CN109831337B - 无线网络虚拟化中临近节点分组映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线网络虚拟化中临近节点分组映射方法，包括将虚拟网络请求按照虚拟网络请求的映射收益降序排列；计算最大的虚拟网络中的节点的场值并降序排列；遍历物理网络，找出可以映射的物理节点的集合并将节点嵌入物理节点；筛选出与中心节点直接相连的节点和中心节点的二度节点为1的节点作为边缘节点集合并计算边缘节点的可映射物理节点集合中所有物理节点的链路聚合压力值；选取链路聚合压力值最小的物理节点作为虚拟网络节点的承载节点进行映射；利用K最短路径算法进行链路映射；本发明基于临近的虚拟节点分组的方法，大大提高了映射的成功率，极大地降低了算法的复杂度，减小了时延，同时还能使负载更加均衡。

Description

无线网络虚拟化中临近节点分组映射方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线网络虚拟化中临近节点分组映射方法。

背景技术

随着科技的发展，因特网普遍化和集中化的趋势要求网络具有灵活性，能够进行网络结构的变化，但是因特网现有网络构架和协议难以满足这一要求。网络虚拟化是在共享基板网络(SN，Substrate network)上运行多个异构网络的技术，允许多个服务提供商能够提供具有不同要求和功能的定制服务，解决了网络僵硬化的问题，由此成为未来网络关键组成部分之一

网络虚拟化将传统的网络服务提供商解耦成了基础设施提供商(infrastructureprovider，InP)和服务提供商(service provider，SP)。SP根据用户的虚拟请求，从InP租赁资源按需构建虚拟网络为用户提供服务。InP能够接受并运行多个虚拟网络(VirtualNetwork，VN)，使VN中的虚拟节点和虚拟链路分别映射到基板网络上的节点和链路上。如何使更多的虚拟网络嵌入到共享的基板网络中，以便更有效地利用物理资源，是网络虚拟化技术的NP难问题。

随着无线流量和服务的巨大增长，新兴的异构无线网络需要一个融合强大的网络管理机制，它可以通过无线网络虚拟化来实现，所以将虚拟化扩展到无线网络至关重要。与有线网络虚拟化相比，其带宽资源抽象和隔离可以在硬件基础上完成(例如端口和链路)，由于无线通信的固有广播性质和随机波动，无线资源抽象和隔离并不简单。此外，无线网络虚拟化取决于具体的接入技术，与有线网络虚拟化相比，无线网络包含更多的接入技术，每个接入技术都有其特殊的特性，从而难以实现融合，共享和抽象。无论有线或无线网络如何，虚拟化都可以被认为是分割整个网络系统的过程。

Mano T(参见文献：Mano T,Inoue T,Mizutani K,et al.Reducing densevirtual networks for fast embedding[C]//IEEE INFOCOM 2016-the,IEEEInternational Conference on Computer Communications.IEEE,2016:1-9.)考虑到虚拟网络映射时间复杂度较高，通过对虚拟网络进行预处理。作者考虑的虚拟网络的拓扑为完全图，在映射之前先将虚拟网络请求进行简化为简单图，从而减少虚拟网络的映射时间，提高虚拟网络的映射成功率和物理资源利用率。

在现有的无线网络虚拟化映射算法中，既要考虑到节点与链路的分配，还要考虑虚拟请求的拓扑结构。若节点与链路的协调性不好，容易造成网络资源的利用率下降、映射时延较长。在映射的过程中若没有充分考虑虚拟请求的拓扑结构，会加长虚拟链路的映射路径，浪费链路资源，从而导致映射成功率的降低。为了提高网络资源利用率，减少映射时延，如何在节点与链路映射的过程中进行增大网络的映射成功率，称为亟待解决的问题。

发明内容

为了提高资源的利用率，增大网络请求的映射成功率，进一步提高基础设施商的收益，本发明提出一种无线网络中虚拟化映射的方法，包括以下步骤：

S1：将时间窗T内到达的所有虚拟网络请求按照虚拟网络请求的映射收益降序排列；

S2：选择当前时间窗内收益最大的虚拟网络请求进行映射；

S3：计算当前虚拟网络请求中每个节点的场值TP(n_i)，并将该值进行降序排列；

S4：将节点的场值TP(n_i)排在首位的节点设为中心节点，遍历物理网络，找出中心节点可以映射的物理节点的集合，计算该物理节点的集合中物理扩展资源最大的物理节点，将中心节点嵌入该物理节点；

S5：筛选出与中心节点直接相连的节点或者中心节点的二度节点为1的节点作为边缘节点集合，计算边缘节点集合中边缘节点的扩展资源并降序排列；

S6：选择扩展资源排在首位的边缘节点，计算该边缘节点的可映射物理节点集合，并计算该边缘节点的可映射物理节点集合中所有物理节点的链路聚合压力值

S7：选取链路聚合压力值

最小的物理节点作为虚拟网络节点的承载节点进行映射；

S8：判断边缘节点集合中的全部节点是否全部完成映射，若完成则进入步骤S9，否则返回步骤S6；

S9：判断该虚拟网络请求中的节点是否全部完成映射，若是进入步骤S10，否则返回步骤S3；

S10：利用K最短路径算法，在满足虚拟网络带宽需求的SN链路中进行链路映射，并判断该虚拟网络链路是否映射完成，若映射完成则判断是否所有请求均已映射，若均已映射则结束，否则返回步骤S2。

进一步的，时间窗T内到达的所有虚拟网络请求的长期收益开销比包括：

其中，G^V(t)表示时间窗T内到达的所有虚拟网络请求；R(G^V)表示虚拟网络请求的映射收益；C(G^V)表示虚拟网络请求的映射成本；G^V表示在时间T内的一个虚拟请求。收益与成本的比值可以用来表示物理资源的利用效用。比值的取值范围在[0,1]之间，如果比较大，表示VN的映射都集中在一片较小的物理区域内，此时会导致网络的负载均衡性能会比较差。

进一步的，虚拟网络请求的映射成本表示为：

其中，α_b、β_b表示加权系数；cpu(n^S)表示物理节点的剩余计算能力；

表示物理路径可用带宽；

物理路径的所经历的跳数；n^V→n^S表示从虚拟网络节点n^V映射到物理网络节点n^S；l^V→l^S表示从虚拟网络链路l^V映射到物理网络链路l^S。

进一步的，虚拟网络请求的映射收益表示为：

其中，α,β表示平衡节点资源和链路带宽的加权系数，bw(l^V)表示虚拟链路所需带宽大小，cpu(n^V)表示虚拟节点所需计算力大小，N^V表示虚拟节点集合，L^V表示虚拟链路集合。

进一步的，节点的场值TP(n_i)表示为：

其中，d_ij表示节点n_i与节点n_j之间的最短路径长度；

为节点n_i的度，

表示节点n_i的连接强度；cpu(n_i)表示节点n_j的计算能力。

进一步的，在虚拟网络拓扑图中，任意节点n_i的连接强度定

义为与节点n_i连接的所有链路的带宽之和，表示为：

其中，N^V表示虚拟节点集合，

表示与节点n_i连接的链路带宽大小。

进一步的，节点n_i的度

为与节点n_i直接相连的邻居节点的个数，表示为：

其中，drg(n_i)表示与节点n_i相邻的节点的个数。

进一步的，物理节点的集合中物理扩展资源最大的物理节点的计算包括从物理节点的集合中选出链路聚合压力值最小的点作为物理扩展资源最大的物理节点，节点

的链路聚合压力值表示为：

其中，

表示节点

的链路聚合压力值，d_I(l^S)表示物理链路的干扰值。

本发明基于临近的虚拟节点分组的方法，大大提高了映射的成功率，极大地降低了算法的复杂度，减小了时延，同时还能使负载更加均衡。

附图说明

图1为本发明无线网络虚拟化映射模型；

图2为本发明的算法流程图；

图3为本发明的拓扑分组图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种一种无线网络中虚拟化映射的方法，如图2，包括以下步骤：

S1：将时间窗T内到达的所有虚拟网络请求按照虚拟网络请求的映射收益降序排列；

S2：选择当前时间窗内收益最大的虚拟网络请求进行映射；

S3：计算当前虚拟网络请求中每个节点的场值TP(n_i)，并将该值进行降序排列；

S4：将节点的场值TP(n_i)排在首位的节点设为中心节点，遍历物理网络，找出中心节点可以映射的物理节点的集合，计算该物理节点的集合中物理扩展资源最大的物理节点，将中心节点嵌入该物理节点；

S5：筛选出与中心节点直接相连的节点或者中心节点的二度节点为1的节点作为边缘节点集合，计算边缘节点集合中边缘节点的扩展资源并降序排列；

S6：选择扩展资源排在首位的边缘节点，计算该边缘节点的可映射物理节点集合，并计算该边缘节点的可映射物理节点集合中所有物理节点的链路聚合压力值

S7：选取链路聚合压力值

最小的物理节点作为虚拟网络节点的承载节点进行映射；

S8：判断边缘节点集合中的全部节点是否全部完成映射，若完成则进入步骤S9，否则返回步骤S6；

S9：判断该虚拟网络请求中的节点是否全部完成映射，若是进入步骤S10，否则返回步骤S3；

S10：利用K最短路径算法，在满足虚拟网络带宽需求的SN链路中进行链路映射，并判断该虚拟网络链路是否映射完成，若映射完成则判断是否所有请求均已映射，若均已映射则结束，否则返回步骤S2。

图1描述了无线虚拟网络映射到物理网络的模型图，本发明采用的构建的模型包括无线物理网络模型和无线虚拟网络模型，具体的构建过程包括：

(1)无线物理网络模型

用无向带权图表示物理网络

其中N^S和L^S分别表示节点、链路的集合，

表示物理网络中物理节点的属性集合，在本文中对于每个物理节点n^S∈N^S，包括节点计算能力cpu(n^S)和地理位置loc(n^S)两个属性；cpu(n^S)表示节点的计算能力，loc(n^S)表示节点的位置信息；

表示SN中的链路属性集合，对于每条链路l^S(i,j)∈L^S；而bandwidth(l^S)表示物理节点i到物理节点j间链路所能承受的带宽值，简化为bw(l^S)。

在链路分配中，存在一条虚拟链路被映射到多条物理链路集合的情况。本文用P_m ^S(s,d)来表示物理节点s到物理节点d的路径。该节点可以是单一的链路，也可以是多条链路集合。

(2)无线虚拟网络模型

与物理网络模型类似，虚拟网络(VN)同样采用无向带权图

其中N^V和L^V分别表示虚拟节点集合和虚拟链路集合。

表示虚拟节点需求集合，每个虚拟节点n^V∈N^V，它包含cpu(n^V)的属性，表示虚拟节点所需要的计算能力。

表示虚拟链路的需求集合，每条虚拟链l^V∈L^V，它包含bandwidth(l^V)表示该虚拟链路所需的带宽大小，简化为bw(l^V)。

图3描述了在虚拟网络拓扑中，利用拓扑势的方法计算出最大的势值，并将势值最大的节点作为中心节点，与中心节点相邻的所有节点或者相邻节点的的度为1的节点称为临近节点(边缘节点)，中心节点与边缘节点作为一组映射子集，按照节点的映射原则进行节点映射；图3中节点a为中心节点，节点a的边缘节点包括b,c,e,g,f，节点上数值表示节点的计算能力，节点之间的数值表示节点之间链路的带宽大小，例如图3中，节点a的计算能力是50，节点b的计算能力是20，节点a与节点b之间的链路的宽带大小是20；子集映射完成后，再选出中心节点，重复上面过程，直至该网络中所有节点映射完成，然后进行链路映射。

在构建的网络模型内映射节点的过程中，满足节点的可映射范围D内的节点，由于不同虚拟请求的节点可以映射到同一物理节点上，对于每一个属于物理节点集合N^S的物理节点n^s，即n^s∈N^S来说，这个物理节点的可用资源C_N(n^s)表示为：

其中，cpu(n^s)表示物理节点n^s的总得可用资源；

表示所有映射在物理节点n^s上的虚拟节点的集合；

表示映射在物理节点n^s上的所有虚拟节点的计算能力之和。

与节点一样，不同虚拟请求的链路可以映射到同一物理链路上，对于每一条属于物理链路集合L^S的链路l^s，即l^s∈L^S，该物理链路l^s的可用资源为：

其中，其中，b(l^s)表示物理节点l^s的总得可用资源；

表示所有映射在物理节点l^s上的虚拟节点的集合；

表示映射在物理链路l^s上的所有虚拟链路的带宽之和；所以本发明中路径p^s的可用带宽B_L(P^s)表示为：

在无线网络中，无线链路间的干扰是存在的，本发明的链路干扰只考虑相邻链路与本身的干扰，所以定义物理网络中，物理链路l^s的干扰d_I(l^s)为：

其中，d_l表示与链路l^S直接相连能产生干扰的物理链路个数，分子中的常数1表示自身的干扰，σ为常数；链路干扰将在最短路径算法中作为链路的一部分权值，方便寻找最优的路径。

当一个虚拟请求到达时，物理网络必须决定是否接受该虚拟请求如果接受，那物理网络必须从自身的节点和链路中为虚拟请求选择一系列满足要求的物理节点和路径当虚拟请求消亡时，所有资源将被释放。

一个虚拟请求的映射可以被分解为彼此相关联的两部分：节点映射和链路映射。

节点映射：同一个虚拟请求中的每个虚拟节点都将被映射到不同的物理节点上，多个虚拟节点可以被映射到相同的物理节点上。映射过程定义为：

那么Map^N:n^V→n^S存在如下限制：

dis(loc(n^V),loc(n:n^V→n^S))≤D

其中，dis(loc(n^V),loc(n:n^V→n^S))表示虚拟节点n^V与其优选的物理节点n^S的距离，D表示虚拟节点的映射范围。

链路映射：同一个虚拟请求中的虚拟链路都将被映射到从源节点到目的节点的一条物理路径。其映射定义如下：

那么Map^L:l^V→P^S存在如下约束：

虚拟请求到达时，对于InPs来说，希望高效的资源分配部署更多的虚拟请求来获得更多的收益。本文假设一组InPs服务一个虚拟请求得到的收益为

其中α,β表示平衡节点资源和链路带宽的加权系数，用来调节节点和链路资源的相对重要性，由InPs确定。

映射的成本为映射到物理路径时消耗的节点资源以及链路资源成本，即映射成本为：

其中，α_b,β_b是加权系数，是为了平衡节点资源和链路资源的影响。当研究实际应用时，加权系数具有价格成本意义。此时

表示节点n^S单位计算能力的价格，

表示链路l^S单位带宽的价格；

表示物理路径

的跳数。

用G^V(t)表示在时隙T内到达的VN的集合，所以，长期收益开销比为:

长期收益开销比的取值范围在[0,1]之间，如果这个值太小，表示映射的路径产生的跳数太多，对底层资源的消耗大；但如果太大，表示VN的映射范围比较集中，此时网络的负载均衡性能会比较差。

节点分组映射的衡量指标包括以下4点：

(1)节点的度：

指与节点直接相连的邻居节点的个数，用于描述节点与其他连通的可能性。虚拟节点的程度度描述了网络中的局部重要性，具有较高度值的虚拟节点具有更多的相邻节点和链路，可以承受更多的资源需求，节点的度表示为：

优选的，本实施例中选择虚拟节点n_i的度大于等于2的节点使用K最短路径算法，在满足虚拟网络带宽需求的物理网络链路中进行链路映射。

(2)节点的连接强度

在虚拟网络拓扑图G^V中，任意节点n_i的连接强度定义为与节点n_i连接的所有链路的带宽之和，节点n_i的连接强度定义如下：

连接强度反映了目标节点与周围节点相互通信的紧密程度,某个节点的连接强度越大,则该节点作为局部网络枢纽的可能性越大。

(3)节点的接近度

用来衡量节点在网络中所处位置的重要性，可以用节点与网络中的其他节点之间的最短路径来描述。d_ij是节点n_i与节点n_j之间的最短路径长度。如果i＝j，则d_ij＝0。

(4)节点的场值

节点的场值，即节点的重要性，场的概念最早是1837年由英国物理学家法拉第提出的，用于描述物质粒子间的非接触相互作用。受上述物理场思想的启发,我们将网络G看作一个包含n个节点及其相互作用的物理系统，每个节点周围存在一个作用场，位于场中的任何节点都将受到其他节点的联合作用。

将场的概念引入本发明中，在本发明中对于每个节点考虑4个属性，即每个节点可用的CPU处理能力、本节点到网络中其他节点的最短路径的长度、本节点到其他临近节点的可用带宽和以及该节点的度，节点的场值表示为：

分析可知，TP(n_i)越大的节点具有较高的拓扑势，附近连接也最密集，那么该节点在网络中就越重要，将网络中重要性最高的节点作为中心节点。

在处理虚拟请求的操作中，已根据拓扑势计算选出了中心节点，在进行中心节点的映射部署时，根据约束要求先选出符合要求的物理节点集合，并根据物理节点的扩展资源公式，优先选择物理节点集合中变量值比较大的承载节点进行中心节点的映射。物理节点的扩展资源定义为：

在中心节点映射完成后，进行边缘节点的映射部署。边缘节点的映射需求能力用虚拟节点的扩展资源表示，其定义为：

边缘节点按照扩展资源大小降序排列，等待映射。排在首位的边缘节点，在选择合理的物理节点时，根据链路聚合负载压力来选择，负载应力通过由新SN路径上的影响距离加权的总带宽要求来测量，即节点

的链路聚合压力值表示为：

其中，bw(l^V)是指中心节点与要映射的节点间的虚拟链路值。选择

值最小是为了在选择被嵌入的物理节点与中心节点的链路较大但干扰较小。

本发明利用

来决定在节点的约束允许的可映射物理集合中，选择边缘节点与中心节点间的链路较大且链路间干扰较小的物理节点；本实施例中，选择将边缘节点的集合中的

值最小的节点与中心节点之间的链路进行映射，随后将边缘节点的集合中的

值次小的节点与中心节点之间的链路进行映射，直到边缘节点的集合中所有节点都完成映射。

本发明基于临近的虚拟节点分组的方法，大大提高了映射的成功率，极大地降低了算法的复杂度，减小了时延，同时还能使负载更加均衡。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种无线网络中虚拟化映射的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将时间窗T内到达的所有虚拟网络请求按照虚拟网络请求的映射收益降序排列，虚拟网络请求的映射收益R(G^V)表示为：

其中，α,β表示平衡节点资源和链路带宽的加权系数，bw(l^V)表示虚拟链路所需带宽大小，cpu(n^V)表示虚拟节点所需计算力大小，N^V表示虚拟节点集合，L^V表示虚拟链路集合；

S2：选择当前时间窗内收益最大的虚拟网络请求进行映射；

S3：计算当前虚拟网络请求中每个节点的场值TP(n_i)，并将该值进行降序排列，节点的场值TP(n_i)表示为：

其中，d_ij表示节点n_i与节点n_j之间的最短路径长度；

为节点n_i的度，

表示节点n_i的连接强度；cpu(n_i)表示节点n_j的计算能力；

S4：将节点的场值TP(n_i)排在首位的节点设为中心节点，遍历物理网络，找出中心节点可以映射的物理节点的集合，计算该物理节点的集合中物理扩展资源最大的物理节点，将中心节点嵌入该物理节点；

S5：筛选出与中心节点直接相连的节点和中心节点的二度节点为1的节点作为边缘节点集合，计算边缘节点集合中边缘节点的扩展资源并降序排列；

S6：选择扩展资源排在首位的边缘节点，计算该边缘节点的可映射物理节点集合，并计算该边缘节点的可映射物理节点集合中所有物理节点的链路聚合压力值

表示为：

其中，

表示节点

的链路聚合压力值，d_I(l^S)表示物理链路干扰值；

S7：选取链路聚合压力值

最小的物理节点作为虚拟网络节点的承载节点进行映射；

S8：判断边缘节点集合中的全部节点是否全部完成映射，若完成则进入步骤S9，否则返回步骤S6；

S9：判断该虚拟网络请求中的节点是否全部完成映射，若是进入步骤S10，否则返回步骤S3；

S10：利用K最短路径算法，在满足虚拟网络带宽需求的SN链路中进行链路映射，并判断该虚拟网络链路是否映射完成，若映射完成则判断是否所有请求均已映射，若均已映射则结束，否则返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的一种无线网络中虚拟化映射的方法，其特征在于，在虚拟网络拓扑图中，任意节点n_i的连接强度

定义为与节点n_i连接的所有链路的带宽之和，表示为：

其中，N^V表示虚拟节点集合，

表示与节点n_i连接的链路带宽大小。

3.根据权利要求1所述的一种无线网络中虚拟化映射的方法，其特征在于，节点n_i的度

为与节点n_i直接相连的邻居节点的个数，表示为：

其中，drg(n_i)表示与节点n_i相邻的节点的个数。

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