CN105530199B - 基于sdn多域光网络虚拟化技术的资源映射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法及装置，方法包括：接收到虚拟请求时，将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源。通过本发明的方法，能够实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，进行统一映射，以有效减少资源阻塞率，并提高业务接受比。

Description

基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法及装置

技术领域

本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法及装置。

背景技术

随着融合网络技术的发展，不同类型的业务和网络资源交织叠加在一起，形成了异构化的网络互联环境，加剧了全网业务控制与资源管理的实现难度。而软件定义网络(Software Defined Network，SDN)能够统一的调度和控制各种光层资源，满足业务多样化、复杂化的需求，实现对光网络智能化的延伸与增强。云计算、大数据的爆炸式出现，数据中心的存储资源以及计算资源作为大数据的最终载体已成为数据中心IT资源的基础架构。而随着存储技术的发展，集中式存储已不再是数据中心的主流架构。海量数据的存储访问，需要扩展性、伸缩性极强的分布式存储架构来实现。因此，基于跨层多域光网络架构的研究，也是十分重要的。同时，随着流量急速的增长，对未来光网络的扩展会造成一定的限制与约束，由于部署的光纤和终端非常昂贵，如何提高现有资源的利用率变得十分关键。网络虚拟化技术使得物理设备资源可共享化，是应对互联网爆发式发展的有效途径。

SDN是通过将数据平面和管理平面解耦，使得网络变得程序化，动态化以及业务感知化。作为SDN主流的控制协议，OpenFlow已经具有基于流交换层次的开放式标准接口，采用了集中式控制架构，实现了软件定义路由，交换以及网络管理等。根据OpenFlow协议的标准，将软件定义网络移植到光网络中，使得服务提供商更加自由灵活的提供新型服务。目前，已经有一些关于OpenFlow协议的扩展，对基于光交换的上下路端口、光载波的中心频率以及光传输带宽等光数据流进行了补充定义。通过这些扩展，可以将OpenFlow协议引入光域，并实现软件定义网络类型的光路建立和管理。

随着网络流量的需求增长如此快速，提高光传输网络的容量及吞吐量尤为重要。光通道的传输虚拟化技术能够提高未来网络的传输容量。该技术使得业务在传输过程中可以选择物理底层资源进行抽象，并通过不同的虚拟网络或虚拟服务提供商获得相关权限，实现资源的共享或私有化。由于光网络虚拟化的本质就是基于资源设备的共享，而光通道虚拟化是基于资源融合后创建的虚拟资源，因此光传输虚拟化是实现光网络虚拟化的一项关键技术。其中，光虚级联是一种适用于数据敏感并具有大容量特性应用的光传输虚拟化技术。

目前，数据中心的存储资源以及计算资源作为大数据的最终载体已成为数据中心IT资源的基础架构。而随着存储技术的发展，集中式存储已不再是数据中心的主流架构。数据中心互联的多域光网络，允许海量数据的存储访问，是一种扩展性、伸缩性极强的分布式存储架构。

虽然虚拟化的服务提供可以将底层网络资源抽象并提供给多个服务商租用，但是资源的总数是一定且有限的。因此，需要一种方法，能够实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，进行统一映射，以有效减少资源阻塞率，提高业务接受比。

发明内容

为了有效减少资源阻塞率，提高业务接受比，本发明提出一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法及装置，在不影响业务传输质量及时延的前提下，可以适当对业务流经频繁的节点链路进行部分的流量疏导。

第一方面，本发明提出一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法，包括：

接收到虚拟请求时，将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源。

优选地，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，包括：

将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。

优选地，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，还包括：

每个所述虚拟节点映射到一个所述物理节点；

每个所述物理节点承载一个所述虚拟节点；

虚拟节点的资源容量小于等于所述虚拟节点对应的物理节点的空闲资源。

优选地，所述获得该虚拟链路对应的K条最短路径，包括：通过KSP(K ShortestPath，K条最短路径算法)算法获得该虚拟链路对应的K条最短路径。

优选地，所述根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，包括：

根据传输距离和服务质量的约束条件，确定每条所述最短路径的所述调制格式；

根据所述调制格式和所述虚拟请求的请求带宽，确定每条所述最短路径的频谱带宽；

根据所述频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率。

优选地，所述最短路径的映射概率为当前最短路径上满足预设容量的空闲连续频谱段数占所有所述最短路径上的频谱带宽总数的比重。

优选地，所述频谱资源通过首次命中算法获得。

优选地，每条所述虚拟链路映射到一条所述路径；每条所述路径承载一条所述虚拟链路。

第二方面，本发明还提出一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射装置，包括：

节点映射模块：用于接收到虚拟请求时，将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

路径获取模块：用于针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

路径确定模块：用于根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

资源分配模块：用于在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源。

优选地，所述节点映射模块包括：

虚拟节点排序单元：用于将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

虚拟节点排序单元：用于将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

节点按序映射单元：用于将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。

由上述技术方案可知，本发明针对虚拟光网络映射的资源选择策略，创新性地提出了资源权衡方法，即在路由选择中，提出链路映射概率概念，基于路由不同的调制格式和请求带宽决定该路由的频谱带宽，选择链路映射概率最高的链路进行路由的频谱分配。通过本发明能够实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，进行统一映射，以有效减少资源阻塞率，并提高业务接受比。

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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的三种映射方法在不同业务总数下的阻塞率对比；

图3为本发明一实施例提供的三种映射方法在不同业务量下的阻塞率对比；

图4为本发明一实施例提供的两种映射方法的资源接收比随时间的变化；

图5为本发明一实施例提供的一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本实施例提供的一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法的流程图，包括：

S101：接收到虚拟请求时，将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

S102：针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

S103：根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

S104：在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源。

其中，在节点映射时，每个虚拟节点在满足地理位置和交换能力的条件下映射到对应的物理节点上。映射原则为带有较大需求的虚拟业务节点映射到空闲较大容量的物理光节点中。节点映射需满足以下约束条件：

(1)式表示每一个虚拟节点需要映射到一个物理节点上；

(2)式表示一个物理节点承载一个虚拟节点，即不同的两个虚拟节点不能映射到同一个物理节点上；

(3)式说明实际映射的物理节点的空闲资源需要大于等于虚拟节点请求所需的资源容量。

链路映射时，需满足以下约束条件：

z-w+1＝n^r (6)

(4)式为流守恒约束条件，保证在每个非端点的物理节点上，数据流入等于流出；

(5)式可保证所有的虚拟光链路在映射到物理拓扑的时候都是链路分离的，即不会发生不同的虚拟链路映射到同一条物理链路上的情况；

(6)式可确保给任一虚拟光子网请求分配的连续空闲频谱段均能够满足带宽需求。

为了确保给G^r(V^r,E^r)分配的连续空闲频谱段是某一条物理链路上唯一的可用连续频谱段，且该路由频域上的可用连续频谱段的容量比分配的空闲连续频谱段要多，需要满足以下三个约束条件：

其中，公式(1)-(9)的变量说明如下表所示：

软件定义光网络中的虚拟化静态映射是一个NP问题，为了更好的描述映射的过程，和虚拟光子网与物理网络的映射关系，因此本发明采用上表中的符号。其中，VON(virtual optical network)表示虚拟光网络；MCSB(multiple continuous spectrumblock，多连续频谱块)表示在某一频域，包含所有可用的空闲连续频谱段；CSB(continuousspectrum block，连续频谱块)表示频域中连续可用的空闲子载波。

本实施例针对虚拟光网络映射的资源选择策略提出的资源权衡方法，能够实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，进行统一映射，以有效减少资源阻塞率，并提高业务接受比。

作为本实施例的优选方案，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，包括：

将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。

具体地，每条所述虚拟链路映射到一条所述路径；每条所述路径承载一条所述虚拟链路。

进一步地，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，还包括：每个所述虚拟节点映射到一个所述物理节点；每个所述物理节点承载一个所述虚拟节点；虚拟节点的资源容量小于等于所述虚拟节点对应的物理节点的空闲资源。

更进一步地，所述获得该虚拟链路对应的K条最短路径，包括：通过K条最短路径KSP算法获得该虚拟链路对应的K条最短路径。

举例来说，所述根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，包括：根据传输距离和服务质量的约束条件，确定每条所述最短路径的所述调制格式；根据所述调制格式和所述虚拟请求的请求带宽，确定每条所述最短路径的频谱带宽；根据所述频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率。

进一步地，所述最短路径的映射概率为当前最短路径上满足预设容量的空闲连续频谱段数占所有所述最短路径上的频谱带宽总数的比重，即映射概率可表示为：

其中，(u^s,v^s)表示最短路径；P(u^s,v^s)表示最短路径的映射概率；w为整数变量，表示分配给VON请求G^r(V^r,E^r)的CSB起始子载波下标，即链路(u^s,v^s)上需要满足的容量。

使用资源权衡方法在映射中，每个虚拟链路，在满足一定频谱宽度的条件下，通过采用KSP方法映射到物理路径上。在找到对应的k条路由后，会检测该路径上每个物理链路是否满足波长一致性和频谱连续性。该方法需要判断虚拟链路映射产生的集合中每一个节点对(u^s,v^s)的所有路由组合，并记录每个节点对k条路由的映射概率，记为P(u^s,v^s)。在所有候选的k条链路中，选择具有最高映射概率的路由，并在所选路由上采用一定的调制格式为虚拟链路分配频谱资源。在整个过程中，考虑了网络频谱资源的均衡，这样可以很好的确保网络资源的利用率。

更进一步地，所述频谱资源通过首次命中算法获得。首次命中算法是一个专业的频谱分配方法，具体指：从空闲分区表的第一个表目起查找该表，把最先能够满足要求的空闲区分配给作业，这种方法目的在于减少查找时间。为适应这种算法，空闲分区表(空闲区链)中的空闲分区要按地址由低到高进行排序。该算法优先使用低址部分空闲区，在低址空间造成许多小的空闲区，在高地址空间保留大的空闲区。

以具体数据为例，本实施例在仿真中采用14个节点的NSFNET拓扑。假设每段物理链路的容量为12.5THz，子载波的粒度为12.5GHz，每个节点的CPU容量为2000。虚拟光网络的业务请求随机产生，业务的到达和离去均服从泊松分布。其中虚拟节点的个数设定为3到5之间的随机整数，每个节点请求的CPU资源占节点资源比例的0.5％到1.0％之间均匀分布，每根虚拟链路请求的带宽在{12.5，25，50，100}Gbps中随机分布。

本实施例将本发明的资源映射方法与传统的随机映射方法和负载权衡方法比较，比较结果如图2-4所示，图2和图3分别表示在不同业务总数和不同业务量下的阻塞率对比，图4表示两种映射方法的资源接收比随时间的变化。

图2，3为三种启发式映射方法(随机路由、负载均衡、资源权衡)业务映射阻塞概率的变化曲线。可以看出三种方法的资源阻塞率随着业务请求数量的增加均呈现上升趋势。业务数量很少时，随机路由方法初始阻塞率最低，但由于其没有对网络状态进行任何优化，因此随着业务数目的增加而急速上升。资源权衡方法和负载均衡方法性能基本持平，运行初始阶段，负载均衡方法的平均性能要优于资源权衡方法，这是因为负载均衡方法对核心节点的流量分配采用了疏导的策略，使得网络中各业务的流量分布相对平衡使得网络状态处于一种均衡的状态。但是，当仿真运行进入平稳阶段，网络状态相对饱和，资源权衡的阻塞率低于负载均衡方法，这是因为资源权衡既能够进行流量疏导，又能够合理的利用节点容量和链路频谱，降低了虚拟网络拓扑的映射难度，从而提高了映射的成功率。由图4可以看出，资源权衡方法的映射成功率远远超过了随机映射方法，资源权衡方法有明显的优势。

图5示出了本实施例提供的一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射装置的结构示意图，包括：

节点映射模块11：用于接收到虚拟请求时，将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

路径获取模块12：用于针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

路径确定模块13：用于根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

资源分配模块14：用于在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源。

在SDN频谱灵活光网络架构下，可以实现光交换设备与数据传送平面的解耦分离，从而对网络资源进行灵活统一的控管。对于多域的光网络环境，利用域内控制器的交互，实现跨域的虚拟化映射机制。针对该架构本发明能够解决软件定义光网络中，由虚拟子网业务动态分配后带宽资源分配不均导致的部分流量超载而使业务阻塞的问题；同时实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，使得网络状态处于一种均衡的状态，进行统一映射。有效的提高业务接受比，减少阻塞率。

作为本实施例的优选方案，所述节点映射模块11包括：

虚拟节点排序单元：用于将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

虚拟节点排序单元：用于将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

节点按序映射单元：用于将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射方法，其特征在于，包括：

接收到虚拟请求时，在满足地理位置和交换能力的条件下将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源；

其中，链路映射时，需满足以下约束条件：

z-w+1＝n^r 公式三

其中，u^s为第一物理节点，v^s为第二物理节点，e^r为虚拟链路，E^s为物理链路的集合，表示若虚拟链路e^r∈E^r映射到物理链路e^s＝(u^s,v^s)上，值为1，否则为0；表示若虚拟链路e^r∈E^r映射到物理链路e^s＝(v^s,u^s)上，值为1，否则为0；表示虚拟链路e^r上的虚拟节点s^r，表示若虚拟链路e^r上的虚拟节点s^r映射到物理节点u^s上，值为1，否则为0；表示虚拟链路e^r上的虚拟节点d^r，表示若虚拟链路e^r上的虚拟节点d^r映射到物理节点u^s上，值为1，否则为0；E^r表示虚拟链路的集合；V^s表示物理节点的集合；z为整数变量，表示分配给VON请求G^r(V^r,E^r)的CSB结束子载波下标；w为整数变量，表示分配给VON请求G^r(V^r,E^r)的CSB起始子载波下标；n^r为每个虚拟光链路所需的带宽；

公式一为流守恒约束条件，保证在每个非端点的物理节点上，数据流入等于流出；

公式二可保证所有的虚拟光链路在映射到物理拓扑的时候都是链路分离的，即不会发生不同的虚拟链路映射到同一条物理链路上的情况；

公式三可确保给任一虚拟光子网请求分配的连续空闲频谱段均能够满足带宽需求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，包括：

将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点，还包括：

每个所述虚拟节点映射到一个所述物理节点；

每个所述物理节点承载一个所述虚拟节点；

虚拟节点的资源容量小于等于所述虚拟节点对应的物理节点的空闲资源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得该虚拟链路对应的K条最短路径，包括：通过K条最短路径KSP算法获得该虚拟链路对应的K条最短路径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，包括：

根据传输距离和服务质量的约束条件，确定每条所述最短路径的调制格式；

根据所述调制格式和所述虚拟请求的请求带宽，确定每条所述最短路径的频谱带宽；

根据所述频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最短路径的映射概率为当前最短路径上满足预设容量的空闲连续频谱段数占所有所述最短路径上的频谱带宽总数的比重。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频谱资源通过首次命中算法获得。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

每条所述虚拟链路映射到一条所述路径；

每条所述路径承载一条所述虚拟链路。

9.一种基于SDN多域光网络虚拟化技术的资源映射装置，其特征在于，包括：

节点映射模块：用于接收到虚拟请求时，在满足地理位置和交换能力的条件下将所述虚拟请求中的虚拟节点映射到物理节点；

路径获取模块：用于针对每条虚拟链路，获得该虚拟链路对应的K条最短路径；

路径确定模块：用于根据每条最短路径的频谱带宽，计算得到每条最短路径的映射概率，并确定映射概率最大的路径；

资源分配模块：用于在所述映射概率最大的路径上采用一定的调制格式为该虚拟链路分配频谱资源；

其中，链路映射时，需满足以下约束条件：

z-w+1＝n^r 公式三

其中，u^s为第一物理节点，v^s为第二物理节点，e^r为虚拟链路，E^s为物理链路的集合，表示若虚拟链路e^r∈E^r映射到物理链路e^s＝(u^s,v^s)上，值为1，否则为0；表示若虚拟链路e^r∈E^r映射到物理链路e^s＝(v^s,u^s)上，值为1，否则为0；表示虚拟链路e^r上的虚拟节点s^r，表示若虚拟链路e^r上的虚拟节点s^r映射到物理节点u^s上，值为1，否则为0；表示虚拟链路e^r上的虚拟节点d^r，表示若虚拟链路e^r上的虚拟节点d^r映射到物理节点u^s上，值为1，否则为0；E^r表示虚拟链路的集合；V^s表示物理节点的集合；z为整数变量，表示分配给VON请求G^r(V^r,E^r)的CSB结束子载波下标；w为整数变量，表示分配给VON请求G^r(V^r,E^r)的CSB起始子载波下标；n^r为每个虚拟光链路所需的带宽；

公式一为流守恒约束条件，保证在每个非端点的物理节点上，数据流入等于流出；

公式二可保证所有的虚拟光链路在映射到物理拓扑的时候都是链路分离的，即不会发生不同的虚拟链路映射到同一条物理链路上的情况；

公式三可确保给任一虚拟光子网请求分配的连续空闲频谱段均能够满足带宽需求。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述节点映射模块包括：

虚拟节点排序单元：用于将所有所述虚拟节点按照资源容量降序排列；

虚拟节点排序单元：用于将所有所述物理节点按照空闲资源降序排列；

节点按序映射单元：用于将所述降序排列的虚拟节点按序映射到所述降序排列的物理节点。