CN108347380A - 一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，属于光纤通信技术领域。该方法在根据物理节点权重选择路由时，节点权重考虑剩余计算资源大小和物理节点在整个网络拓扑中所占地理位置的因素，通过调节权重因子实现多个物理节点计算资源的均衡使用。在频谱分配中，为减少频谱使用数和频谱碎片，在映射过程中设计了链路频谱离散度公式和重载链路的判定准则，结合已映射物理节点的位置，计算候选光路上频谱使用数和链路频谱离散程度，选择消耗频隙数少且频谱离散度低的光路与其邻接的物理节点进行协同映射。本发明提高了带宽利用率，降低了网络阻塞率。

Description

一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法。

背景技术

近年来，随着视频会议，高清电视和云计算等新兴业务的不断涌现，网络带宽资源需求迅速增长，传统的网络架构面临着严峻的挑战。基于光正交频分复用技术的弹性光网络采用了灵活的带宽分配方式，将带宽资源分割为较小的频谱粒度，根据业务大小自适应分配频隙数和选择调制格式，从而缓解了带宽资源紧缺的压力。网络虚拟化技术是通过将底层网络的资源抽象成资源池，为异构的虚拟网络分配资源，可以有效地提高网络的可拓展性，促进物理设备共享。然而受到弹性光网络中频谱的连续性和一致性的约束，使得虚拟网络映射问题极难解决。目前，用户产生的虚拟网络请求通常由带有资源约束条件的虚拟节点和虚拟链路组成，如何在底层网络为虚拟业务提供有效地资源分配被称作为虚拟网络映射问题，且已被证明是NP-hard问题。虚拟网络映射是将虚拟节点和虚拟链路分别映射在底层网络上的物理节点和物理光路上，如何有效的进行节点映射和链路映射，最大化利用底层资源是现在主要面临的问题。

在为虚拟网络业务分配资源过程中，弹性光网络中由于受到频谱的约束条件导致频谱资源分配不均衡、资源不足等问题，导致虚拟网络业务服务失败，虚拟网络映射成功率低，同时在动态网络环境中，由于业务大小不一，持续时间不同，且随着业务动态到达与离去，传统首次命中频谱分配算法没有考虑相邻业务之间离开时间，因此会产生不同程度的频谱碎片，导致业务因频谱资源不能满足连续性而被阻塞。传统的链路映射优先选择频谱资源丰富的物理光路进行链路映射，导致网络资源使用不均衡产生重载链路，并且可能使得网络中的带宽资源变的离散化，导致虚拟链路很难映射成功。除此之外，两阶段映射算法将节点映射和链路映射分开，没有考虑到虚拟节点和虚拟链路的相互关联程度，实际中节点映射的结果在一定程度上影响着链路映射，因此对物理节点资源和位置的评估十分重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，降低网络中的阻塞率，提高资源的利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，通过分析物理节点在全网地理位置的优劣设计物理节点权重来优化节点映射过程，避免虚拟节点映射在物理网络中的位置不集中，并通过权重因子实现多个物理节点计算资源的均衡使用；设计链路频谱离散度公式和重载链路的判定准则来减少频谱使用数和网络碎片数，在映射过程中结合已映射物理节点的位置，计算候选光路上频谱使用数和链路的频谱离散程度，选择消耗频隙数少且频谱离散度低的物理光路和其邻接的物理节点进行协同映射，减少频谱碎片和频谱消耗数目，达到降低阻塞率的目的；

该方法具体包括以下步骤：

S1：根据评估公式计算物理节点的权重，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，将最大资源需求的虚拟节点映射在第一个满足其计算资源需求的物理节点上；

S2：对于同一个虚拟网络的其他虚拟节点，根据虚拟节点对计算资源的需求为其选择候选节点，判断该虚拟节点与已经映射的虚拟节点是否拓扑邻接，如不邻接，则将该节点映射在第一个满足其计算资源的物理节点上；若邻接，则通过最短路径算法寻找候选节点与已经被映射的物理节点之间最短路径，加入集合P中；

S3：根据候选物理光路上是否有满足业务需求大小的频谱块，对候选物理光路进行更新，然后选出集合P中跳数最少的物理光路，若只有一条，则直接将该物理光路作为映射路径；若不止一条，则将物理光路加入到集合Q中，计算集合Q中每一条候选物理光路上每一条链路的频谱离散度，根据频谱离散度最大的链路设计重载链路判断准则；

S4：将每一条候选物理光路的重载链路加入到集合Lmaxf中，并按升序排列，选中集合Lmaxf中第一条重载链路所在的候选物理光路，将其作为虚拟链路映射的物理光路，候选物理光路的另一端的物理节点作为映射的物理节点，完成协同映射。

进一步，所述步骤S1具体包括：

将虚拟节点按照以下度量公式计算节点的权重并降序排列：

其中，表示虚拟节点的权重，表示虚拟节点的计算资源，E^V(n)表示虚拟节点n的邻接虚拟链路集合，表示虚拟链路上带宽需求大小；

根据以下公式评估物理节点的权重并降序排列：

其中，表示物理节点的权重，α为权重因子，表示物理节点可用计算资源，d_l表示物理链路l的物理距离，表示最短路径的平均跳数，linknum表示底层网络中物理链路条数，d_min(n,m)表示节点n、m之间最短的物理距离，表示物理节点初始化的平均计算资源；物理节点的评估公式的第一部分代表节点计算资源剩余的权值，第二部分表示当前物理节点到网络中其它所有物理节点最短距离平均值的权值，即衡量此节点在拓扑中位置的优劣情况，当其值较小时，表示物理节点n到其他物理节点的平均最短距离较短，反之亦然；

将最大资源需求的虚拟节点映射在第一个满足其计算资源需求的物理节点上。

进一步，所述步骤S3中，所述候选物理光路pk上链路的频谱离散度通过以下公式计算：

其中，J表示空闲频谱块，L^pk表示路径pk的链路集，分别表示第l条链路的空闲频谱块的首频隙索引值和尾频隙索引值；

所述重载链路判断准则为：

进一步，所述步骤S4具体包括：

对各候选物理光路{p1,p2,...,pk}，通过采用步骤S3中计算方法计算出频谱离散度最大的链路，即重载链路，并将其放入集合中，选出使得频谱离散度最小的物理光路，通过以下方式计算：

根据已确定具有最小值的重载链路的候选物理光路，将其作为虚拟链路的映射路径，该物理光路的另一端的物理节点作为虚拟节点的映射节点，然后分别为映射路径分配频谱资源，为映射节点分配计算资源，完成协同映射。

本发明的有益效果在于：本发明通过分析物理节点在全网地理位置的优劣和可用计算资源，设计物理节点权重，从而优化节点映射过程，避免虚拟节点映射在物理网络中的位置不集中，采用协同映射方法选择候选物理光路和映射的物理节点，设计了链路频谱离散度公式和重载链路的判定准则，通过频谱离散度感知选择频谱离散度最低的候选物理光路，减少频谱碎片和频谱消耗数目，从而降低带宽阻塞率；同时也提升了网络的频谱资源利用率。

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，本发明提供如下图进行说明：

图1为弹性光网络拓扑和一个虚拟业务请求；

图2为协同映射过程中节点和链路选择策略示意图；

图3为基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合图，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频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，在虚拟业务到来时，为了避免相邻节点之间映射的位置较远，在设计节点权重时，不仅考虑物理节点所剩计算资源的大小，还加入了物理节点在整个网络拓扑中所占地理位置优越的分析，即某个物理节点到其他所有物理节点最短距离的平均值，并通过权重因子实现多个物理节点计算资源的均衡使用。为了减少频谱资源使用数目并减少网络碎片的产生，在映射过程中采用协同映射，设计了链路频谱离散度公式和重载链路的判定准则，结合已映射节点的位置，计算候选光路上频谱使用数和链路的频谱离散程度，首先选择消耗频隙数少的候选物理光路，若不止一条，则根据链路的频谱离散程度，选出重载链路，通过比较不同候选物理光路上的重载链路，选择频谱离散度低的物理光路和其邻接的节点进行协同映射。因此可以提高带宽利用率，进一步优化网络阻塞率。

实施例：

如图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，链路上的数字代表链路的物理距离，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底层物理光路频隙数的要求，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：8,10,6。结合该示例说明本发明所述方法中的一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法。

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)＝56，H(B)＝70，H(C)＝36，因此排列顺序为：B,A,C。根据公式(2)评估每个物理节点的权重并降序排序：

式中，表示虚拟节点的计算资源，E^V(n)表示虚拟节点n的邻接虚拟链路集合，表示虚拟链路上带宽需求大小，α为权重因子，表示物理节点可用计算资源，d_l表示物理链路l的物理距离，表示最短路径的平均跳数，linknum表示底层网络中物理链路条数，d_min(n,m)表示节点n,m之间最短的物理距离，表示物理节点初始化的平均计算资源。物理节点权重公式的第一部分代表节点计算资源剩余的权值，第二部分表示当前物理节点到网络中其它所有物理节点最短距离平均值的权值，即衡量此节点在拓扑中位置的优劣情况，当其值较小时，表示物理节点n到其他物理节点的平均最短距离较短，反之亦然。

将最大资源需求的虚拟节点B映射在第一个满足其计算资源需求的物理节点上，假设为物理节点3，其次对虚拟节点集合中第二个节点A进行映射，假设满足节点A计算资源的候选节点集合为{4,6}，采用最短路径算法分别找出已经被映射的物理节点3到候选物理节点4和6的最短物理光路，分别3-2-4和3-5-6。为了减少频隙使用数目，首先筛选出跳数最少的物理光路，在这里两条物理光路的跳数都一样，均为两跳，因此这两条物理光路都加入到候选物理光路集合中，下一步通过首次命中的的频谱分配方式在物理光路上预分配频谱资源，和公式(3)计算各物理光路上不同链路的频谱离散度，重载链路判断准则通过通过公式(4)找出每条物理光路上的重载链路，将链路中频谱离散程度最严重的值设为该节点的权重。如图2(a)：物理光路3-2-4的链路的频谱离散度分别为即物理光路3-5-6的链路的碎片化程度为即

其中J表示空闲频谱块，L^pk表示路径pk的链路集，分别表示第l条链路的空闲频谱块的首频隙索引值和尾频隙索引值。选出每条候选物理光路的重载链路，加入集合Lmaxf中，并按升序排列。

对各候选物理光路{p1,p2,...,pk}，通过采用以上计算方法计算出频谱离散程度最大的链路，即重载链路，并将其放入集合中，选出使得频谱离散程度最小的物理光路，通过公式(5)计算：

由于W₆＜W₄,即选择物理节点4会比选择物理节点6更容易导致网络频谱离散度增加，因此将选择物理节点6作为虚拟节点A的映射节点，物理光路3-5-6作为虚拟链路A-B的映射链路。当已完成映射的节点是一个集合时，如集合{A,B}，在映射虚拟节点C时，综合考虑A、B已映射到的物理节点{3,6}。假设节点C的候选集合为{2,4}，选出最短物理光路分别为3-2和6-4-2以及3-2-4，6-4，在这里两种节点选择策略下物理光路的跳数之和相等，可以把映射情况分为两种，情况1：当C映射在4节点时，如图2(b),计算出物理节点4到物理节点3、6的最短物理光路分别为3-2-4和6-4,同上计算两条物理光路上链路频谱离散程度最严重的分别为为因此节点1的权重为：情况2：当C映射在物理节点2时，如图2(c),同理计算出最短物理光路分别为：3-2、6-4-2，两条物理光路上链路最大碎片化程度为因此物理节点5的权重为：由于W₂＞W₄,即选择物理节点2会比选择物理节点4更容易导致网络频谱离散度增加，因此将选择物理节点4作为虚拟节点C的映射节点，物理光路6-4作为虚拟链路AC的映射链路,物理光路3-2-4作为虚拟链路BC的映射链路。通过这样的映射方法，将链路的资源使用情况结合节点映射，避免重载链路，从而减小网络整体频谱离散程度，增加成功映射虚拟网络的个数，因此更有利于阻塞率的降低。

下面将结合图3对本发明的基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

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降序排序，集合分别为VNR{v₁,v₂,...v_n...v_N}和SNR{s₁,s₂,...s_i...s_I}；

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，并从VNR集合和SNR集合分别删除v_n和s_i，n＝n+1，转至步骤3；否则，i＝i+1，重复该步骤，若i>I，阻塞业务；

S3：找出v_n的候选物理节点，加入候选节点集合中，判断v_n与已经完成映射的虚拟节点是否相连，若相连，通过最短路径算法计算所有候选节点与已经完成映射的物理节点之间的最短物理光路，判断每条最短物理光路是否存在满足业务需求的可用频谱块，若满足，加入候选物理光路集合P中，若不满足，则删除，转至步骤4；

S4：在集合P中选出物理光路跳数最少的最短物理光路，若不止一条则采用首次命中的频谱分配方式，分别计算每一条物理光路的频谱离散度，每条物理光路的重载链路加入集合中，并按频谱离散度从小到大排序；

S5：选择集合Lmaxf中的第一条链路所在的物理光路，将其作为虚拟链路的映射路径，选中物理光路的另一端点作为映射的物理节点，并从VNR集合和SNR集合分别删除v_n和s_i；

S6：删除已经被映射的物理链路，再次使用最短路径算法寻找保护路径，判断保护路径是否有满足业务需求的可用频谱块，若存在，转至步骤7；若不存在，则阻塞业务；

S7：采用首次命中的频谱分配方式，在映射的物理光路和保护路径上分配频谱资源，更新映射的物理节点上的计算资源，n＝n+1，若n>N；转至步骤8；否则转至步骤3；

S8：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 (4)

1.一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，其特征在于，通过分析物理节点在全网地理位置的优劣设计物理节点权重来优化节点映射过程，避免虚拟节点映射在物理网络中的位置不集中，并通过权重因子实现多个物理节点计算资源的均衡使用；设计链路频谱离散度公式和重载链路的判定准则来减少频谱使用数和网络碎片数，在映射过程中结合已映射物理节点的位置，计算候选光路上频谱使用数和链路的频谱离散程度，选择消耗频隙数少且频谱离散度低的物理光路和其邻接的物理节点进行协同映射，减少频谱碎片和频谱消耗数目，达到降低阻塞率的目的；

该方法具体包括以下步骤：

S1：根据评估公式计算物理节点的权重，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，将最大资源需求的虚拟节点映射在第一个满足其计算资源需求的物理节点上；

S2：对于同一个虚拟网络的其他虚拟节点，根据虚拟节点对计算资源的需求为其选择候选节点，判断该虚拟节点与已经映射的虚拟节点是否拓扑邻接，如不邻接，则将该节点映射在第一个满足其计算资源的物理节点上；若邻接，则通过最短路径算法寻找候选节点与已经被映射的物理节点之间最短路径，加入集合P中；

S3：根据候选物理光路上是否有满足业务需求大小的频谱块，对候选物理光路进行更新，然后选出集合P中跳数最少的物理光路，若只有一条，则直接将该物理光路作为映射路径；若不止一条，则将物理光路加入到集合Q中，计算集合Q中每一条候选物理光路上每一条链路的频谱离散度，根据频谱离散度最大的链路设计重载链路判断准则；

S4：将每一条候选物理光路的重载链路加入到集合Lmaxf中，并按升序排列，选中集合Lmaxf中第一条重载链路所在的候选物理光路，将其作为虚拟链路映射的物理光路，候选物理光路的另一端的物理节点作为映射的物理节点，完成协同映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将虚拟节点按照以下度量公式计算节点的权重并降序排列：

其中，表示虚拟节点的权重，表示虚拟节点的计算资源，E^V(n)表示虚拟节点n的邻接虚拟链路集合，表示虚拟链路上带宽需求大小；

根据以下公式评估物理节点的权重并降序排列：

其中，表示物理节点的权重，α为权重因子，表示物理节点可用计算资源，d_l表示物理链路l的物理距离，表示最短路径的平均跳数，linknum表示底层网络中物理链路条数，d_min(n,m)表示节点n、m之间最短的物理距离，表示物理节点初始化的平均计算资源；物理节点的评估公式的第一部分代表节点计算资源剩余的权值，第二部分表示当前物理节点到网络中其它所有物理节点最短距离平均值的权值，即衡量此节点在拓扑中位置的优劣情况，当其值较小时，表示物理节点n到其他物理节点的平均最短距离较短，反之亦然；

将最大资源需求的虚拟节点映射在第一个满足其计算资源需求的物理节点上。

3.根据权利要求1所述的一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述候选物理光路pk上链路的频谱离散度F_l ^pk通过以下公式计算：

其中，J表示空闲频谱块，L^pk表示路径pk的链路集，分别表示第l条链路的空闲频谱块的首频隙索引值和尾频隙索引值；

所述重载链路判断准则为：max[F_l ^pk],l∈L^pk。

4.根据权利要求3所述的一种基于频谱离散度感知的虚拟光网络协同映射方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

对各候选物理光路{p1,p2,...,pk}，通过采用步骤S3中计算方法计算出频谱离散度最大的链路，即重载链路，并将其放入集合中，选出使得频谱离散度最小的物理光路，通过以下方式计算：

根据已确定具有最小值的重载链路的候选物理光路，将其作为虚拟链路的映射路径，该物理光路的另一端的物理节点作为虚拟节点的映射节点，然后分别为映射路径分配频谱资源，为映射节点分配计算资源，完成协同映射。