CN108156041B - 一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，属于光纤通信技术领域。该方法设计物理节点资源评估排序方法，避免相邻虚拟节点映射的物理节点之间距离太远；当网络存在满足安全性和虚拟请求要求的单链路时，采用安全性感知的路由策略，选择路径频谱资源均衡的链路映射机制，最小化物理瓶颈链路数目；当网络不存在满足业务的安全性的单链路时，采用路径分割传输机制，更新链路代价函数，选择满足业务安全性和资源需求的较少分割路径组合传输业务，提高虚拟网络请求的接受率。本发明能够在网络概率故障环境中降低带宽阻塞率，提高频谱资源利用率和虚拟光网络接受率。

Description

一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法。

背景技术

近年来，随着云计算、数据中心网络的快速发展，海量信息的交换，传统的带宽固定、调制格式单一的波分复用网络面临着严峻的挑战。因此在此基础上，设计一个具有更大容量且灵活的网络架构十分必要。基于正交频分复用的弹性光网络通过在光域中使用更细粒度的子载波(如12.5GHz或6.25GHz)承载网络业务，并且引入带宽可变的光器件和智能的光交换机制，使其更加灵活地配置网络资源，显著提高了网络资源利用率，因此被认为是一种能支持大业务成功传输的网络。与此同时，网络虚拟化技术作为一项新技术允许多个逻辑上隔离的虚拟网络共存在同一个底层网络上，通过共享网络资源，提高固有资源的利用率，并促进物理设备共享且能够为用户提供多样化的服务。

然而，为虚拟网络分配底层网络资源即虚拟网络映射，具有很强的挑战性，其涉及到虚拟网络对底层网络拓扑、资源消耗以及位置等多重约束，需要大量的计算才可以解决问题。并且由于弹性光网络中路由与频谱分配需遵循严格的频谱约束条件，即频谱一致性、频谱连续性以及频谱不重叠，因此如何为虚拟网络提供合理的底层网络资源，目前已证明是NP难问题。由于底层网络的链路故障会导致大量正在传输业务的中断、数据丢失，从而影响虚拟网络映射，因此如何保障虚拟网络的可靠映射十分有必要。

由于差异化业务对安全性的不同要求，传统的链路映射优先选择安全性高的路径进行链路映射，这样可能导致网络资源使用不均衡产生瓶颈链路，且随着虚拟网络请求负载的增加，由于频谱分配过程受到频谱连续性和一致性的约束，虚拟链路很难映射成功。并且将链路的安全度数作为链路代价，在链路映射中优先选择了安全性较高的链路映射，这样会导致安全性较高的光纤链路上的频谱资源使用频繁甚至紧缺，从而造成链路映射过程中的频谱分配失败问题，若选择安全性相对较低的路径进行映射则要承担较高的故障风险和业务损失。因此，亟需一种能降低网络中的阻塞率，同时能提高资源的利用率和虚拟网络接受率的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，降低网络中的阻塞率，提高资源的利用率和虚拟网络接受率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，该方法在节点映射过程中，设计物理节点资源评估公式，避免相邻虚拟节点映射到两个位置相距远的物理节点上；在链路映射过程中，分别采用基于路径均衡的单路径路由频谱分配方法和基于时延差优化的多路径路由频谱分配方法，降低带宽阻塞率，提高频谱资源利用率和虚拟光网络接受率；

该方法具体包括以下步骤：

S1：根据资源评估公式计算物理节点的资源值作为节点的权重，并按权重降序排序节点，根据资源需求公式计算虚拟节点的权重并按降序排序，将所有虚拟节点依次映射在满足计算资源的物理节点上；

S2：完成所有虚拟节点的映射后，根据被映射的物理节点位置，依次为每条虚拟链路选择K条最短候选路径，即物理节点对之间的K条最短候选路径，并根据安全性计算公式计算每一条候选路径的安全性，判断每一条候选路径的安全性是否大于等于业务对安全性的需求；

S3：根据满足安全性要求的候选路径，进一步判断候选路径是否存在大于或等于业务需求频隙数的频谱块，更新候选路径集合，删除不满足频隙数目要求的候选路径，保留满足频隙数目要求的候选路径；

S4：若候选路径集合不为空，计算集合中每一条候选路径的路径均衡度，选择路径均衡度最大的路径进行虚拟链路映射，然后按照首次命中的频谱分配方式分配频谱；若候选路径集合为空，对满足安全性的候选路径进行两两组合，根据目标优化函数选出最佳路径组合进行虚拟链路映射，然后分配频谱。

进一步，所述步骤S1具体通过以下方式实现：

将虚拟节点按照以下公式计算并排序：

其中，H(n^V)表示虚拟节点n^V权重的计算公式，e^V表示虚拟节点n^V的邻接链路，E^V表示虚拟节点n^V的邻接链路集合，

为虚拟节点n^V的计算资源需求，

为虚拟节点n^V的邻接链路e^V对带宽需求；

其中，H(n^S)表示物理节点n^S权重的计算公式，E表示物理节点n^S的邻接链路集合，N表示已经被映射的物理节点集合，

表示链路e_mn上空闲频隙数，hop表示节点n^S与已经映射的物理节点i之间路径的最小跳数；由于映射第一个虚拟节点时，集合N为空，为了避免分母为0，在映射第一个虚拟节点时hop取1；

将排好序的虚拟节点依次映射在排好序且满足虚拟节点计算资源的物理节点上。

进一步，所述步骤S2具体通过以下方式实现：在完成所有虚拟节点映射后，首先通过最短路径算法寻找候选的映射路径，通过安全性计算公式计算每一条路径上的安全性，判断是否满足业务的安全性要求，然后检查满足安全性要求的路径上是否有空闲频谱块，并且其大小相等或大于虚拟链路请求的频隙数；

通过以下公式计算和判断：

安全性计算公式：

判断方法：

其中，

表示路径p_mn的安全性，p_mn表示物理节点m,n之间的路径，

表示链路e_mn的安全性，

表示链路e_ij的安全性，e_mn代表组成m到n路径上的链路。

进一步，所述步骤S4具体通过以下方式实现：

若存在满足业务大小的频隙数，采用基于路径均衡度感知的路由与频谱分配方法，更新候选路径集合，计算网络的链路频隙利用率，并计算每一条候选路径的路径均衡度，选择路径均衡度最高的路径进行映射和频谱分配；

若不存在满足业务大小的频隙数，则采用基于时延优化的多路径路由频谱分配方法，通过频谱消耗和安全性，更新链路代价函数，两两组合候选路径，根据优化目标函数，选择较优的多路径组合映射和频谱分配。

进一步，所述的基于时延优化的多路径路由频谱分配方法具体通过以下方式实现：

更新链路代价函数，其中α为调节因子，用于平衡负载与链路安全性，

表示链路e_mn的安全性，

表示链路e_mn上空闲频隙数，

表示更新的链路e_mn代价值，FS_num表示物理链路上总频隙数；

所述的路径均衡度计算公式如下：

其中，

为链路e_mn的带宽利用率式，

为链路平均带宽利用率，P_num表示组成路径的链路条数，

表示路径P_num的路径均衡度；通过路径均衡度的计算公式，选择其值最大的路径进行映射；所述目标优化函数为：

其中，

H_Pi和H_Pj表示路径Pi和路径Pj的跳数，

表示虚拟链路e^V所需的频隙数目，k₁和k₂为调节因子，用于调节路径时延差和频隙消耗，

表示链路e_mn的物理距离，

表示链路e_xy的物理距离。

本发明的有益效果在于：本发明在节点映射过程中，通过设计物理节点的资源评估公式，避免相邻虚拟节点映射到两个位置相距远的物理节点上，浪费频谱资源；在链路映射过程中，采用了安全性感知的链路映射机制，包括基于路径均衡的单路径路由频谱分配策略和基于时延优化的多路径路由频谱分配策略，降低带宽阻塞率，同时也提高了网络的频谱资源利用率和虚拟网络接受率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为弹性光网络拓扑和虚拟网络请求；

图2为弹性光网络频隙资源使用示意图；

图3为虚拟网络请求的虚拟节点映射结果示意图；

图4为链路映射的路由选择示意图；

图5为一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，如图5所示，在虚拟网络请求到来时，首先根据虚拟业务的虚拟节点资源需求公式对虚拟节点排序，并根据底层物理节点资源评估公式对物理节点排序，依次对虚拟节点映射。若虚拟节点没有全部映射成功，则阻塞该虚拟网络请求；若虚拟节点映射全部成功，根据虚拟节点映射的情况，寻找对应的物理节点对之间的K条路径，根据安全性大小对K条路径降序排序，并判断每一条路径的安全性是否满足虚拟链路对安全性的要求。对满足安全性的路径放入候选路径集合中，继而判断该集合中的路径上是否存在频谱块大于或等于虚拟链路请求的频隙数，如果存在，则计算这些路径的路径均衡度，选择路径均衡度最大的路径进行虚拟链路映射，以此减少网络中重载链路数；如果不存在，将候选路径集合里的路径进行两两组合，根据目标优化函数，即综合考虑了频谱消耗和时延差，计算不用路径组合的优化目标函数，选择优化目标函数小的组合对虚拟链路进行路径分割传输。本发明提供的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法可以降低网络中的带宽阻塞率，提高网络中的资源利用率和虚拟网络接受率。

实施例：

如附图1所示的两种网络拓扑，图1(a)表示的是弹性光网络拓扑图，链路上的两个数字分别代表链路的安全性和物理距离，节点上的数字表示的是该节点连接的数据中心所具有的计算资源的大小。图1(b)表示的是一个虚拟网络请求，它由三个节点和两条链路组成，链路上的数字分别代表对映射的物理链路的安全性最低要求和对底层物理链路频隙数的要求，节点旁边的数字表示虚拟节点对数据中心处计算资源请求的大小，分别为：3,4,5。结合该示例说明本发明所述方法中的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法。

首先根据公式(1)对虚拟节点排序，虚拟节点的权重分别为H(A)＝6，H(B)＝24，H(C)＝20，因此排列顺序为：B,C,A。此时物理网络中每条链路的频谱资源使用情况如附图2所示，为了简化过程，这里只列举物理节点1，物理节点2和物理节点3相邻链路的频谱使用情况，根据公式(2)对物理节点排序，H(1)＝90，H(2)＝180，H(3)＝195，因此排列顺序为：3,2,1。结合虚拟节点的排列顺序，可以得出虚拟节点映射的结果为：B-3，C-2，A-1，如附图3所示。

式中e^V表示虚拟节点n^V的邻接链路，E^V表示链路e^V的集合，

为虚拟节点n^V的计算资源需求，

为链路e^V的带宽需求，式中E表示物理节点n^S的邻接链路集合，N表示已经被映射的物理节点集合，

表示链路e_mn上空闲频隙数，hop表示节点n^S与已经映射的物理节点i之间路径的最小跳数。由于映射第一个虚拟节点时，集合N为空，为了避免分母为0，在映射第一个虚拟节点时hop取1。

虚拟节点全部映射成功后，下一步对虚拟链路进行映射，在已经映射好的物理节点对之间寻找K条最短路径，对于虚拟链路A-B，在底层网络中计算K条最短路径即Pa(1-3)、Pb(1-2-3)、Pc(1-2-4-3)，通过式(3)对每一条候选路径的安全性分别进行计算，得出结果为：

由链路映射约束条件可知，只有路径Pa(1-3)满足虚拟链路A-B对安全性的要求，因此虚拟链路A-B选择Pa作为映射路径。

式中

表示路径p_mn的安全性，p_mn表示物理节点m,n之间的路径，e_mn代表组成m到n路径上的链路，

表示链路e_mn的安全性。

对虚拟链路B-C，K条最短路径分别为：P1(2-3)、P2(2-1-3)和P3(2-4-3)，如附图4所示，根据安全性计算公式可知，3条侯选路径的安全性分别为：98.5％，98.9％，99.8％，均可以为虚拟链路B-C提供安全性保障，因此3条路径都可以作为候选路径。接下来，通过计算不同路径的路径均衡度，如公式(4)(5)(6)，选择路径均衡度最大的路径作为虚拟链路映射的路径，从而可以减少网络中重载链路数。

式中，FS_num表示物理链路上总频隙数，

表示链路e_mn上空闲频隙数，

表示链路e_mn带宽利用率，

表示链路平均带宽利用率，L_num物理网络中链路的总数目，E^S表示物理链路集合,

表示路径P_num的路径均衡度，P_num表示组成路径的链路条数。

底层网络部分链路的频谱资源情况如附图2所示，虚拟链路B-C需要4个频隙，由于受到频谱连续性和一致性约束，虚拟链路上的业务因为候选路径上的频谱资源不足而被拒绝，本发明采用的多路径传输策略对3条候选路径进行两两组合，为了避免路径跳数过多导致频隙消耗过多，设计了公式(7)(8)，确定不同跳数的路径上所需的频隙数，而非采用传统的平均分配方式。

式中H_Pi和H_Pj表示路径Pi和路径Pj的跳数，

表示虚拟节点n^V的邻接链路e^V所需的频隙数目，k₁和k₂为调节因子，用于调节路径时延差和频隙消耗，

表示链路e_mn的物理距离，

表示链路e_xy的物理距离。

表1路由选择和频隙消耗

由表1可知，情形1和情形2所消耗的频隙数相同，针对目标优化函数，情形2中的距离差比情形1中的距离差更小，即情形2的目标优化值更小，即时延差和频隙消耗更少。因此虚拟链路B-C选择路径P1和路径P3进行映射，在最小化时延差的同时减少了频隙的使用，从而提高虚拟网络请求的接受率。

下面对本发明的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法进行更为详细的介绍，具体流程包括以下步骤：

S1：分别记录虚拟网络请求中的节点个数N和链路条数L，初始值n＝1,l＝1，根据节点权重公式对虚拟节点和物理节点排序，排序后的集合分别为VNR{v₁,v₂,...v_n...v_N}和SNR{s₁,s₂,...s_i...s_I}，虚拟链路按带宽需求大小排序VLR{vl₁,vl₂,...vl_l...vl_L}；

S2：判断s_i的计算资源是否大于v_n所需要的计算资源，若大于，则将v_n映射在s_i上；否则，i＝i+1，重复该步骤，若i>I，阻塞业务,并记录业务带宽大小；

S3：更新s_i的计算资源大小，并从VNR集合和SNR集合分别删除v_n和s_i，n＝n+1，若n>N，转至步骤S4；否则，转至步骤S2；

S4：将每条链路的安全性设置为链路代价函数，对第l条虚拟链路映射，根据Dijkstra算法计算K条路径，并根据安全性评估公式评估每条候选路径的安全性，若满足安全性约束，则记录该候选路径，转至步骤S5；否则，转至步骤S9；

S5：检查候选路径上每条链路的频谱使用情况，若存在空闲频谱块大于等于业务所需的频隙数目，则记录该候选路径，令m表示第m条候选路径，转至步骤S6；否则，转至步骤S7；

S6：根据路径均衡公式计算路径m的路径均衡度，并按降序排序，选择路径均衡度最大的路径进行链路映射以及频谱分配，更新虚拟链路集合，若集合为空，转至步骤S10；否则，转至步骤S4；

S7：更新链路代价，根据Dijkstra算法计算K条路径，将不同的路径进行两两组合，检查候选路径上每条链路的频谱使用情况，若存在满足的空闲频谱块，根据目标函数得出不同组合下优化目标值，选出优化目标最小的路径组合进行链路映射并分配频谱，转至步骤S8；否则，阻塞该业务；

S8：更新虚拟链路集合，若集合为空，转至步骤S10；否则，转至步骤S4；

S9：根据Dijkstra算法计算K条路径，按安全性降序排列，依次检查每条路径的可用频谱块，选择第一条满足频隙要求的路径映射，再次使用Dijkstra算法计算K条路径，找一条满足频谱要求的共享保护路径，转至步骤S8；若不存在，则阻塞该业务；

S10：算法结束。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，其特征在于，该方法在节点映射过程中，设计物理节点资源评估公式，避免相邻虚拟节点映射到两个位置相距远的物理节点上；在链路映射过程中，分别采用基于路径均衡的单路径路由频谱分配方法和基于时延差优化的多路径路由频谱分配方法，降低带宽阻塞率，提高频谱资源利用率和虚拟光网络接受率；

该方法具体包括以下步骤：

S1：根据资源评估公式计算物理节点的资源值作为节点的权重，并按权重降序排序节点，根据资源需求公式计算虚拟节点的权重并按降序排序，将所有虚拟节点依次映射在满足计算资源的物理节点上；

S2：完成所有虚拟节点的映射后，根据被映射的物理节点位置，依次为每条虚拟链路选择K条最短候选路径，即物理节点对之间的K条最短候选路径，并根据安全性计算公式计算每一条候选路径的安全性，判断每一条候选路径的安全性是否大于等于业务对安全性的需求；

S3：根据满足安全性要求的候选路径，进一步判断候选路径是否存在大于或等于业务需求频隙数的频谱块，更新候选路径集合，删除不满足频隙数目要求的候选路径，保留满足频隙数目要求的候选路径；

S4：若候选路径集合不为空，计算集合中每一条候选路径的路径均衡度，选择路径均衡度最大的路径进行虚拟链路映射，然后按照首次命中的频谱分配方式分配频谱；若候选路径集合为空，对满足安全性的候选路径进行两两组合，根据目标优化函数选出最佳路径组合进行虚拟链路映射，然后分配频谱；具体通过以下方式实现：

若候选路径集合不为空，即存在满足业务大小的频隙数，采用基于路径均衡度感知的路由与频谱分配方法，更新候选路径集合，计算网络的链路频隙利用率，并计算每一条候选路径的路径均衡度，选择路径均衡度最高的路径进行映射和频谱分配；

若候选路径集合为空，即不存在满足业务大小的频隙数，则采用基于时延优化的多路径路由频谱分配方法，通过频谱消耗和安全性，更新链路代价函数，两两组合候选路径，根据目标优化函数，选择较优的多路径组合映射和频谱分配；

所述的基于时延优化的多路径路由频谱分配方法具体通过以下方式实现：更新链路代价函数为：

其中α为调节因子，用于平衡负载与链路安全性，

表示链路e_mn的安全性，

表示链路e_mn上空闲频隙数，

表示更新的链路e_mn代价值，FS_num表示物理链路上总频隙数；

所述的路径均衡度计算公式如下：

其中，

为链路e_mn带宽利用率式，

为链路平均带宽利用率，P_num表示组成路径的链路集合，

表示路径P_mn的路径均衡度；通过路径均衡度的计算公式，选择其值最大的路径进行映射；

所述目标优化函数为：

其中，

H_Pi和H_Pj表示路径Pi和路径Pj的跳数，

表示虚拟节点n^V的邻接链路e^V所需的频隙数目，k₁和k₂为调节因子，用于调节路径时延差和频隙消耗，

表示链路e_mn的物理距离，

表示链路e_xy的物理距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，其特征在于，所述步骤S1具体通过以下方式实现：

将虚拟节点按照以下公式计算并排序：

其中，H(n^V)表示虚拟节点n^V权重的计算公式，e^V表示虚拟节点n^V的邻接链路，E^V表示虚拟节点n^V的邻接链路集合，

为虚拟节点n^V的计算资源需求，

表示虚拟节点n^V的邻接链路e^V对带宽的需求；

其中，H(n^S)表示物理节点n^S权重的计算公式，E表示物理节点n^S的邻接链路集合，N表示已经被映射的物理节点集合，

表示链路e_mn上空闲频隙数，hop表示节点n^S与已经映射的物理节点i之间路径的最小跳数；由于映射第一个虚拟节点时，集合N为空，为了避免分母为0，在映射第一个虚拟节点时hop取1；

将排好序的虚拟节点依次映射在排好序且满足虚拟节点计算资源的物理节点上。

3.根据权利要求1所述的一种基于安全性感知的差异化虚拟光网络映射方法，其特征在于，所述步骤S2具体通过以下方式实现：在完成所有虚拟节点映射后，首先通过最短路径算法寻找候选的映射路径，通过安全性计算公式计算每一条路径上的安全性，判断是否满足业务的安全性要求，然后检查满足安全性要求的路径上是否有空闲频谱块，并且空闲频谱块的频隙数大于或等于虚拟链路请求的频隙数；

通过以下公式计算和判断：

安全性计算公式：

判断方法：

其中，

表示路径p_mn的安全性，p_mn表示物理节点m,n之间的路径，

表示链路e_mn的安全性，

表示链路e_ij的安全性，e_mn代表组成m到n路径上的链路。

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