：

将分组G_i中的第a,a≤|G_i|个虚拟节点n_V ^a和第j个分组G_j中的第b,b≤|G_j|个虚拟节点n_V ^b交换，且n_V ^a和n_V ^b的交换不影响其它分组相关的权值y(m,n)，最小化组间虚拟链路的总需求带宽所减小的差值Δ为：

定义不同分组的节点对之间的资源需求w(n_V ^a,G_i,n_V ^b,G_j)的计算公式为：

其中，n_V ^a,n_V ^b∈V_V,i,j∈[1,N(s_V)],i≠j；

逐一从U中选择一对(m,n),m∈G_i,n∈G_j代入w(n_V ^a,G_i,n_V ^b,G_j)计算w(m,G_i,n,G_j)和w(n,G_i,m,G_j)，ε为准确度，如果w(m,G_i,n,G_j)＜w(m,G_i,n,G_j)/(1+ε)，将n转移至G_i并将m转移至G_j，同时更新U后转至步骤(2、3)，如果(m,n)不是遍历的最后一个节点对，继续步骤(2、4)否则，算法结束；

(2、5)、删除虚拟节点集合V_V中增加的辅助节点；

(3)、虚拟网络在满足生存能力需求条件下，通过GVNM(Grouped Virtual NetworkMapping)子算法将分组后的虚拟网络映射到底层数据中心网络上：

(3、1)、定义集合M，且初始化 为空集，用于记录已映射的虚拟节点；

(3、2)、若M不为空，选择与M中虚拟节点间的虚拟链路总需求带宽最大的未映射分组G_i，进入步骤(3、3)，若M为空，则选取按资源需求降序排列的第一个分组G_i，直接对G_i进行映射；

(3、3)、遍历未映射其它分组的物理节点，从中寻找令G_i中的虚拟节点和相关虚拟链路的映射成本最小的可映射物理节点n_s，其中，E_V为虚拟链路集合，如果找到物理节点n_s，则映射G_i和相关虚拟链路，并将G_i中的虚拟节点放入集合M中，如果没有找到可映射的物理节点n_s，此次映射失败；

(3、4)、逐一映射完所有分组，完成映射，否则返回步骤(3、2)；

(4)、对跨数据中心虚拟网络做增强性可靠设计：

定义虚拟网络所需的可靠性为r_V，物理节点n_s∈V_S上数据中心内的服务器失效概率为p(n_s)，分组G_i的可靠性为r(G_i)，当分组G_i内没有备份虚拟节点且映射在物理节点n_s上时，r(G_i)为(1-p(nS))^|G_i|，虚拟网络的实际可靠性为Π_i∈[1,N(n_s)]r(G_i)，且Π_i∈[1,N(n_s)]r(G_i)＜r_V,当每个分组G_i的可靠性r(G_i)都不小于r_V^(1/N(s_V))时，虚拟网络所需的可靠性为r_V可以得到保证；

在本地的数据中心内，定义分组G_i的本地备份虚拟节点集合为B_i,映射在物理节点n_s上的分组G_i所需的本地备份虚拟节点数目|B_i|的计算公式为：

每个本地备份虚拟节点所需的计算容量为组内工作虚拟节点所需计算容量的最大值，定义为：

其中所述的权值y(m,n)还可以为y(n,m)，y(n,m)的表达为：

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法，虚拟网络在保证生存能力需求和可靠性条件下，先通过虚拟节点分组算法VNGP将虚拟网络中的虚拟节点进行分组，并基于当前分组寻找不同分组间的所有节点对集合，确定出最终分组，再通过GVNM子算法将分组后的虚拟网络映射到底层数据中心网络上。在保证生存能力需求下将虚拟节点映射到同一数据中心，从而节约了通信资源，还采用数据中心内部的可靠性增强方法，从而保证了虚拟网络的可靠性，同时具有高效性。

同时，本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法还具有以下有益效果：

(1)优化性；本发明利用虚拟节点分组算法，使虚拟网络在保证生存能力的情况下，将分组内的虚拟节点映射到同一数据中心，从而大大节约了他们之间的通信资源需求；

(2)兼容性；本发明不仅能够保证跨虚拟网络的生存能力，还采用在数据中心内部的本地可靠性增强方法来保证虚拟网络的可靠性；

(3)高效性；本发明的算法能在多项式时间内收敛，在保证时间效率的情况下，就更适合大规模虚拟网络的映射。

附图说明

图1是本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法的具体实施方式流程图；

图2是确定虚拟网络中虚拟节点的最终分组的具体实施方式图；

图3是虚拟网络映射到底层数据中心网络的具体实施方式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法的具体实施方式流程图；

在本实施例中，如图1所示，本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法，其实施的具体步骤包括：

S101、确定虚拟网络的生存能力需求s_V：虚拟节点n_V映射在物理节点n_S上表示为：n_V→n_S:M(n_V)＝n_S,n_V∈V_V,n_S∈V_S；

当M(n_V)＝n_S时x(n_V,n_S)为1，否则x(n_V,n_S)为0，则生存能力约束为：

其中，V_V为虚拟节点集合，V_S为物理节点集合；

S102、确定虚拟网络中虚拟节点的最终分组：将虚拟节点集合V_V放入到N(s_V)个分组中，N(s_V)为V_V的分组数目，即V_V＝G₁∪G₂∪…∪G_i，第i个分组G_i内的虚拟节点数目|G_i|≤[(1-s_V)*|V_V|],分组数目N(s_V)≤|V_V|，其中，i＝1,2,…N(s_V)，[]表示向下取整；为满足生产能力需求s_V，在虚拟节点集合V_V中增加辅助节点，使N(s_V)个分组中都有[(1-s_V)*|V_V|]个节点；

基于当前分组G_i寻找不同分组间的所有节点对集合U并通过交换不同分组内的虚拟节点和辅助节点来寻找最终分组：

S102.1、定义所有节点对之间的权值为y(m,n)或y(n,m)，n∈V_V,m≠n，y(m,n)的表达式为：

则集合那么在已知各个分组大小的条件下，V_V中的虚拟节点以最小化组间虚拟链路的总需求带宽为：

其中，由于每个分组的大小确定为[(1-s_V)*|V_V|]，因此可以得到集合U的大小为：

S102.2、将分组G_i中的第a,a≤|G_i|个虚拟节点n_V ^a和第j个分组G_j中的第b,b≤|G_j|个虚拟节点n_V ^b交换，且n_V ^a和n_V ^b的交换不影响其它分组相关的权值y(m,n)，最小化组间虚拟链路的总需求带宽所减小的差值Δ为：

定义不同分组的节点对之间的资源需求w(n_V ^a,G_i,n_V ^b,G_j)的计算公式为：

其中，n_V ^a,n_V ^b∈V_V,i,j∈[1,N(s_V)],i≠j；

逐一从U中选择一对(m,n),m∈G_i,n∈G_j代入w(n_V ^a,G_i,n_V ^b,G_j)计算w(m,G_i,n,G_j)和w(n,G_i,m,G_j)，ε为准确度，如果w(m,G_i,n,G_j)＜w(m,G_i,n,G_j)/(1+ε)，将n转移至G_i并将m转移至G_j，同时更新U后转至步骤S102.1，如果(m,n)不是遍历的最后一个节点对，继续步骤S102.2否则，算法结束；当最终分组确定后删除虚拟节点集合V_V中增加的辅助节点；

S103、虚拟网络在满足生存能力需求可靠性条件下，通过GVNM(Grouped VirtualNetwork Mapping)子算法将分组后的虚拟网络映射到底层数据中心网络上：

S103.1、定义集合M，且初始化 为空集，用于记录已映射的虚拟节点；

S103.2、若M不为空，选择与M中虚拟节点间的虚拟链路总需求带宽最大的未映射分组G_i，进入步骤S103.3，若M为空，则选取按资源需求降序排列的第一个分组G_i，直接对G_i进行映射；

S103.3、遍历未映射其它分组的物理节点，从中寻找令G_i中的虚拟节点和相关虚拟链路的映射成本最小的可映射物理节点n_s，其中，E_V为虚拟链路集合，如果找到物理节点n_s，则映射G_i和相关虚拟链路，并将G_i中的虚拟节点放入集合M中，如果没有找到可映射的物理节点n_s，此次映射失败。

S104、对跨数据中心虚拟网络做增强性可靠设计：

定义虚拟网络所需的可靠性为r_V，物理节点n_s∈V_S上数据中心内的服务器失效概率为p(n_s)，分组G_i的可靠性为r(G_i)，当分组G_i内没有备份虚拟节点且映射在物理节点n_s上时，r(G_i)为(1-p(nS))^|G_i|，虚拟网络的实际可靠性为Π_i∈[1,N(n_s)]r(G_i)，且Π_i∈[1,N(n_s)]r(G_i)＜r_V,当每个分组G_i的可靠性r(G_i)都不小于r_V^(1/N(s_V))时，虚拟网络所需的可靠性为r_V可以得到保证；

在本地的数据中心内，定义分组G_i的本地备份虚拟节点集合为B_i,映射在物理节点n_s上的分组G_i所需的本地备份虚拟节点数目|B_i|的计算公式为：

每个本地备份虚拟节点所需的计算容量为组内工作虚拟节点所需计算容量的最大值，定义为：

图2是确定虚拟网络中虚拟节点的最终分组的具体实施方式图。

在本实施例中，如图2所示，本发明跨数据中心的虚拟网络映射方法，通过虚拟节点分组算法VNGP将虚拟网络中的虚拟节点进行分组，为了简洁，本实施例中对a,b,c3个虚拟节点进行分组，假设为s_V0.3，则每个分组内最多有2个虚拟节点，本实施例中图2(a)将虚拟节点a和b分为一组，而虚拟节点c放入另一组，那么组间的虚拟链路为(a,c)和(b,c)，需求带宽之和为9；而按照图2(b)中的分组方式，将虚拟节点b和c分为一组，而虚拟节点a放入另一组，那么组间的虚拟链路为(a,c)和(b,c)，组间的虚拟链路需求带宽之和为7，优于图2(a)的分组方式。

图3是虚拟网络映射到底层数据中心网络的具体实施方式图。

虚拟网络的虚拟节点映射到不同的数据中心内，因此由区域性的故障(如停电)所造成整个数据中心的失效不会导致整个虚拟网络受到影响，如图3(a)底层数据中心网络所示，物理节点旁边的数字代表该物理节点的容量和剩余容量，物理链路旁边的数字代表该物理链路的总带宽和剩余带宽，如物理节点E的容量为20，剩余容量为12，物理链路(D,E)的总带宽为30，剩余带宽为25，如图3(b)虚拟网络所示，将虚拟节点a和b映射在相同的物理节点(底层数据中心网络)E上，且虚拟节点c映射在物理节点C上，那么，物理节点E的失效会对整个虚拟网络造成最严重的影响，只有虚拟节点c还能正常运行，正常运行的虚拟节点数目占所有虚拟节点数目的1/3，即为该虚拟网络的生存能力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种跨数据中心的虚拟网络映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定虚拟网络的生存能力需求s_V：

虚拟节点n_V映射在物理节点n_S上表示为：n_V→n_S:M(n_V)＝n_S,n_V∈V_V,n_S∈V_S当M(n_V)＝n_S时x(n_V,n_S)为1，否则x(n_V,n_S)为0，则生存能力约束为：

其中，V_V为虚拟节点集合，V_S为物理节点集合；

(2)、确定虚拟网络中虚拟节点的最终分组：

(2、1)、通过虚拟节点分组算法VNGP(Virtual Node Group Partition)将虚拟网络中的虚拟节点进行分组：

将虚拟节点集合V_V放入到N(s_V)个分组中，N(s_V)为V_V的分组数目，即V_V＝G₁∪G₂∪…∪G_i，第i个分组G_i内的虚拟节点数目|G_i|≤[(1-s_V)*|V_V|],分组数目N(s_V)≤|V_V|，其中，i＝1,2,…N(s_V)，[]表示向下取整；

(2、2)、在虚拟节点集合V_V中增加辅助节点，使N(s_V)个分组中都有[(1-s_V)*|V_V|]个节点；

(2、3)、基于当前分组G_i寻找不同分组间的所有节点对集合U：

定义所有节点对之间的权值为y(m,n)或y(n,m)，m≠n，y(m,n)的表达式为：

其中，l_V表示虚拟链路，B(l_V)表示虚拟链路l_V的带宽需求；

则集合那么在已知各个分组大小的条件下，V_V中的虚拟节点以最小化组间虚拟链路的总需求带宽为：

其中，由于每个分组的大小确定为[(1-s_V)*|V_V|]，因此可以得到集合U的 大小为：

(2、4)、在确定每个分组大小和分组数目条件下，通过交换不同分组内的虚拟节点和辅助节点来寻找最终分组：

将分组G_i中的第a,a≤|G_i|个虚拟节点nV^a和第j个分组G_j中的第b,b≤|G_j|个虚拟节点n_V ^b交换，且n_V ^a和n_V ^b的交换不影响其它分组相关的权值y(m,n)，最小化组间虚拟链路的总需求带宽所减小的差值Δ为：

定义不同分组的节点对之间的资源需求w(n_V ^a,G_i,n_V ^b,G_j)的计算公式为：

其中，n_V ^a,n_V ^b∈V_V,i,j∈[1,N(s_V)],i≠j；

逐一从U中选择一对(m,n),m∈G_i,n∈G_j代入w(n_V ^a,Gi,n_V ^b,G_j)计算w(m,G_i,n,G_j)和w(n,G_i,m,G_j)，ε为准确度，如果w(m,G_i,n,G_j)＜w(m,G_i,n,G_j)/(1+ε)，将n转移至G_i并将m转移至G_j，同时更新U后转至步骤(2、3)，如果(m,n)不是遍历的最后一个节点对，继续步骤(2、4)否则，算法结束；

(2、5)、删除虚拟节点集合V_V中增加的辅助节点；

(3)、虚拟网络在满足生存能力需求条件下，通过GVNM(Grouped Virtual NetworkMapping)子算法将分组后的虚拟网络映射到底层数据中心网络上：

(3、1)、定义集合M，且初始化 为空集，用于记录已映射的虚拟节点；

(3、2)、若M不为空，选择与M中虚拟节点间的虚拟链路总需求带宽最大 的未映射分组G_i，进入步骤(3、3)，若M为空，则选取按资源需求降序排列的第一个分组G_i，直接对G_i进行映射；

(3、3)、遍历未映射其它分组的物理节点，从中寻找令G_i中的虚拟节点和相关虚拟链路的映射成本最小的可映射物理节点n_s，其中，E_V为虚拟链路集合，如果找到物理节点n_s，则映射G_i和相关虚拟链路，并将G_i中的虚拟节点放入集合M中，如果没有找到可映射的物理节点n_s，此次映射失败；

(3、4)、逐一映射完所有分组，完成映射，否则返回步骤(3、2)；

(4)、对跨数据中心虚拟网络做增强性可靠设计：

定义虚拟网络所需的可靠性为r_V，物理节点n_s∈V_S上数据中心内的服务器失效概率为p(n_s)，分组G_i的可靠性为r(G_i)，当分组G_i内没有备份虚拟节点且映射在物理节点n_s上时，r(G_i)为(1-p(n_S))∧|G_i|，虚拟网络的实际可靠性为 且当每个分组G_i的可靠性r(G_i)都不小于r_V^1/N(s_V))时，虚拟网络所需的可靠性为r_V可以得到保证；其中，(1-p(n_S))∧|G_i|表示(1-p(n_S))的|G_i|次方；

在本地的数据中心内，定义分组G_i的本地备份虚拟节点集合为B_i,映射在物理节点n_s上的分组G_i所需的本地备份虚拟节点数目|B_i|的计算公式为：

每个本地备份虚拟节点所需的计算容量为组内工作虚拟节点所需计算容量的最大值，定义为：

2.根据权利要求1所述的跨数据中心的虚拟网络映射方法，其特征在于，所述的权值y(m,n)还可以为y(n,m)，y(n,m)的表达为：