CN107147530B - 一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法 - Google Patents

一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，主要包括了基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略、基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略、重路由映射路径规划策略和基于反馈的虚拟网络触发机制；由于虚拟网络请求中，虚拟节点之间通过虚拟链路相互连接，因此联合考虑虚拟节点迁移和虚拟链路迁移。本发明提出的虚拟网络重配置策略基于资源守恒的思想，与现有虚拟网络重配置策略相比，具有重配置响应速度快，配置效率高，对虚拟网络的抖动较小，服务质量较高，同时不仅改善了Carrier‑SDN虚拟网络的负载均衡性、提高了虚拟网络请求接受率和Carrier‑SDN网络平均收益，提高网络的稳定性。

Description

一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法
技术领域
本发明涉及一种应用于Carrier-SDN(软件定义承载网)的基于资源守恒的虚拟网络重配置策略。
背景技术
互联网是由众多服务提供商共同构建和运营支撑的。部署全新的网络技术需要更新大量网络设备的软件和硬件，这不仅会带来十分昂贵的成本，还需要各互联网业务提供商对网络架构变化的一致认可。他们之间的利益和策略的冲突，使得对于互联网自身结构僵化问题的解决只能局限于增量的更新。因此，网络虚拟化技术便应运而生。
在网络虚拟化环境中，多个虚拟网络可以被映射到同一个底层物理网络上，以实现底层物理网络资源的透明共享，同时每个虚拟网络可以独立地部署以及管理。网络虚拟化概念及其相关技术的引入使得网络结构的动态化和多元化成为可能，被认为是解决现有网络体系结构僵化问题，构建软件定义网络的理想方案之一。在网络虚拟化架构之下，用户可以根据需要定制自己的网络，摆脱硬件资源束缚以及繁琐的网络配置过程，达到真正意义的网络作为一种服务的思想。
网络虚拟化中面临的一项重要挑战是如何有效地实现虚拟网络到底层网络的映射。高效的虚拟网络映射策略可以提高底层物理网络资源的利用效率，进而增加基础设施提供商的收益，同时也可以有效地降低用户的运维成本。因此，在Carrier-SDN中应用网络虚拟化技术有效地实现虚拟网络资源分配的虚拟网络映射算法具有重要的研究价值和意义。
虚拟网络是由虚拟节点和虚拟链路构成。其中，虚拟节点有计算资源需求，虚拟链路有带宽资源需求。虚拟网络映射算法就是将虚拟节点和虚拟链路映射到物理节点和物理路径上，从而为实例化虚拟网络提供计算资源和带宽资源。目前关于虚拟网络映射算法国内外已经有相当多的研究，主要以基础设施提供商最小代价或者虚拟网络占用资源最少为优化目标进行虚拟网络的映射。当网络负载较小时性能较好，但当负载增加时，物理网络中会出现瓶颈节点和瓶颈链路，目前已有的虚拟网络映射研究的关注点大都集中在对物理资源(计算资源和带宽资源)的初次分配，而忽略了初次分配后资源占用不均衡造成的瓶颈节点和瓶颈链路。由于上述算法并未考虑对这些瓶颈节点和瓶颈链路进行迁移，导致资源利用率低和虚拟网络请求接受率低的问题，算法性能急剧下降。
为了提高算法性能，现有技术中提出了一些虚拟网络重配置策略，例如，“基于最小代价的虚拟网络重配置方法”(北京邮电大学学报,2014,37(5):114-118.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该虚拟网络重配置方法包括以下步骤：
首先确定启动虚拟网络重配置动作的时机：当Carrier-SDN底层出现瓶颈节点或瓶颈链路时启动映射在该Carrier-SDN网络的虚拟网络的重配置动作；然后在满足资源守恒约束和二值约束条件下，如果瓶颈节点和瓶颈链路不相连，应用基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略将虚拟节点从原承载服务器迁移到目标承载服务器，消除Carrier-SDN网络中的瓶颈节点，或者应用基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略，将虚拟链路从原承载路径迁移到目标承载路径上，消除Carrier-SDN网络中的瓶颈链路，如果瓶颈节点和瓶颈链路相连，应用联合虚拟节点和虚拟链路的迁移策略，首先根据瓶颈程度在瓶颈节点及瓶颈链路上应用贪婪算法搜索虚拟节点或虚拟链路，然后采用联合迁移的方式，将对应相连的虚拟节点和虚拟链路从原承载服务器和路径迁移至目标承载服务器和路径上；在虚拟节点迁移后、虚拟链路迁移过程中以及虚拟节点和虚拟链路联合迁移后应用映射路径重路由策略对映射路径进行规划。
所述瓶颈节点的判定条件为：
Figure GDA0002221253390000021
瓶颈链路的判定条件为：
瓶颈程度的判定条件为：若wnr较小则表示节点瓶颈程度较高，若wlr较小则表示链路瓶颈程度高，若wnr和wlr相等，则节点和链路的瓶颈程度相同；
Figure GDA0002221253390000023
Figure GDA0002221253390000024
其中，wn和wl为调整瓶颈节点和瓶颈链路的判断权值，wnr和wlr为瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值，com(i)为连接至Carrier-SDN网络的服务器i上的剩余计算资源，SN为Carrier-SDN网络上连接的服务器的总个数，NC为连接到Carrier-SDN网络的服务器集合，bw(i,j)为Carrier-SDN网络中传输链路(i,j)的剩余带宽资源，N为CarrierSDN网络中传输链路总个数，LC为Carrier-SDN网络中传输链路集合。
所述wn和wl的取值为1.5～2.5。
所述二值约束条件包括：
1)虚拟节点只能从一个连接到Carrier-SDN的服务器上迁移到其它服务器上；
2)虚拟链路只能从一条由Carrier-SDN传输链路组成的路径上迁移到其它传输链路组成的路径上；
3)当同一个虚拟网络中任意两个虚拟节点之间有链路，则这两个虚拟节点不能映射在同一个服务器上；
以及，4)一个虚拟节点只能映射到一个服务器上。
所述基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略包括以下步骤：
1.1)首先对某瓶颈节点上承载的虚拟节点按照其所占用的计算资源从大到小进行排序，再按照该排序将虚拟节点依次从瓶颈节点迁移到能够满足虚拟节点的资源需求且能使Carrier-SDN网络计算资源不均衡度最小的服务器上，当整个Carrier-SDN网络的计算资源不均衡度不再减小，停止该瓶颈节点上承载的剩余虚拟节点的迁移；
1.2)针对其它瓶颈节点重复步骤1.1)的过程，直至消除Carrier-SDN网络中出现的瓶颈节点，使得各服务器上的剩余计算资源均匀分布；
所述基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略包括以下步骤：
2.1)首先对某瓶颈链路上承载的虚拟链路按照其所占用的带宽资源从大到小进行排序，然后按照该排序将虚拟链路依次从瓶颈链路上迁移到能够满足虚拟链路资源需求且能使Carrier-SDN网络带宽资源不均衡度最小的路径上，当整个Carrier-SDN网络的带宽资源不均衡度不再减小，停止该瓶颈链路上承载的剩余虚拟链路的迁移；
2.2)针对其它瓶颈链路重复步骤2.1)的过程，直至消除Carrier-SDN网络中出现的瓶颈链路，使得各路径上的剩余带宽资源均匀分布。
所述计算资源不均衡度定义为连接至Carrier-SDN网络的服务器上的剩余计算资源的标准方差：
Figure GDA0002221253390000041
其中，DN为计算资源不均衡度，com(i)为连接至Carrier-SDN网络的服务器i上的剩余计算资源，SN为Carrier-SDN网络上连接的服务器的总个数，NC为连接到Carrier-SDN网络的服务器集合；
所述带宽资源不均衡度定义为Carrier-SDN网络中传输链路的剩余带宽资源的标准方差：
Figure GDA0002221253390000042
其中，DL为带宽资源不均衡度，bw(i,j)为Carrier-SDN网络中传输链路(i,j)的剩余带宽资源，N为Carrier-SDN网络中传输链路总个数，LC为Carrier-SDN网络中传输链路集合。
所述联合虚拟节点和虚拟链路的迁移策略具体包括以下步骤：
3.1)计算瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值wnr和wlr：
3.2)根据实际瓶颈值，确定贪婪算法实施的对象：若瓶颈节点的实际瓶颈值高，则在瓶颈节点上实施贪婪算法，对瓶颈节点承载的虚拟节点按照其所占用的计算资源从大到小进行排序，若瓶颈链路实际瓶颈值高，则在瓶颈链路上实施贪婪算法，对瓶颈链路承载的虚拟链路按照其所占用的带宽资源从大到小进行排序；
3.3)依次从瓶颈节点和瓶颈链路选择虚拟节点和对应相连的虚拟链路或虚拟链路和对应相连的虚拟节点，迁移至能够满足联合迁移的虚拟节点和虚拟链路的资源需求且能使Carrier-SDN网络联合资源不均衡度最小的服务器和对应相连的路径上；
3.4)当整个Carrier-SDN网络的联合资源不均衡度不再减小，转步骤3.5)；
3.5)重复步骤3.1)至步骤3.4)，直至消除Carrier-SDN网络中所有相连的瓶颈节点和瓶颈链路；
所述联合资源不均衡度定义为：
Figure GDA0002221253390000043
其中，DU为联合资源不均衡度。
所述映射路径重路由策略包括以下情形：
1)对由瓶颈节点迁移的虚拟节点与未迁移的虚拟节点之间的虚拟链路，或者是同时迁移的虚拟节点之间的虚拟链路进行重路由；
2)对由瓶颈链路迁移的虚拟链路进行重路由；
3)对由瓶颈节点和瓶颈链路联合迁移的虚拟节点和虚拟链路进行重路由；
所述的情形1)使用改进Dijkstra算法对迁移的虚拟节点所映射的路径进行选择：该改进的Dijkstra算法对Dijkstra算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值；
所述的情形2)包括以下步骤：
1)使用改进K最短路径算法，以瓶颈链路两端点为源节点和目的节点进行路径选择，选择出前K条最短路径，当源节点和目的节点的路径数目小于K时，则根据路径数目尽可能选择最多；该改进K最短路径算法将K最短路径算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值；
2)在所选择得到的路径中，以能够满足被迁移虚拟链路的带宽需求和使带宽资源不均衡度最小为目标进行路径确定，并将虚拟链路迁移到该路径上；
所述的情形3)使用改进Dijkstra算法对与瓶颈链路相连的迁移的虚拟节点所映射的路径进行选择：该改进的Dijkstra算法对Dijkstra算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值。
对于以上任意情形，当所选择得到的路径的剩余带宽资源不能满足需要迁移的虚拟链路的带宽请求时，计算瓶颈节点对应的Carrier-SDN底层光传输网络光交换机之间的直通光路，根据计算得到的直通光路在Carrier-SDN上层分组交换网中建立新的传输链路，将虚拟链路从瓶颈链路迁移到该传输链路上。
所述虚拟网络重配置方法还包括以下步骤：根据虚拟网络重配置代价，确定下一次启动虚拟网络重配置动作的时间间隔。
本发明的有益效果体现在：
首先，由基于反馈的虚拟网络触发机制确定启动虚拟网络重配置动作的时机；其次，应用基于贪婪算法的资源守恒虚拟节点迁移策略，将虚拟节点从瓶颈节点上迁移到其它的服务器上，消除Carrier-SDN中的瓶颈节点；或者应用基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略，将虚拟链路从瓶颈链路上迁移到其它路径上，消除Carrier-SDN中的瓶颈链路；或者是使用联合迁移的方式，将瓶颈节点和瓶颈链路的虚拟节点和虚拟链路进行联合迁移，以同时消除Carrier-SDN中的瓶颈节点和瓶颈链路；然后应用重路由策略，对虚拟链路映射路径重新规划。
本发明由于采取以上技术方案，所提的基于资源守恒的虚拟网络重配置方法与现有虚拟网络重配置策略相比，具有重配置响应速度快，配置效率高，对虚拟网络的抖动较小，服务质量较高的优点，同时能够使Carrier-SDN具有更高的虚拟请求接受率、更好的负载均衡性和更高的平均收益。
进一步的，通过定义联合资源不均衡度将相连的瓶颈节点和瓶颈链路迁移，1)能够增加迁移的效率，使用一次迁移(贪婪算法和映射路径规划算法只使用一次)同时解决相连的瓶颈节点和瓶颈链路的瓶颈问题；2)减少发生“跷跷板”现象的概率，即对瓶颈节点承载的虚拟节点进行迁移后，为虚拟链路重新规划路径时，会产生新的瓶颈链路。
进一步的，使用改进的Dijkstra和K最短路径算法，能够使选择出的映射路径跳数较少，并且组成路径的链路资源充足。跳数较少，可以节省Carrier-SDN网络链路的带宽资源；链路资源充足，能够增加路径规划成功的概率，当路径规划成功并且虚拟链路映射后，不至于使剩余资源过少而产生新的瓶颈链路。
附图说明
图1是基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略流程图。
图2是基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略流程图。
图3是联合节点和链路的重配置策略流程图。
图4是重路由映射路径规划策略流程图。
具体实施方式
为了使本发明的内容、效果以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明提出的基于资源守恒的虚拟网络重配置策略进行详细的描述。
(一)基于资源守恒的虚拟网络重配置策略架构
如图1所示，基于资源守恒的虚拟网络重配置策略主要包括基于反馈的虚拟网络重配置策略触发机制、瓶颈节点和瓶颈链路相互独立条件下虚拟节点或链路迁移策略、瓶颈节点和瓶颈链路相连条件下联合节点和链路的虚拟网络重配置策略以及重路由映射路径规划策略。
首先，由基于反馈的虚拟网络重配置策略触发机制确定启动虚拟网络重配置动作的时机：当G(NC,LC)中底层某节点出现瓶颈节点或底层某链路出现瓶颈链路时启动G(NV,LV)中虚拟节点或虚拟链路的重配置；
其中：
(1)瓶颈节点的判定条件：
Figure GDA0002221253390000071
(2)瓶颈链路的判定条件：
Figure GDA0002221253390000072
然后，在满足资源约束和二值约束条件下，重配置已经成功映射在Carrier-SDN中的虚拟网络，如果承载虚拟节点的瓶颈节点相连的链路不是瓶颈链路，虚拟节点重配置与虚拟链路重配置可以独立进行，将虚拟节点从原承载服务器迁移到目标服务器，或者将虚拟链路从原承载路径迁移到目标承载路径上；否则，执行虚拟节点和虚拟链路联合迁移的策略；
其中：
(1)虚拟网络重配置包括虚拟节点迁移和虚拟链路迁移，如下所示：
VNR＝Mig(node)+Mig(link) (2-1)
Mig(node)指虚拟节点迁移，Mig(link)指虚拟链路迁移；
虚拟节点迁移是指将映射在连接到Carrier-SDN的服务器i上的虚拟节点u迁移到服务器i'上，如下所示：
Figure GDA0002221253390000075
虚拟链路迁移是指将映射在由Carrier-SDN传输链路(i,j)组成的路径上的虚拟链路(u,v)迁移到包括传输链路(i',j')的路径上，如下所示：
Figure GDA0002221253390000073
(2)二值约束条件
虚拟节点只能从一个连接到Carrier-SDN的服务器上迁移到其它服务器上，即：
Figure GDA0002221253390000074
虚拟链路只能从一条由Carrier-SDN传输链路组成的路径上迁移到其它传输链路组成的路径上，即：
Figure GDA0002221253390000081
当同一个虚拟网络中任意两个虚拟节点之间有链路，则这两个虚拟节点不能映射在同一个服务器上，即：
Figure GDA0002221253390000082
一个虚拟节点只能映射到Carrier-SDN的一个服务器上，即：
(3)具体流程
判断瓶颈节点和瓶颈链路是否相连，如果不相连，应用基于贪婪算法的资源守恒虚拟节点迁移策略，将虚拟节点从瓶颈节点上迁移到其它的服务器上，消除Carrier-SDN中的瓶颈节点，或者应用基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略，将虚拟链路从瓶颈链路上迁移到其它路径上，消除Carrier-SDN中的瓶颈链路；如果瓶颈节点和瓶颈链路相连，根据资源实际不均衡权重，即瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值wnr和wlr，应用贪婪算法实施于瓶颈节点或瓶颈链路，再使用联合迁移的方式迁移节点和链路；
瓶颈程度的判定条件为：若wnr较小则表示节点瓶颈程度高，若wlr较小则表示链路瓶颈程度高，若wnr和wlr相等，则节点和链路的瓶颈程度相同；
Figure GDA0002221253390000084
Figure GDA0002221253390000085
应用重路由策略，对虚拟链路映射路径重新规划后，根据Carrier-SDN服务提供商所要求的虚拟网络重配置代价，调整瓶颈节点和瓶颈链路的判断权值wn和wl(两个判断权值取值范围均为1.5～2.5，权值越小，迁移的频率越大，底层负载越均衡，但迁移的代价越高)，从而确定下一次启动基于资源守恒的虚拟网络重配置策略的时间间隔。
(二)基于资源守恒的虚拟网络重配置策略算法实例
(1)基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略
参见图1，具体流程描述如下：
Step 1：对一个瓶颈节点上承载的虚拟节点，按照其占用的计算资源从大到小进行排序，构建瓶颈节点
Figure GDA0002221253390000091
上承载的虚拟节点集合；
Step 2：按照瓶颈节点上虚拟节点集合中虚拟节点的顺序，搜索剩余计算资源满足虚拟节点
Figure GDA0002221253390000092
的资源请求，且以虚拟节点迁移后，使Carrier-SDN上计算资源不均衡度最小的服务器为虚拟节点
Figure GDA0002221253390000093
迁移的目标服务器；
Step 3：目标服务器搜索成功，则将虚拟节点
Figure GDA0002221253390000094
迁移到目标服务器上，转Step4，否则虚拟节点
Figure GDA0002221253390000095
迁移失败，转Step 2；
Step 4：计算虚拟节点迁移后，当前Carrier-SDN的计算资源不均衡度：
Figure GDA0002221253390000096
当迁移的虚拟节点超过1个时，如果此时的计算资源不均衡度大于迁移前一个虚拟节点后的计算资源不均衡度，转Step 6；否则，转Step 5；
Step 5：对于一个确定的瓶颈节点，如果被迁移的虚拟节点个数大于承载在该瓶颈节点上的虚拟节点的总个数M，转Step 6；否则，转Step 2；
Step 6：瓶颈节点
Figure GDA0002221253390000097
上的虚拟节点迁移完成，转Step 7；
Step 7：如果已经完成虚拟节点迁移的瓶颈节点个数大于Carrier-SDN中瓶颈节点的总数J，转Step 8；否则，转Step 1；
Step 8：完成Carrier-SDN中虚拟节点迁移，实现基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略。
(2)基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略
参见图2，具体的流程描述如下：
Step 1：对一个瓶颈链路上承载的虚拟链路，按照其占用的带宽资源从大到小进行排序，构建瓶颈链路
Figure GDA0002221253390000098
上承载的虚拟链路集合；
Step 2：按照瓶颈链路上虚拟链路集合中虚拟链路的顺序，搜索剩余带宽资源满足虚拟链路的资源请求，且以虚拟链路迁移后，使Carrier-SDN上带宽资源不均衡度最小的路径为虚拟链路迁移的目标路径；
Step 3：目标路径搜索成功，则将虚拟链路
Figure GDA00022212533900000911
迁移到目标路径上，转Step4，否则虚拟链路迁移失败，转Step 2；
Step 4：计算虚拟链路迁移后，当前Carrier-SDN的带宽资源不均衡度：
Figure GDA0002221253390000101
当迁移的虚拟链路超过1条时，如果此时的带宽资源不均衡度大于迁移前一个虚拟链路后的带宽资源不均衡度，转Step 6；否则，转Step 5；
Step 5：对于一个确定的瓶颈链路，如果被迁移的虚拟链路个数大于承载在该瓶颈链路上的虚拟链路的总个数N，转Step 6；否则，转Step 2；
Step 6：瓶颈链路
Figure GDA0002221253390000102
上的虚拟链路迁移完成，转Step 7；
Step 7：如果已经完成虚拟链路迁移的瓶颈链路个数大于Carrier-SDN中瓶颈链路的总数K，转Step 8；否则，转Step 1；
Step 8：完成Carrier-SDN中虚拟链路迁移，实现基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略。
(3)联合瓶颈节点和瓶颈链路上的虚拟节点与虚拟链路的迁移
参见图3，具体流程如下所示：
Step1：对一个联合瓶颈节点和瓶颈链路(即承载虚拟节点的瓶颈节点相连的链路是瓶颈链路)，分别计算瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值；
Step2：比较两个实际瓶颈值的大小，若瓶颈节点的实际瓶颈值wnr大，则执行Step3；若瓶颈链路的实际瓶颈值wlr大，则执行Step4；
Step 3：对联合瓶颈节点和瓶颈链路上承载的虚拟节点和虚拟链路，按照其虚拟节点占用的计算资源从大到小进行排序，构建瓶颈节点
Figure GDA0002221253390000103
上承载的虚拟节点集合，转Step5；
Step 4：对联合瓶颈节点和瓶颈链路上承载的虚拟节点和虚拟链路，按照其虚拟链路占用的带宽资源从大到小进行排序，构建瓶颈链路
Figure GDA0002221253390000104
上承载的虚拟链路集合，转Step5；
Step 5：按照瓶颈节点上虚拟节点集合中虚拟节点的顺序或者瓶颈链路上虚拟链路集合中虚拟链路的顺序，搜索剩余计算资源和带宽资源满足虚拟节点
Figure GDA0002221253390000105
和虚拟链路
Figure GDA0002221253390000106
的资源请求，且以迁移后，使Carrier-SDN上联合资源不均衡度最小为虚拟链路
Figure GDA0002221253390000107
和
Figure GDA0002221253390000108
迁移的目标；
Step 6：目标服务器和路径搜索成功，则将虚拟节点
Figure GDA0002221253390000109
和虚拟链路
Figure GDA00022212533900001010
迁移到目标上，转Step 7，否则虚拟节点
Figure GDA0002221253390000111
和虚拟链路
Figure GDA0002221253390000112
迁移失败，转Step 2；
Step 7：计算联合迁移后，当前Carrier-SDN的联合资源不均衡度：
Step8：当迁移的虚拟节点和虚拟链路超过1个时，如果此时的联合资源不均衡度大于迁移前一个虚拟节点和虚拟链路后的联合资源不均衡度，转Step 10；否则，转Step 9；
Step 9：对于一个确定的联合瓶颈节点和瓶颈链路，如果被联合迁移的虚拟节点和虚拟链路个数大于承载在该瓶颈链路上的虚拟链路的总个数N，转Step 10；否则，转Step2；
Step 10：联合瓶颈节点和瓶颈链路迁移完成，转Step 7；
Step 11：如果已经完成虚拟节点和虚拟链路迁移的联合瓶颈节点和瓶颈链路个数大于Carrier-SDN中瓶颈链路的总数K，转Step 11；否则，转Step 1；
Step 12：完成Carrier-SDN中虚拟节点和虚拟链路联合迁移，实现基于贪婪算法的联合迁移策略。
(4)重路由映射路径规划策略
参见图4，具体流程如下所示：
重路由映射路径规划策略是对瓶颈节点上的虚拟节点进行迁移后，或者对瓶颈链路的虚拟链路进行迁移中，或者是对联合瓶颈节点和瓶颈链路进行迁移后虚拟链路的映射路径进行重新规划。
Step1：判断映射路径规划的类型，如果是对瓶颈节点上虚拟节点进行迁移，则执行Step2，如果是对瓶颈链路上虚拟链路进行迁移，则执行Step3，如果是对联合瓶颈节点和瓶颈链路进行迁移，则执行Step4；
Step2：确定迁移的虚拟节点与未迁移的虚拟节点之间的路径，或同时迁移的虚拟节点之间的路径，利用改进的Dijkstra算法进行映射路径的重新选择；
Step3：确定迁移的虚拟链路的映射路径，以瓶颈节点链路的两个端点为源节点和目的节点，使用改进K最短路径算法进行映射路径的重新选择；
Step4：确定联合迁移的虚拟节点和虚拟链路，使用改进Dijkstra算法对与瓶颈链路相连的迁移或未迁移的虚拟节点所映射的路径进行选择；
Step5：当所得的Carrier-SDN路径的剩余带宽资源不能满足需要迁移的虚拟链路的带宽请求时，计算瓶颈节点对应的Carrier-SDN底层光传输网络光交换机之间的直通光路，根据计算得到的直通光路在Carrier-SDN上层分组交换网中建立新的传输链路，将虚拟链路从瓶颈链路迁移到该传输链路上；
Step6：将对应的虚拟链路映射到规划好的路径上。
(三)符号说明
表1.虚拟网络重配置相关符号定义
表2.基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略中涉及的符号
Figure GDA0002221253390000131
表3.基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略中涉及的符号
Figure GDA0002221253390000132
总之，本发明公开了一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，利用网络虚拟化和软件定义网络的技术，针对Carrier-SDN的结构僵化问题以及虚拟网络初次配置造成的底层网络资源不均衡问题，提出了Carrier-SDN中基于资源守恒的虚拟网络重配置策略。该策略主要包括了基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略、基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略、实施重路由的映射路径规划虚拟链路迁移策略和基于反馈的虚拟网络触发机制。由于虚拟网络请求中，虚拟节点之间通过虚拟链路相互连接，因此需要联合考虑虚拟节点迁移和虚拟链路迁移。本发明提出的虚拟网络重配置策略基于资源守恒的思想，与现有虚拟网络重配置策略相比，具有重配置响应速度快，配置效率高，对虚拟网络的抖动较小，服务质量较高的优点，改善了Carrier-SDN虚拟网络的负载均衡性、提高了虚拟网络请求接受率和Carrier-SDN网络平均收益，提高网络的稳定性，减少了底层网络资源的开销。

Claims (9)

1.一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：该虚拟网络重配置方法包括以下步骤：
首先确定启动虚拟网络重配置动作的时机：当Carrier-SDN底层出现瓶颈节点或瓶颈链路时启动映射在该Carrier-SDN网络的虚拟网络的重配置动作；然后在满足资源守恒约束和二值约束条件下，如果瓶颈节点和瓶颈链路不相连，应用基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略将虚拟节点从原承载服务器迁移到目标承载服务器，消除Carrier-SDN网络中的瓶颈节点，或者应用基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略，将虚拟链路从原承载路径迁移到目标承载路径上，消除Carrier-SDN网络中的瓶颈链路，如果瓶颈节点和瓶颈链路相连，应用联合虚拟节点和虚拟链路的迁移策略，首先根据瓶颈程度在瓶颈节点及瓶颈链路上应用贪婪算法搜索虚拟节点或虚拟链路，然后采用联合迁移的方式，将对应相连的虚拟节点和虚拟链路从原承载服务器和路径迁移至目标承载服务器和路径上；在虚拟节点迁移后、虚拟链路迁移过程中以及虚拟节点和虚拟链路联合迁移后应用映射路径重路由策略对映射路径进行规划；
所述映射路径重路由策略包括以下情形：
1)对由瓶颈节点迁移的虚拟节点与未迁移的虚拟节点之间的虚拟链路，或者是同时迁移的虚拟节点之间的虚拟链路进行重路由；
2)对由瓶颈链路迁移的虚拟链路进行重路由；
3)对由瓶颈节点和瓶颈链路联合迁移的虚拟节点和虚拟链路进行重路由；
所述的情形1)使用改进Dijkstra算法对迁移的虚拟节点所映射的路径进行选择：该改进的Dijkstra算法对Dijkstra算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值；
所述的情形2)包括以下步骤：
1)使用改进K最短路径算法，以瓶颈链路两端点为源节点和目的节点进行路径选择，选择出前K条最短路径，当源节点和目的节点的路径数目小于K时，则根据路径数目尽可能选择最多；该改进K最短路径算法将K最短路径算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值；
2)在所选择得到的路径中，以能够满足被迁移虚拟链路的带宽需求和使带宽资源不均衡度最小为目标进行路径确定，并将虚拟链路迁移到该路径上；
所述的情形3)使用改进Dijkstra算法对与瓶颈链路相连的迁移的虚拟节点所映射的路径进行选择：该改进的Dijkstra算法对Dijkstra算法中链路的权值进行重定义，即将底层链路剩余带宽的倒数作为权值。
2.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：
所述瓶颈节点的判定条件为：
Figure FDA0002221253380000021
瓶颈链路的判定条件为：
Figure FDA0002221253380000022
瓶颈程度的判定条件为：若wnr较小则表示节点瓶颈程度较高，若wlr较小则表示链路瓶颈程度高，若wnr和wlr相等，则节点和链路的瓶颈程度相同；
Figure FDA0002221253380000023
Figure FDA0002221253380000024
其中，wn和wl为调整瓶颈节点和瓶颈链路的判断权值，wnr和wlr为瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值，com(i)为连接至Carrier-SDN网络的服务器i上的剩余计算资源，SN为Carrier-SDN网络上连接的服务器的总个数，NC为连接到Carrier-SDN网络的服务器集合，bw(i,j)为Carrier-SDN网络中传输链路(i,j)的剩余带宽资源，N为CarrierSDN网络中传输链路总个数，LC为Carrier-SDN网络中传输链路集合。
3.根据权利要求2所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述wn和wl的取值为1.5～2.5。
4.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述二值约束条件包括：
1)虚拟节点只能从一个连接到Carrier-SDN的服务器上迁移到其它服务器上；
2)虚拟链路只能从一条由Carrier-SDN传输链路组成的路径上迁移到其它传输链路组成的路径上；
3)当同一个虚拟网络中任意两个虚拟节点之间有链路，则这两个虚拟节点不能映射在同一个服务器上；
以及，4)一个虚拟节点只能映射到一个服务器上。
5.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述基于贪婪算法的虚拟节点迁移策略包括以下步骤：
1.1)首先对某瓶颈节点上承载的虚拟节点按照其所占用的计算资源从大到小进行排序，再按照该排序将虚拟节点依次从瓶颈节点迁移到能够满足虚拟节点的资源需求且能使Carrier-SDN网络计算资源不均衡度最小的服务器上，当整个Carrier-SDN网络的计算资源不均衡度不再减小，停止该瓶颈节点上承载的剩余虚拟节点的迁移；
1.2)针对其它瓶颈节点重复步骤1.1)的过程，直至消除Carrier-SDN网络中出现的瓶颈节点，使得各服务器上的剩余计算资源均匀分布；
所述基于贪婪算法的虚拟链路迁移策略包括以下步骤：
2.1)首先对某瓶颈链路上承载的虚拟链路按照其所占用的带宽资源从大到小进行排序，然后按照该排序将虚拟链路依次从瓶颈链路上迁移到能够满足虚拟链路资源需求且能使Carrier-SDN网络带宽资源不均衡度最小的路径上，当整个Carrier-SDN网络的带宽资源不均衡度不再减小，停止该瓶颈链路上承载的剩余虚拟链路的迁移；
2.2)针对其它瓶颈链路重复步骤2.1)的过程，直至消除Carrier-SDN网络中出现的瓶颈链路，使得各路径上的剩余带宽资源均匀分布。
6.根据权利要求5所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述计算资源不均衡度定义为连接至Carrier-SDN网络的服务器上的剩余计算资源的标准方差：
Figure FDA0002221253380000031
其中，DN为计算资源不均衡度，com(i)为连接至Carrier-SDN网络的服务器i上的剩余计算资源，SN为Carrier-SDN网络上连接的服务器的总个数，NC为连接到Carrier-SDN网络的服务器集合；
所述带宽资源不均衡度定义为Carrier-SDN网络中传输链路的剩余带宽资源的标准方差：
Figure FDA0002221253380000032
其中，DL为带宽资源不均衡度，bw(i,j)为Carrier-SDN网络中传输链路(i,j)的剩余带宽资源，N为Carrier-SDN网络中传输链路总个数，LC为Carrier-SDN网络中传输链路集合。
7.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述联合虚拟节点和虚拟链路的迁移策略具体包括以下步骤：
3.1)计算瓶颈节点和瓶颈链路的实际瓶颈值wnr和wlr：
Figure FDA0002221253380000041
Figure FDA0002221253380000042
其中，com(i)为连接至Carrier-SDN网络的服务器i上的剩余计算资源，SN为Carrier-SDN网络上连接的服务器的总个数，NC为连接到Carrier-SDN网络的服务器集合，bw(i,j)为Carrier-SDN网络中传输链路(i,j)的剩余带宽资源，N为CarrierSDN网络中传输链路总个数，LC为Carrier-SDN网络中传输链路集合；
3.2)根据实际瓶颈值，确定贪婪算法实施的对象：若瓶颈节点的实际瓶颈值高，则在瓶颈节点上实施贪婪算法，对瓶颈节点承载的虚拟节点按照其所占用的计算资源从大到小进行排序，若瓶颈链路实际瓶颈值高，则在瓶颈链路上实施贪婪算法，对瓶颈链路承载的虚拟链路按照其所占用的带宽资源从大到小进行排序；
3.3)依次从瓶颈节点和瓶颈链路选择虚拟节点和对应相连的虚拟链路或虚拟链路和对应相连的虚拟节点，迁移至能够满足联合迁移的虚拟节点和虚拟链路的资源需求且能使Carrier-SDN网络联合资源不均衡度最小的服务器和对应相连的路径上；
3.4)当整个Carrier-SDN网络的联合资源不均衡度不再减小，转步骤3.5)；
3.5)重复步骤3.1)至步骤3.4)，直至消除Carrier-SDN网络中所有相连的瓶颈节点和瓶颈链路；
所述联合资源不均衡度定义为：
Figure FDA0002221253380000043
其中，DU为联合资源不均衡度。
8.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：对于所述映射路径重路由策略包括的情形，当所选择得到的路径的剩余带宽资源不能满足需要迁移的虚拟链路的带宽请求时，计算瓶颈节点对应的Carrier-SDN底层光传输网络光交换机之间的直通光路，根据计算得到的直通光路在Carrier-SDN上层分组交换网中建立新的传输链路，将虚拟链路从瓶颈链路迁移到该传输链路上。
9.根据权利要求1所述一种基于资源守恒的虚拟网络重配置方法，其特征在于：所述虚拟网络重配置方法还包括以下步骤：根据虚拟网络重配置代价，确定下一次启动虚拟网络重配置动作的时间间隔。
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