CN109995435A - 一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统，在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将虚拟节点按照顺序映射到物理网络；在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

Description

一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统

技术领域

本发明涉及一种方法及系统，具体涉及一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统。

背景技术

当前随着如云计算、高清视频流等高性能应用的出现，底层光网络承载着巨大的带宽压力。不同的网络应用具有不同的需求，但网络管理者很难针对应用的特定需求来灵活地配置网络。光网络虚拟化技术可以很好地解决这个问题，通过抽象底层的物理资源，如光收发机及光纤资源，虚拟化技术使得用户能够在不感知到底层实现细节的情况下，将底层资源作为一种服务来使用。

由于虚拟网络是动态的，并且具有特定的服务需求，传统的波分复用(wavelength-division multiplexing,WDM)光网络很难用一种灵活的方式来满足不同的需求。通过正交频分复用技术和可切片带宽可变收发机，弹性光网络(elastic opticalnetworks,EONs)则能够为不同的需求提供灵活的服务。在弹性光网络中实现了波长资源更细粒度的划分，并可通过带宽可变收发机实现对频谱资源更加灵活的分配与调度，为每一个连接请求分配切好合适的带宽资源，从而提高网络频谱资源的利用率。

然而随着网络流量的持续增长，基于单芯光纤的灵活光网络(Elastic OpticalNetworks， EON)的传输容量逐渐逼近物理极限，部署空分复用灵活逛网络(Spatial-Division-Multiplexing EONs，SDM-EONs))是进一步提升网络容量及灵活性的有效方式。实验表明多芯光纤 (Multicore fiber,MCF)是空分复用弹性光网络(SDM-EONs)很好的传输煤质，而SDM-EONs 则是网络虚拟化较理想的光层物理基础设施。

目前关于虚拟网络等映射问题的研究中，Jiawei Zhang等人提出O-OFDM光网络中的动态虚拟网络映射算法，但是，该算法使用最短路算法进行虚拟链路映射，这使得求解结果非常局限。Lon Gong等人研究了基于动态场景下的透明弹性光网络映射，该研究为虚拟网络映射问题建立非线性模型，但是在现有条件下无法对非线性模型进行有效求解。HHuang等人在 Optical Fiber Technology上发表的文献提出了基于少模光纤模间串扰感知的虚拟网络映射问题，但并不适用于基于多芯光纤的空分复用弹性光网络的虚拟网络映射。R Zhu等人发表在Optical Engineering上的文献提出了基于多芯光纤空分复用弹性光网络的虚拟网络映射方案，但其链路映射过程还不足以高效利用光路上的频谱资源。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统，在节点映射的过程中通过对光节点转发器和链路状态进行映射度的综合评估筛选出更匹配的物理节点，并在链路映射过程中使用了距离自适应的方法进一步提高频谱资源的使用效率，提高了虚拟网络映射的成功率。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法，所述方法包括：

在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；

根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用FirstFit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

优选的，所述在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度，包括：

基于光转发器最大映射度匹配值，评估光转发器对当前虚拟网络请求映射能力，确定所述物理节点中的光转发器的可用资源容量；

基于频谱匹配矩阵和调节因子矩阵，评估物理节点相邻链路针对当前虚拟网络请求的映射能力，以确定所述物理节点相邻链路的可用资源容量；

根据物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，构建节点映射度评估模型，确定物理节点整体映射度。

进一步地，通过下式确定所述物理节点整体映射度：

E＝αE_t+βE_l

其中，E_t表示光转发器资源剩余状况，E_l表示物理节点相邻链路资源剩余状况，α、β为调节因子，分别表示光转发器和链路资源的权重，α+β＝1。

进一步地，通过下式确定光转发器资源剩余状况：

式中，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，m表示虚拟节点个数。

优选的，通过下式确定频谱匹配矩阵：Num＝[n₁，n₂…n_m]；

式中，n_m表示在P*C根纤芯中第m个虚拟节点的可用连续频谱隙，P表示虚拟链路的MCF光纤数量，C表示每根MCF光纤中的纤芯数量。

进一步地，通过下式确定物理节点相邻链路的可用资源容量：

式中，t_l表示P*C根纤芯中的第l根纤芯的频谱隙对应的调节因子，t_l、∈Tun，调节因子矩阵Tun＝[t₁，t₂，t₃…tm]，t₁+t₂+…t_m＝1。

进一步地，通过下式确定频谱隙对应的调节因子：

式中，t_l表示频谱隙n_j对应的调节因子，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，b_vj为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器第j个映射度匹配值。

优选的，所述将虚拟节点按照顺序映射到物理网络包括：

当网络中接收虚拟网络请求时，根据虚拟链路的请求带宽，确定虚拟节点的资源请求度；

基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中。

进一步地，通过下式确定虚拟节点的资源请求度：

式中，E_v1表示虚拟节点n_vi的资源请求度，b_v1，b_v2…b_vD表示D条虚拟链路请求的带宽，D表示虚拟节点n_vi相连的虚拟链路条数。

进一步地，所述基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中包括：

按照所有虚拟节点的资源请求度大小进行节点逆序排列，获得排序后的物理节点序列 ArrayPhy[p₁，p₂…p_n]和虚拟节点序列ArrayVir[v₁，v₂…v_m]，其中，n为物理节点的个数；m为虚拟节点的个数；

S1：按照虚拟节点序列的顺序依次选择虚拟节点；

S2：按照物理节点序列中的顺序选择未被虚拟节点占用的物理节点；

S3：判断当前物理节点剩余的计算资源是否大于当前虚拟节点请求的计算资源，若是，则将当前虚拟节点映射到物理节点上，执行步骤:S4；若否，则在未被虚拟节点占用的物理节点中选取下一个物理节点，执行步骤S3；

S4：判断虚拟节点序列中是否存在下一个虚拟节点，若是，执行步骤S2；否则执行结束。

优选的，所述在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据光纤链路传输距离的长短选择相应的传输模式包括：

基于预先定义的调制格式及其参数，对于距离较远、噪声较大的情况，选取低阶的调制格式，对于距离较近、噪声较小的情况，选取符号间距小的高阶调制格式，以获得频谱隙数量；

基于所述频谱隙数量，计算链路传输距离，并根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式。

进一步地，通过下式确定链路传输距离：

式中，AD_vi,vj表示在链路v_i,v_j中距离自适应负载均衡后的链路传输距离，D_vi,vj表示链路原传输距离，U_vi,vj表示频谱资源占用率，|F|表示链路的频谱隙数目。

进一步地，所述采用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络包括：

获取KSP算法确定的K条候选路径的传输距离相匹配的调制格式，根据链路需求的带宽计算出该路径需要的频谱隙数量；

将K条候选路径依据需要占用的频谱隙数从小到大排序，依次选择候选路径进行资源分配，若占用频谱最少路径资源分配成功，则虚拟链路映射成功；若分配失败，则分配下一条候选路径，以此类推；

如果所有候选路径均分配失败，则虚拟链路映射失败。

一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射系统，包括：

评估模块，用于在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；

节点映射模块，用于根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

链路映射模块，用于在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

与最接近的现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法及系统，联合考虑空分复用弹性光网络基于距离自适应的虚拟网络映射问题，给出了详细了虚拟网络映射方案，提高了空分复用弹性光网络的灵活性：在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将虚拟节点按照顺序映射到物理网络；在空分复用弹性光网络的节点映射的过程中通过对光节点转发器和链路状态进行映射度的综合评估筛选出更匹配的物理节点，使得在虚拟节点映射阶段，充分利用多维网络资源，在满足虚拟节点需求的前提下将虚拟网络中每一个虚拟节点映射到不同的物理节点上。

在链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。在链路映射过程中使用的距离自适应的方法提高了频谱资源的使用效率和虚拟网络映射的成功率；解决了虚拟链路映射阶段，在满足虚拟链路需求的情况下将虚拟链路映射到物理链路上的难题。

在多个备选链路资源分配方案中，利用First Fit算法选择出占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，为后续业务的频谱分配留下了最大的资源空间，同时考虑了空分复用多芯光纤芯间串扰的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的虚拟网络映射方案流程图；

图3是本发明实施例中提供的虚拟网络映射网络模型拓扑图；

图4是本发明实施例中提供的光转发器映射度评估方法拓扑图；

图5本发明实施例中提供的相邻链路映射度计算方法示意图；

图6是本发明实施例中提供的距离自适应案例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

随着网络规模的急剧扩张和各种新兴网络技术与网络业务的不断涌现以及用户对网络需求的转变，传统网络架构所面临的网络架构僵化、技术革新困难、服务质量难以保证等问题日益突出。空分复用弹性光网络虚拟化技术通过将底层物理网络中的资源抽象到云计算的资源池中，再对虚拟网络资源进行调度管理和应用，保证网络稳定性的同时加速网络技术的革新和应用，成为解决现有网络问题的一种有效途径。研究空分复用弹性光网络的虚拟网络映射机制可以为提升光纤通信网络带宽资源利用率、增加全网通信容量提供一种可行的建设方案。然而，面对虚拟网络的动态服务特性，如何实现对底层物理资源的充分利用以满足各个虚拟子网的资源需求，同时实现底层物理资源利用率最大化，成为了网络虚拟化研究的关键问题。

网络虚拟化映射是实现网络虚拟化的一种重要技术，它为接收到的虚拟网络请求实现物理资源的分配。在这个过程中，如何提升物理网络设施的利用率以及降低虚拟网络请求的阻塞率是这个过程中最主要的挑战。

本发明主要研究基于空分复用弹性光网络的虚拟网络映射机制，主要解决的问题有：1. 底层物理网络的多维资源描述问题，即如何将一个网络元素根据虚拟网络业务需求抽象成多个独立的虚拟网络单元。

2.如何将虚拟网络请求映射到物理网络上时，充分利用多维网络资源，即虚拟光网络映射问题。虚拟光网络映射通常包含两个阶段，第一个阶段是虚拟节点映射阶段，即如何在满足虚拟节点需求的情况下，将虚拟网络中每一个虚拟节点映射到不同的物理节点上；第二个阶段是虚拟链路映射阶段，即如何在满足虚拟链路需求的情况下，将虚拟链路映射到物理链路上。

为了解决上述问题，本发明提供的一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法，如图1 所示，包括：

一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法，所述方法包括：

S1在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；

S2根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

S3在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

步骤S101中，在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度，包括：

a，基于光转发器最大映射度匹配值，评估光转发器对当前虚拟网络请求映射能力，确定所述物理节点中的光转发器的可用资源容量；

通过提出的光转发器最大映射度匹配值评估光转发器针对当前虚拟网络请求的映射能力。

b，基于频谱匹配矩阵和调节因子矩阵，评估物理节点相邻链路针对当前虚拟网络请求的映射能力，以确定所述物理节点相邻链路的可用资源容量；

通过提出的频谱匹配矩阵和调节因子矩阵来评估物理节点相邻链路针对当前虚拟网络请求的映射能力。

c，根据物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，构建节点映射度评估模型，确定物理节点整体映射度。

综合评估了光节点转发器和与该光节点相连接的光链路频谱资源状态针对于当前到达的虚拟网络的映射度，并可根据需求调整这两种因素的影响能力。综合网络的整体资源状况筛选出更优的节点，提高了虚拟网络映射的成功率。

通过下式确定步骤c中物理节点整体映射度：

E＝αE_t+βE_l

其中，E_t表示光转发器资源剩余状况，E_l表示物理节点相邻链路资源剩余状况，α、β为调节因子，分别表示光转发器和链路资源的权重，α+β＝1。

通过下式确定光转发器资源剩余状况：

式中，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，m表示虚拟节点个数。

通过下式确定频谱匹配矩阵：Num＝[n₁，n₂…n_m]；

式中，n_m表示在P*C根纤芯中第m个虚拟节点的可用连续频谱隙，P表示虚拟链路的MCF光纤数量，C表示每根MCF光纤中的纤芯数量。

通过下式确定物理节点相邻链路的可用资源容量：

式中，t_l表示P*C根纤芯中的第l根纤芯的频谱隙对应的调节因子，t_l、∈Tun，调节因子矩阵Tun＝[t₁，t₂，t₃…t_m]，t₁+t₂+…t_m＝1。

通过下式确定频谱隙对应的调节因子：

式中，t_l表示频谱隙n_j对应的调节因子，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，b_vj为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器第j个映射度匹配值。

步骤S102中，当网络中接收虚拟网络请求时，根据虚拟链路的请求带宽，定义虚拟节点的资源请求度；

基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中。

通过下式确定虚拟节点的资源请求度：

式中，E_v1表示虚拟节点n_vi的资源请求度，b_v1，b_v2…b_vD表示D条虚拟链路请求的带宽， D表示虚拟节点n_vi相连的虚拟链路条数。

基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中包括：

按照所有虚拟节点的资源请求度大小进行节点逆序排列，获得排序后的物理节点序列 ArrayPhy[p₁，p₂…p_n]和虚拟节点序列ArrayVir[v₁，v₂…v_m]，其中，n为物理节点的个数；m为虚拟节点的个数；

S1：按照虚拟节点序列的顺序依次选择虚拟节点；

S2：按照物理节点序列中的顺序选择未被虚拟节点占用的物理节点；

S3：判断当前物理节点剩余的计算资源是否大于当前虚拟节点请求的计算资源，若是，则将当前虚拟节点映射到物理节点上，执行步骤:S4；若否，则在未被虚拟节点占用的物理节点中选取下一个物理节点，执行步骤S3；

S4：判断虚拟节点序列中是否存在下一个虚拟节点，若是，执行步骤S2；否则执行结束。

当虚拟节点序列中第一个虚拟节点v₁向物理节点序列中物理节点映射时，判断物理节点 p₁剩余的计算资源是否大于虚拟节点v₁请求的计算资源，若是，则将虚拟节点v₁映射到物理节点p₁上；若否，则在未被虚拟节点占用的物理节点中选取下一个物理节点p₂；

判断p₂剩余的计算资源是否大于虚拟节点v₁请求的计算资源；若是，则将v₁映射到p₂上，以此类推，直到将虚拟节点序列中的每个虚拟节点均映射到物理节点序列中。

当虚拟节点v₁向物理节点映射时，判断物理节点p₁的剩余计算资源是否大于v₁请求的计算资源，若是，则将v₁映射到物理节点p₁上；若否，则判断物理节点p₂的剩余计算资源是否大于v₁请求的计算资源，若是，则将v₁映射到p₂上，以此类推。

步骤S103中，在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据光纤链路传输距离的长短选择相应的传输模式：

基于预先定义的调制格式及其参数，对于距离较远、噪声较大的情况，选取低阶的调制格式，对于距离较近、噪声较小的情况，选取符号间距小的高阶调制格式，以获得频谱隙数量；

基于所述频谱隙数量，计算链路传输距离，并根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式。

通过下式确定链路传输距离：

式中，AD_vi,vj表示在链路v_i,v_j中距离自适应负载均衡后的链路传输距离，D_vi,vj表示链

所述采用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络包括：

获取KSP算法确定的K条候选路径的传输距离相匹配的调制格式，根据链路需求的带宽计算出该路径需要的频谱隙数量；

将K条候选路径依据需要占用的频谱隙数从小到大排序，依次选择候选路径进行资源分配，若占用频谱最少路径资源分配成功，则虚拟链路映射成功；若分配失败，则分配下一条候选路径，以此类推；

如果所有候选路径均分配失败，则虚拟链路映射失败。

实施例：

本发明实施例将空分复用弹性光网络的虚拟网络映射过程分为节点映射过程和链路映射过程。在节点映射过程中，针对于物理节点，充分考虑了物理节点对应光转发器的可用资源容量、该物理节点所相邻链路的可用资源容量这两个因素，提出了光转发器最大映射度匹配值、频谱匹配矩阵和调节因子矩阵等概念，计算出该物理节点针对某一特定的虚拟请求的映射度。此外，针对虚拟节点的映射度，通过考虑每一个虚拟节点相邻虚拟链路的请求带宽来进行评估。最后在虚拟节点向物理节点映射时，考虑了物理节点剩余计算资源大于虚拟节点请求的计算资源这个约束条件。

在链路映射过程中，利用距离自适应的方法根据距离的长短选择出最为适合的传输模式，可以提高网络资源的利用率，并且降低网络整体的阻塞率。

最后，在多个备选链路资源分配方案中，本方案利用First Fit算法选择出占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，为后续业务的频谱分配留下了最大的资源空间，同时考虑了空分复用多芯光纤芯(MCF光纤)间串扰的影响。本发明实现虚拟网络映射的流程图如图2所示。

1.1网络模型

本方案网络模型如图3所示，在物理网络中每一个物理节点都包含了一个光转发器和一个数据中心，其中每一个数据中心都有一个当前的计算资源容量，每一个光转发器都有一个当前可生成的光路带宽总量，如图中A节点当前数据中心剩余的计算资源总量为80的单位，光转发器可生成光路带宽总量为750Gb/s。物理网络中的光节点之间由7芯光纤相连，每根光纤伴随着一个的实时频谱状态。在虚拟网络层面，每一个虚拟请求包含了虚拟请求节点和虚拟请求链路，每一个虚拟节点包括了一个计算资源请求，每一条链路包含了一个带宽请求值。图中虚拟节点V1请求的计算资源为7个单位，V1和V2之间有链路请求，请求带宽为 48Gb/s。

1.2节点映射度评估模型

当网络中接收到一个虚拟网络请求时，需要把虚拟网络的每一个节点都部署到物理网络中，这个过程称为节点映射。在节点映射的过程中，我们综合评估了物理光节点转发器资源和与该节点相连的链路频谱状态针对于该虚拟网络请求的映射度。以此方式来选择出匹配每一个虚拟节点的最佳物理节点。

1.2.1物理节点映射度评估

1.2.1.1光转发器映射度评估方案

光转发器是实现信号光电转换的基本设备。为了进一步的提高光网络的灵活性，可切片光转发器的提出可在逻辑上实现多个子转发器的灵活切分，每一个子转发器均可以实现独立光路的灵活收发。通常来说，光转发器可实现基于传输路径的特性分配匹配的频谱资源，它通过改变子载波、调制格式、波特率等参数来调整传输比特率和带宽。

我们计算每一个物理节点对应的光转发器资源针对于当前到达的虚拟网络请求的匹配度。基于上述网络模型转发器映射度评估方案如图4所示。

此处以一个具体的物理节点A为例进行说明，定义虚拟链路lv1可从该光转发器中获取的最大映射度匹配值为：则虚拟链路l_v2可从该光转发器中获取的最大映射度匹配值由此可以定义该光转发器为当前到达的虚拟网络请求可提供的总映射度为两条虚拟链路从A节点光转发器可获取的最大映射度的平均值：由此可以计算出每一个物理光节点转发器针对于当前虚拟网络请求的最大映射度。

1.2.1.2物理节点相邻链路映射度评估方案

针对于物理节点n，假设它连接了P根MCF光纤，每根光纤中有C根纤芯，则节点G 直接相连的纤芯一共有P*C根。

为了评估该物理节点相邻链路针对于当前到达的虚拟网络请求的映射度，首先定义频谱匹配值：该节点相连的每根纤芯中连续可用的频谱隙数量分别等于每条虚拟链路请求带宽所需频谱隙的个数(此时统一考虑BPSK调制格式)。为了更清晰的阐述频谱匹配值的求取方式，图5(a)部分描述了每条物理链路中的纤芯针对虚拟链路l_v2的频谱匹配值求取过程。图中灰色的方框表示被占用的频谱隙，若考虑BPSK调制格式，虚拟链路l_v2需要4个频谱隙，则如A-B的纤芯1中，满足条件的四个连续可用的频谱隙只有1个，纤芯2则有2个，以此方式可以计算出每根纤芯针对于所有虚拟请求的频谱匹配值。

由于连接到该物理节点n的每一根光纤每一根纤芯中的频谱状态不同，因此针对于每一条虚拟链路都有P*C个值。对于每一条虚拟链路对这P*C个值求和，最后得出频谱匹配矩阵 Num＝[n₁，n₂…n_m]，其中n_i表示在这P*C根纤芯中可用连续频谱隙等于虚拟链路l_vi所请求的带宽b_vi所需的频谱隙数的个数总和，如图5(b)部分所示。

由此可知，频谱匹配矩阵表示在与该物理节点相邻的链路中匹配于针对每一条虚拟链路请求带宽大小的可用频谱段数量。由于不同的剩余带宽大小表示了不同程度的资源状态，例如，在带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中，我们假设b_vi是最大的带宽请求值，因此我们知道空闲频谱段等于b_vi相对于其它带宽则代表了一个更大的连续频谱空间，它比相对较小的频谱空间更容易被匹配，因此也就反应了这条纤芯上更好的频谱状态。

为了考虑频谱资源空间大小不同所带来的影响，我们提出了调节因子矩阵 Tun＝[t₁，t₂，t₃…t_m](其中t₁+t₂+…t_m＝1)来反应不同大小的剩余频谱空间对整体纤芯映射能力的影响力大小。为了使得小资源空间的影响度小，大资源空间的影响度更大，且具体的影响范围根据剩余资源空间的具体资源差值而定，定义每一个n_j对应的调节因子的值为：则计算与该物理节点相连的第j根纤芯的映射能力为：具体计算过程见图5(c)，其中表示n₁对应的调节因子，表示n₂对应的调节因子。

1.2.1.3物理节点整体映射度

通过上述物理节点针对于光转发器资源剩余状况和该物理节点相邻链路资源剩余状况两个方面的计算，最后定义该物理节点总的节点映射能力描述方式为：E＝αE_t+βE_l。其中，E_t表示针对于光转发器资源剩余状况，E_l表示针对于该物理节点相邻链路资源剩余状况。α、β为调节因子，分别表示光转发器和链路资源的权重，α+β＝1。例如，如果光转发器的资源容量较为丰富时，可通过调小α，调大β的方式去增大链路资源的影响力。

1.2.2虚拟节点映射度评估

针对于虚拟节点的映射度，主要考虑其请求的计算资源以及该节点相邻链路所请求的带宽资源作为影响因素。针对虚拟节点n_vi，我们假设该虚拟节点的节点度为D(与该节点相连的虚拟链路条数)，如果这D条虚拟链路请求的带宽分别为b_v1，b_v2…b_vD，则定义虚拟节点n_vi的资源请求度为：由此可以计算出所有虚拟节点的资源请求度，并将其按照从大到小的顺序排序。

1.2.3虚拟节点向物理节点的映射

经过物理节点和虚拟节点的映射度评估及排序过程后，我们可以获得了物理节点和虚拟节点按映射度大小值从大到小的节点序列。假设排序后的物理节点序列为ArrayPhy[p₁，p₂…p_n]，其中n为物理节点的个数；排序后的虚拟节点序列为 ArrayVir[v₁，v₂…v_m]，其中m为虚拟节点的个数。

最后将虚拟节点一队列依次映射到到物理节点，在一一映射的过程中，需要物理节点的剩余计算资源大于虚拟节点请求的计算资源，如在对v₁向物理节点进行映射时，首先检查p₁的剩余计算资源是否大于v₁请求的计算资源，如果满足条件，则将v₁映射到物理节点p₁上；如果不满足条件，则跳过p₁检查p₂是否满足条件，如果满足则将v₁映射到p₂上，以此类推。

1.3链路映射方案

完成节点映射过程后，如果两个虚拟节点之间存在虚拟链路，我们则需要在这两个虚拟节点映射到的物理节点之间建立物理链路，这个过程称之为链路映射过程。在这个过程中，我们采用距离自适应的方法根据距离的长度来选取最合适的传输模式。由此来提升虚拟网络映射的成功率。

1.3.1距离自适应方案描述

我们拟采用的调制格式及其参数列出见表1。我们知道高阶的调制比低阶调制占用更少的频谱隙数，这有利于节约频谱资源。对于距离较远、噪声较大的情况，可以选取低阶的调制格式以获得更好的噪声容忍度；而对于距离较近、噪声较小的情况，可选取符号间距更小的高阶调制格式，以获得更高的频谱效率。因此，不同的调制格式对空分复用弹性光网络中的芯间串扰具有不同的容忍度，不同调制格式的的容忍阈值见表1。

表1光路调制格式相关参数

用一个案例来描述距离自适应实施过程，如图6所示。当有两个虚拟节点分别映射到了图6中的节点A和节点D后，假设这两个虚拟节点之间请求的带宽为100Gbps，则物理节点 A和D之间需要建立100Gbps的物理链路。每一条候选路径所需要总的频谱隙数量具体计算过程见表2。

如表2所列，节点A和D之间的可达路径有5条。第一条路径A-B-C-D的距离长度为700km，由表1可知700km适配的调制格式为8QAM。由公式8可以计算出带宽为100Gbps 的业务用8QAM调制格式需要的连续频谱隙数量为3。因此这条路径上的3条链路一共需要 9个频谱隙。最终的计算结果显示出，在所有的路径方案中，尽管第五条路径A-E-D不是最短径，但它消耗的频谱资源却最少。

表2距离自适应频谱隙计算过程

1.3.2链路映射策略描述

对于每一个映射完成的节点对，若其间需要建立连接，我们首先用KSP算法找到K条最短路径，然后根据每一条候选路径的距离选择匹配的调制格式，随后根据链路需求的带宽计算出该路径需要的总频谱隙数。此时，我们将这K条候选路径依据总体需要占用的频谱隙数从小到大排序，然后我们可以选择出第一条路径(占用频谱最少)来尝试进行资源分配，若第一条路径资源分配成功，则虚拟链路映射成功；若分配失败，则分配第二条候选路径，以此类推。如果所有的候选路径均分配失败，则虚拟链路映射失败。

在资源分配的过程中光层的连接采用7芯光纤，因此在光层的路由频谱分配过程中必须考虑纤芯之间的串扰因素。由于距离自适应方法采用了不同的调制格式，且每一种调制格式对串扰有不同的容忍阈值，因此需要确保待分配的每一个频谱隙上的串扰值均小于当前调制格式下的阈值。

此外，在选择纤芯的过程中中间纤芯具有最低的优先级，因为中间纤芯的频谱资源被分配后会对周围的6根纤芯有较大的串扰影响。为了使得分配的频谱更加的紧凑，以为后续待分配的业务留下更多的频谱空间，我们采用First Fit算法来选择恰好匹配于虚拟链路请求的频谱隙。

基于同一发明构思，本发明还提供一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射系统，包括：

评估模块，用于在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；

节点映射模块，用于根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

链路映射模块，用于在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，所述方法包括：

在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度，包括：

基于光转发器最大映射度匹配值，评估光转发器对当前虚拟网络请求映射能力，确定所述物理节点中的光转发器的可用资源容量；

基于频谱匹配矩阵和调节因子矩阵，评估物理节点相邻链路针对当前虚拟网络请求的映射能力，以确定所述物理节点相邻链路的可用资源容量；

根据物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，构建节点映射度评估模型，确定物理节点整体映射度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下式确定所述物理节点整体映射度：

E＝αE_t+βE_l

其中，E_t表示光转发器资源剩余状况，E_l表示物理节点相邻链路资源剩余状况，α、β为调节因子，分别表示光转发器和链路资源的权重，α+β＝1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过下式确定光转发器资源剩余状况：

式中，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，m表示虚拟节点个数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式确定频谱匹配矩阵：

Num＝[n₁，n₂…n_m]；

式中，n_m表示在P*C根纤芯中第m个虚拟节点的可用连续频谱隙，P表示虚拟链路的MCF光纤数量，C表示每根MCF光纤中的纤芯数量。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过下式确定物理节点相邻链路的可用资源容量：

式中，t_l表示P*C根纤芯中的第l根纤芯的频谱隙对应的调节因子，t_l、∈Tun，调节因子矩阵Tun＝[t₁，t₂，t₃…t_m]，t₁+t₂+…t_m＝1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下式确定频谱隙对应的调节因子：

式中，t_l表示频谱隙n_j对应的调节因子，b_vi为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器最大映射度匹配值，b_vj为带宽请求矩阵[b_v1，b_v2…b_vm]中光转发器第j个映射度匹配值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将虚拟节点按照顺序映射到物理网络包括：

当网络中接收虚拟网络请求时，根据虚拟链路的请求带宽，确定虚拟节点的资源请求度；

基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过下式确定虚拟节点的资源请求度：

式中，E_v1表示虚拟节点n_vi的资源请求度，b_v1，b_v2…b_vD表示D条虚拟链路请求的带宽，D表示虚拟节点n_vi相连的虚拟链路条数。

10.根据权利9所述的方法，其特征在于，所述基于所有虚拟节点的资源请求度，将虚拟网络的各个节点部署到物理网络中包括：

按照所有虚拟节点的资源请求度大小进行节点逆序排列，获得排序后的物理节点序列ArrayPhy[p₁，p₂…p_n]和虚拟节点序列ArrayVir[v₁，v₂…v_m]，其中，n为物理节点的个数；m为虚拟节点的个数；

S1：按照虚拟节点序列的顺序依次选择虚拟节点；

S2：按照物理节点序列中的顺序选择未被虚拟节点占用的物理节点；

S3：判断当前物理节点剩余的计算资源是否大于当前虚拟节点请求的计算资源，若是，则将当前虚拟节点映射到物理节点上，执行步骤:S4；若否，则在未被虚拟节点占用的物理节点中选取下一个物理节点，执行步骤S3；

S4：判断虚拟节点序列中是否存在下一个虚拟节点，若是，执行步骤S2；否则执行结束。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据光纤链路传输距离的长短选择相应的传输模式包括：

基于预先定义的调制格式及其参数，对于距离较远、噪声较大的情况，选取低阶的调制格式，对于距离较近、噪声较小的情况，选取符号间距小的高阶调制格式，以获得频谱隙数量；

基于所述频谱隙数量，计算链路传输距离，并根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过下式确定链路传输距离：

式中，AD_vi,vj表示在链路v_i,v_j中距离自适应负载均衡后的链路传输距离，D_vi,vj表示链路原传输距离，U_vi,vj表示频谱资源占用率，|F|表示链路的频谱隙数目。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述采用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络包括：

获取KSP算法确定的K条候选路径的传输距离相匹配的调制格式，根据链路需求的带宽计算出该路径需要的频谱隙数量；

将K条候选路径依据需要占用的频谱隙数从小到大排序，依次选择候选路径进行资源分配，若占用频谱最少路径资源分配成功，则虚拟链路映射成功；若分配失败，则分配下一条候选路径，以此类推；

如果所有候选路径均分配失败，则虚拟链路映射失败。

14.一种基于多纤芯光网络的虚拟网络映射系统，其特征在于，包括：

评估模块，用于在空分复用弹性光网络的节点映射过程中，基于物理节点中的光转发器的可用资源容量和物理节点相邻链路的可用资源容量，评估物理节点整体映射度；

节点映射模块，用于根据物理节点整体映射度，选择匹配各虚拟节点的最佳物理节点，将所述虚拟节点按照顺序映射到物理网络；

链路映射模块，用于在空分复用弹性光网络的链路映射过程中，利用距离自适应的方法，根据链路传输距离的长短选择相应的传输模式，并利用First Fit算法，在预先定义的链路资源分配方案中选取占用频谱位置坐标值最小且最匹配的方案，将所述链路按照顺序映射到物理网络。