CN104158717B - 一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法 - Google Patents

一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法 Download PDF

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本发明公开了一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法，依次包括以下步骤：建立虚拟网络映射模型、定义底层网络能耗、设置底层网络休眠标志算法和虚拟网络映射反馈控制算法。本发明提出了寻找有效底层资源的虚拟网络映射反馈控制方法，控制休眠链路数量为主线，逐步减小以至消除底层链路休眠数量的偏差，从而在底层网络中找到稳定的可休眠资源量集合，提出了高效节能的虚拟网络映射反馈控制算法，以虚拟网络映射反馈控制方法为基础，找到稳定的底层网络激活资源集合，最终实现底层网络节能。

Description

一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法
【技术领域】
本发明涉及网络映射的反馈控制方法的技术领域，特别是一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法的技术领域。
【背景技术】
随着电力成本不断上涨和人们生态意识的提高，网络运营商已经意识到能耗管理的重要性，减少能耗已成为亟待解决的问题。当前网络为高峰负荷而设计，网络资源超量供给确保了网络的正常运行，然而也导致资源利用率低下。据统计，大型ISP骨干网的平均链路利用率大约30-40％，数据中心服务器的平均利用率为11％～50％。过低的利用率造成了巨大的电能浪费，促使绿色网络研究的兴起，网络能耗问题成为研究热点。
网络虚拟化，是未来因特网、云计算和软件定义网络的重要技术。其通过整合网络基础设施资源，能够合理有效地使用能量，使得智能能量感知网络部署成为可能。虚拟网络映射是网络资源虚拟化的关键问题。当前大部分映射算法是基于代价的虚拟网络映射，即以最小化底层资源代价映射虚拟网络请求，以此获得更多的底层物理资源，进而提高虚拟网络接收率与系统收益。然而，由于虚拟网络请求是一个动态变化过程，而底层物理网络根据流量峰值设计，基于代价的虚拟网络映射必然带来不必要的能耗。以节能为目标的虚拟网络化映射应在满足当前虚拟网络请求的前提下最小化能耗。由于当前网络设备对流量负荷的功耗不敏感，因此在不影响虚拟网络映射性能的情况下尽可能多关闭或休眠网络节点和链路是节能的有效方法。
当前基于能量感知的虚拟网络映射通过修改虚拟网络映射算法，使得虚拟网络尽可能映射到活动的节点和链路，以达到系统节能目的。如：已有通过减少物理网络设备数量分配虚拟网络请求集合，提出混合整数规划的能量感知最优化模型，但是时间复杂度呈指数增长，难以适应大规模网络基础设施的虚拟网络映射；已有考虑到机箱能耗比路由能耗低的特点，提出扩展流量到网络资源的节能方法，但是适合对负载敏感的设备；已有提出虚拟网络重配置的最小化能耗的启发式方法；北京邮电大学的苏森等提出虚拟网络映射能耗模型以及能量感知两阶段映射算法；北方交通大学的常晓林、王冰等提出混合整数规划能耗模型及能量感知两阶段映射算法，已有在云数据中心中应用蚁群优化算法求解虚拟网络节能映射。可见目前相关节能感知映射算法是通过修改虚拟网络映射算法，被动地寻找有效的底层网络节点和链路集合，易受到虚拟网络动态特征带来的干扰。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法，能够快速地找到适合当前稳定状态的最小底层网络资源集合，以提高休眠节点和链路数量，实现底层网络节能。
为实现上述目的，本发明提出了一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法，依次包括以下步骤：
a)建立虚拟网络映射模型：通过无向图对底层网络建模，其中Ns为底层节点集合，Ls为底层链路集合，为底层节点属性集合，为底层链路属性集合，所述底层节点属性为CPU处理器资源，底层链路属性为带宽资源；通过无向图对虚拟网络建模，其中Nv为虚拟节点集合，Lv为虚拟链路集合，为虚拟节点属性集合，为虚拟链路属性集合，所述虚拟节点属性为CPU处理器资源，虚拟链路属性为带宽资源，把虚拟节点和虚拟链路映射到满足虚拟资源需求的底层节点和底层链路上，上述映射过程可进一步分为节点映射和链路映射；
b)定义底层网络能耗：底层网络的能耗主要由底层节点能耗和底层链路能耗两个部分组成，底层节点的属性为CPU处理器资源，底层节点的能耗与该底层节点承载的虚拟节点总和成比例关系，定义第i个底层节点能耗为：
其中，Pb为节点的基本能耗，Pm为节点的最大能耗，Pl＝Pm-Pb，u为能耗因子，定义底层链路的能耗Pn为常量，则第j条链路能耗为：
c)设置底层网络休眠标志算法：初始化已设置休眠底层链路数量，使得休眠的底层链路数量sln＝0，初始化所有底层节点和底层链路的激活标志，初始化底层网络节点的度；然后输入sleepl，当满足sln小于sleepl的条件时，就进入设置休眠标志的循环体，其中sleepl为底层链路休眠数量，在循环过程中找到最小度的激活标志节点，设置该激活标志节点以及与该激活标志节点相连的底层链路的休眠标志，并记录设置休眠的底层节点和底层链路数量，更新底层节点的度，以保证底层网络的连通性；
d)虚拟网络映射反馈控制算法：根据映射结果反馈记录中给定的LNum作为输入值，LNum是休眠链路的数量，调用c)步骤中设置底层网络休眠标志算法，实现底层节点和底层链路的休眠标志，并记录新的LNum，具体步骤如下：
调用NodeEmbed()算法实现节点映射，如果节点映射成功，则进入链路映射，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回节点映射失败标志，即表示该底层节点没有休眠的可能性；
调用LinkEmbed()算法实现链路映射，如果链路映射成功，则设置映射成功标志并记录新的LNum，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回链路映射失败标志，即表示该底层链路没有休眠的可能性。
作为优选，所述步骤a)的节点映射中一个虚拟网络的不同虚拟节点不允许映射到同一底层节点，所述链路映射分为单路径映射和多路径映射。
作为优选，所述步骤c)设置底层网络休眠标志算法中，设置底层节点和地测链路的休眠标志时应保持底层网络的连通性，即休眠底层节点的同时应该休眠相对应的底层链路，在休眠底层链路的同时也应该休眠相对应的底层节点。
作为优选，所述步骤d)中NodeEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射节点的算法，NodeEmbed()算法采用经典启发式算法；LinkEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射链路的算法，LinkEmbed()采用最短路径单路径链路算法。
本发明的有益效果：本发明提出了寻找有效底层资源的虚拟网络映射反馈控制方法，控制休眠链路数量为主线，逐步减小以至消除底层链路休眠数量的偏差，从而在底层网络中找到稳定的可休眠资源量集合，提出了高效节能的虚拟网络映射反馈控制算法，以虚拟网络映射反馈控制方法为基础，找到稳定的底层网络激活资源集合，最终实现底层网络节能。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是节点映射反馈控制结构方框图；
图2是链路映射反馈控制结构方框图。
【具体实施方式】
本发明一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法，依次包括以下步骤：
a)建立虚拟网络映射模型：通过无向图对底层网络建模，其中Ns为底层节点集合，Ls为底层链路集合，为底层节点属性集合，为底层链路属性集合，所述底层节点属性为CPU处理器资源，底层链路属性为带宽资源；通过无向图对虚拟网络建模，其中Nv为虚拟节点集合，Lv为虚拟链路集合，为虚拟节点属性集合，为虚拟链路属性集合，所述虚拟节点属性为CPU处理器资源，虚拟链路属性为带宽资源，把虚拟节点和虚拟链路映射到满足虚拟资源需求的底层节点和底层链路上，上述映射过程可进一步分为节点映射和链路映射；
b)定义底层网络能耗：底层网络的能耗主要由底层节点能耗和底层链路能耗两个部分组成，底层节点的属性为CPU处理器资源，底层节点的能耗与该底层节点承载的虚拟节点总和成比例关系，定义第i个底层节点能耗为：
其中，Pb为节点的基本能耗，Pm为节点的最大能耗，Pl＝Pm-Pb，u为能耗因子，定义底层链路的能耗Pn为常量，则第j条链路能耗为：
c)设置底层网络休眠标志算法：初始化已设置休眠底层链路数量，使得休眠的底层链路数量sln＝0，初始化所有底层节点和底层链路的激活标志，初始化底层网络节点的度；然后输入sleepl，当满足sln小于sleepl的条件时，就进入设置休眠标志的循环体，其中sleepl为底层链路休眠数量，在循环过程中找到最小度的激活标志节点，设置该激活标志节点以及与该激活标志节点相连的底层链路的休眠标志，并记录设置休眠的底层节点和底层链路数量，更新底层节点的度，以保证底层网络的连通性；
d)虚拟网络映射反馈控制算法：根据映射结果反馈记录中给定的LNum作为输入值，LNum是休眠链路的数量，调用c)步骤中设置底层网络休眠标志算法，实现底层节点和底层链路的休眠标志，并记录新的LNum，具体步骤如下：
调用NodeEmbed()算法实现节点映射，如果节点映射成功，则进入链路映射，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回节点映射失败标志，即表示该底层节点没有休眠的可能性；
调用LinkEmbed()算法实现链路映射，如果链路映射成功，则设置映射成功标志并记录新的LNum，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回链路映射失败标志，即表示该底层链路没有休眠的可能性。
所述步骤a)的节点映射中一个虚拟网络的不同虚拟节点不允许映射到同一底层节点，所述链路映射分为单路径映射和多路径映射，所述步骤c)设置底层网络休眠标志算法中，设置底层节点和地测链路的休眠标志时应保持底层网络的连通性，即休眠底层节点的同时应该休眠相对应的底层链路，在休眠底层链路的同时也应该休眠相对应的底层节点，所述步骤d)中NodeEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射节点的算法，NodeEmbed()算法采用经典启发式算法；LinkEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射链路的算法，LinkEmbed()采用最短路径单路径链路算法。
反馈控制原理是自动控制理论的有效方法之一。其基本思想是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。基于反馈控制原理，本文根据虚拟网络映射经历了一个从不稳定状态到稳定状态的动态过程这一特点，定义了系统不稳定状态和稳定状态两种状态；并提出一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法。
不稳定状态是指未能找到有效的底层网络资源集合，不能接受虚拟网络请求；稳定状态是找到了有效的底层网络资源集合且成功接受虚拟网络请求，或者找到了有效的底层网络资源集合但仍不能接受虚拟网络请求。虚拟网络映射应尽可能找到最小的底层网络资源集合，使得系统达到稳定状态，以实现虚拟网络映射以及节能双重目标。反馈控制方法基本思想：以控制休眠链路数量为核心，以节点和链路映射结果作为检测装置，逐步减小以至消除底层链路休眠数量的偏差，从而在底层网络中找到稳定的可休眠资源量集合。
根据虚拟网络映射存在节点和链路映射两个不同阶段，设计了节点映射和链路映射反馈控制结构方框图，如图1、2所示。两者的差异在于检测装置，图1为节点映射检测装置，图2为链路映射检测装置。检测装置为稳定状态与不稳定状态划清了界限，只有当节点和链路映射都通过了检测，即成功映射虚拟网络请求，系统才从不稳定状态进入了稳定状态。节点和链路映射可采用已出现的各种算法。图1、2的共同点包括相同的控制器、执行器与控制对象。控制对象为底层网络。
控制器的功能是计算底层网络可休眠链路数量，实现逻辑为：如果测定值(映射是否成功t)成功，则以给定量(链路休眠数量LNum)为控制量(链路休眠数量sleepl)；否则，以给定量(链路休眠数量LNum)减去休眠链路步长LDecrNum为控制量(链路休眠数量sleepl)。
执行器的功能是根据输入的参数，设置底层网络资源休眠标志，如算法1所示。算法1在设置底层网络资源休眠标志时需要注意两点：1)设置节点和链路休眠标志应考虑到底层网络的连通性，即休眠节点的同时应该考虑休眠链路，在休眠链路的同时也应该考虑休眠节点，两者之间相互关联；2)在设置底层节点和链路休眠时，应满足休眠链路数量sln小于等于sleepl。第1步，初始化已设置休眠底层链路数量sln＝0；初始化所有底层节点和链路激活标志；初始化底层网络节点的度。第2步，只要满足sln小于sleepl，就进入设置休眠标志的循环体。第3-8步，找到最小度的激活标志节点，设置该节点以及与该节点相连的链路休眠标志，并记录设置休眠的底层节点和链路数量，更新底层节点的度，这样可以保证底层网络的连通性。算法1在设置底层节点和链路休眠数量的同时，保证了底层网络的连通性。算法1的算法时间复杂度为o(l·n)，l为底层网络链路数量，n为底层网络节点数量。
算法1.设置底层网络休眠标志算法
输入：休眠链路数量sleepl
输出：带休眠标志的底层节点和链路
1:sln＝0；初始化所有底层节点和链路激活标志；初始化底层节点的度；
2:while(sln＜sleepl){
3:找到激活的最小度的节点node；if(没有找到有效的node)break；
4:foreach(与node节点连接的所有激活底层链路luv){
5:设置链路luv休眠标志，并更新与该链路连接的两节点u和v的度,sln++；
6:if(节点u的度为0)设置u休眠标志；if(节点v的度为0)设置v休眠标志；
7:if(sln≥sleepl)break；
8:}
9:}
10：return带休眠标志的底层节点和链路。
本文定义系统饱和状态以及非饱和状态：虚拟网络全部接收的状态为系统非饱和状态；反之，为饱和状态。由于当前底层网络为高峰负荷而设计，那么当系统处于非饱和状态，必然存在一个底层网络资源集合，能够保证虚拟网络映射性能。这个底层网络资源集合包含于底层网络资源。通过反馈控制方法，求解底层网络资源集合，以提高底层网络休眠节点和链路数量，达到减少系统能耗目的，如算法2所示。
算法2.虚拟网络映射反馈控制算法
输出：虚拟网络映射结果
1：取给定值LNum；
2：while(1){
3：以LNum为输入参数，调用算法1，设置底层节点和链路休眠标志，并记录LNum；
4:if(t＝NodeEmbed()＝＝true){设置映射成功标志；break；}
5:LNum-＝LDecrNum；//LDecrNum休眠步长
6:if(LNum＜0)return Node_Failed；//没有休眠的可能
7:}
8:while(1){
9：if(t＝LinkEmbed()＝＝true){设置链路映射成功标志；return映射结果；}
10：else{
11:LNum-＝LDecrNum；//LDecrNum休眠步长
12:if(LNum＜0)return Link_Failed；
13：以LNum为输入参数，调用算法1，设置底层节点和链路休眠标志，并记录LNum；
14：}
15:}
第1步，根据前次映射结果反馈记录中，取给定的LNum，LNum是休眠链路的数量。第2-7步，实现节点映射。其中第3步，通过设置LNum参数，调用算法1，实现底层节点和链路的休眠标志，并记录LNum；第4-6步，调用NodeEmbed()算法实现节点映射，如果节点映射成功，则进入链路映射，否则第5步以步长LDecrNum减少休眠的数量，直到LNum＜0，返回节点映射失败标志。需要注意的是：1)NodeEmbed()是在激活标志的底层节点和链路中映射节点；2)NodeEmbed()可采用各种不同节点映射算法，本文采用了经典启发式算法。
第8-15步，实现链路映射。其中第9步，调用LinkEmbed()算法实现链路映射，如果链路映射成功，则设置映射成功标志并记录LNum，否则第11-13步以步长LDecrNum减少休眠的数量，直到LNum＜0，返回链路映射失败标志；第13步，通过设置LNum参数，调用算法1，实现底层节点和链路的休眠标志。需要注意的是：1)LinkEmbed()是在激活标志的底层节点和链路中映射链路；2)LinkEmbed()可采用各种不同链路映射算法，本文采用了最短路径单路径链路算法。
算法2保证了底层网络的连通性，通过反馈控制方法，能够快速地在底层网络中找到稳定的可休眠资源量集合，使得尽可能主动休眠底层节点和链路数量，达到节能的目的。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高效节能虚拟网络映射的反馈控制方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
a)建立虚拟网络映射模型：通过无向图对底层网络建模，其中Ns为底层节点集合，Ls为底层链路集合，为底层节点属性集合，为底层链路属性集合，所述底层节点属性为CPU处理器资源，底层链路属性为带宽资源；通过无向图对虚拟网络建模，其中Nv为虚拟节点集合，Lv为虚拟链路集合，为虚拟节点属性集合，为虚拟链路属性集合，所述虚拟节点属性为CPU处理器资源，虚拟链路属性为带宽资源，把虚拟节点和虚拟链路映射到满足虚拟资源需求的底层节点和底层链路上，上述映射过程可进一步分为节点映射和链路映射；节点映射中一个虚拟网络的不同虚拟节点不允许映射到同一底层节点，所述链路映射分为单路径映射和多路径映射，虚拟网络全部接收的状态为系统非饱和状态；虚拟网络未全部接收的状态为系统饱和状态；
b)定义底层网络能耗：底层网络的能耗主要由底层节点能耗和底层链路能耗两个部分组成，底层节点的属性为CPU处理器资源，底层节点的能耗与该底层节点承载的虚拟节点总和成比例关系，定义第i个底层节点能耗为：
其中，Pb为节点的基本能耗，Pm为节点的最大能耗，Pl＝Pm-Pb，u为能耗因子，定义底层链路的能耗Pn为常量，则第j条链路能耗为：
c)设置底层网络休眠标志算法：初始化已设置休眠底层链路数量，使得休眠的底层链路数量sln＝0，初始化所有底层节点和底层链路的激活标志，初始化底层网络节点的度；然后输入sleepl，当满足sln小于sleepl的条件时，就进入设置休眠标志的循环体，其中sleepl为底层链路休眠数量，在循环过程中找到最小度的激活标志节点，设置该激活标志节点以及与该激活标志节点相连的底层链路的休眠标志，并记录设置休眠的底层节点和底层链路数量，更新底层节点的度，以保证底层网络的连通性；设置底层网络休眠标志算法中，设置底层节点和地测链路的休眠标志时应保持底层网络的连通性，即休眠底层节点的同时应该休眠相对应的底层链路，在休眠底层链路的同时也应该休眠相对应的底层节点；
d)虚拟网络映射反馈控制算法：根据映射结果反馈记录中给定的LNum作为输入值，LNum是休眠链路的数量，调用c)步骤中设置底层网络休眠标志算法，实现底层节点和底层链路的休眠标志，并记录新的LNum，具体步骤如下：
调用NodeEmbed()算法实现节点映射，如果节点映射成功，则进入链路映射，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回节点映射失败标志，即表示该底层节点没有休眠的可能性；NodeEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射节点的算法，NodeEmbed()算法采用经典启发式算法；
调用LinkEmbed()算法实现链路映射，如果链路映射成功，则设置映射成功标志并记录新的LNum，否则以步长LDecrNum减少休眠的数量，LDecrNum表示休眠步长，直到LNum＜0，返回链路映射失败标志，即表示该底层链路没有休眠的可能性；LinkEmbed()算法是在激活标志的底层节点和底层链路中映射链路的算法，LinkEmbed()采用最短路径单路径链路算法。
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