CN110062404A - 核心网中具备单链路故障恢复的虚拟链路映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，解决了强可靠映射中备份带宽占用量大以及多路径映射中时延增加的问题。其实现为：建立包含惩罚代价的资源分配模型；依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集；为虚拟链路确定映射路径数的上、下界；用候选路径集预处理方法缩小可行集大小；计算得到最优预选路径集集合；求解资源分配模型得到最优映射路径集。本发明用备份带宽共享条件，实现了映射路径集与已映射路径集间备份带宽共享，提高了网络资源利用率，引入惩罚代价有效限制了多路径映射的时延增加，提出候选路径集预处理和共享备份带宽计算方法，有效降低了求解的复杂度。用于5G核心网通信。

Description

核心网中具备单链路故障恢复的虚拟链路映射方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，更进一步涉及考虑单链路故障的虚拟链路映射方法，具体是一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法。用于5G核心网通信。

背景技术

相比4G网络主要服务于手持设备，5G网络需要满足增强移动宽带(eMBB)、海量机器通信(mMTC)、超高可靠和低时延通信(uRLLC)三大应用场景的需求。多样化的业务给5G网络提出了差异化的性能需求，但现有的网络架构很难同时满足如此复杂的网络需求。面对这个巨大挑战，网络切片(Network Slicing，NS)概念应运而生，这被认为是5G网络的理想解决方案。网络切片主要基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)来实现，它通过灵活的资源分配将单个物理网络切分成多个逻辑独立的虚拟网络，不同虚拟网络满足不同业务的特殊网络需求。

在网络切片中，每个业务请求由一个有序的服务功能序列组成，称为服务功能链(SFC)，每个服务功能由一些给定的网络节点提供。网络切片要解决的一个关键问题是如何最优地将SFCs部署到底层物理网络中，这本质上是一个网络资源的最优分配问题。如果把SFC中的每个服务功能都看成一个虚拟节点，并把相邻两个虚拟节点之间的连线看成虚拟链路，那么一个SFC的部署过程就是一个链式虚拟网络的映射过程，该映射过程包括两个部分：虚拟节点映射和虚拟链路映射。虚拟节点映射为每个虚拟节点选定一个或多个物理网络节点来提供该虚拟节点所代表的服务功能；虚拟链路映射为每条虚拟链路确定映射路径，完成路由规划，使得业务流能够沿映射路径依次获得SFC中的所有服务功能。

在实际的网络环境中，底层单链路故障时有发生，而一旦发生故障，故障链路上承载的所有映射路径都会受到影响，导致业务无法正常运行。现有的网络切片映射方案要么不考虑底层物理故障，只完成虚拟网络映射，要么只关注底层节点故障，没有考虑底层链路故障，即便考虑了链路故障，也没有为受影响的映射路径提供强可靠性保障，无法100％恢复受影响的带宽，这对带宽敏感性业务来说是不可接受的。但是，如果要为映射路径提供强可靠性保障，那么就需要预留大量的备份带宽资源，以保证故障发生时能够有足够的带宽来恢复受故障链路影响的映射路径带宽，这将使得网络中有大量的带宽处于空闲状态而无法使用，不利于提高网络的资源利用率。因此我们需要找到一种映射方法，在保障映射路径强可靠性的同时，尽可能的减少备份带宽的使用，最大化资源利用率。

在现有的虚拟链路映射方案中，大多采用了多路径映射，这有利于均衡负载和提高网络接纳率。备份策略分为单路径备份和多路径备份，多路径备份更加灵活，利于备份带宽共享，减少备份带宽的使用。多路径映射要求在功能节点处将业务流分割成多个子流进行传输，而在下一个功能节点处则需要将收到的分组排序并重新合并城成务流，这会引入额外的网络开销，使得网络时延增加，服务质量下降。我们需要在尽可能减少备份带宽的同时，有效限制多路径引入的时延增加，实现最大化资源利用率和服务质量之间的折中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种减少备份带宽占用和限制网络时延增加的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法。

本发明是一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，包括有如下步骤：

(1)建立包含惩罚代价的资源分配模型；

(1a)选用映射路径互不相交的多路径映射：针对单链路故障下的虚拟链路映射问题，将每条虚拟链路映射到多条互不相交的映射路径，映射路径在候选路径集中选取，每条映射路径上既分配有传输带宽，也分配有备份带宽，即选用多路径备份；

(1b)根据共享条件共享备份带宽：映射路径集与网络中已映射路径集的相交情况满足备份带宽的共享条件时，它们可以共享备份带宽；

(1c)用惩罚代价限制时延增加：多路径映射会引入额外的网络开销，导致网络时延增加，引入惩罚代价来限制网络时延的增加；

(1d)建立同时具备步骤(1a)、(1b)和(1c)所述三个特点的资源分配模型，即该模型的映射路径互不相交，根据共享条件共享备份带宽，同时用惩罚代价限制时延增加，该模型在约束条件下依据该模型的目标函数选择最优映射路径集；

(2)依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集；

(2a)使用现有的最短路径搜索算法为每条虚拟链路分别搜索一个候选路径集，每个候选路径集包含的候选路径互不相交；

(2b)为每条虚拟链路逐条搜索候选路径，每得到一条新路径则将该路径加入该虚拟链路的候选路径集，并计算一次当前候选路径集的判别量Δ；

(2c)当判别量Δ满足停止条件或无法搜索到新路径则得到候选路径集，停止搜索，停止搜索后执行步骤(3)，不满足停止条件，则继续进行候选路径搜索，所述的停止条件是指：Δ≤0；

(3)为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界；

(3a)根据停止搜索的情况确定映射路径数上界N_M：如果判别量Δ满足停止条件，删除候选路径集中最后一条候选路径，取映射路径数上界N_M为删除最后一条候选路径后候选路径集包含的路径数；如果无法搜索到新路径，取路径数上界N_M为候选路径集包含的路径数；

(3b)根据映射路径数上界确定映射路径数下界N_m；

(4)通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小：对于每条候选路径，通过共享备份带宽计算方法计算该路径对应的备份带宽收益，根据备份带宽收益大小每次删除一条候选路径，经多次计算和删除，得到缩小的候选路径集；

(5)通过为每个子路径集计算分配带宽总量，得到最优预选路径集集合；

(5a)映射路径数在其上界和下界范围内取值，每取定一个值n，能够得到缩小的候选路径集的路径数为n的所有子路径集；

(5b)为每个子路径集计算共享备份带宽，进一步计算该子路径集的分配带宽总量B(P_i ⁿ)，将最小分配带宽总量对应的子路径集选为最优预选路径集；

(5c)得到最优预选路径集集合：映射路径数每取定一个值n对应一个最优预选路径集，所有最优预选路径集构成最优预选路径集集合，最优映射路径集在该集合中选取；

(6)添加路径集约束，通过求解带有路径集约束的资源分配模型得到最优映射路径集；

(6a)在资源分配模型中添加路径集约束，限制求解范围；

(6b)求解带有路径集约束的资源分配模型：根据最优预选路径集集合，写出备份带宽和最大时延差的表达式，并代入带有路径集约束的资源分配模型，求解该资源分配模型得到最优映射路径集；

(7)判断资源分配模型是否有解：判断带有路径集约束的资源分配模型是否有解，如果有解则更新物理链路的剩余带宽和网络映射信息，当前请求映射完成，否则拒绝该映射请求；

(8)等待下一个虚拟链路映射请求。

本发明在为映射路径提供强可靠性的同时，实现了映射路径集和网络中已映射路径集之间备份资源的共享，减少了备份资源的使用，引入惩罚代价有效限制了多路径映射引入的时延增加，提供候选路径集预处理和共享备份带宽计算方法，有效降低了求解资源分配模型的复杂度。

本发明的有益效果在于：

第一，本发明使用备份带宽的共享条件，实现了备份带宽的共享，克服了具备强可靠性的虚拟链路映射中备份带宽占用量较大的问题，使得本发明在为映射路径提供强可靠性的同时，减少了备份带宽的使用，提高了网络资源利用率。

第二，本发明引入惩罚函数，考虑了多路径映射引入的额外网络开销，使得本发明在提高资源利用率的同时，有效限制了由映射路径增多带来的时延增加，实现了最大化资源利用率和服务质量之间的折中。

第三，本发明提出候选路径集预处理方法和共享备份带宽计算方法，在求解资源分配模型前缩小了可行集的大小，简化了目标函数中备份带宽的表示式，使得本发明降低了求解资源分配模型的复杂度。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的候选路径集预处理方法流程图。

图3是本发明的共享备份带宽计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细描述。

实施例1

一方面，在实际的网络环境中，底层单链路故障时有发生，如果要为映射路径提供强可靠性保障，那么就需要预留大量的备份带宽资源，以保证故障发生时能够100％恢复受影响的映射路径带宽，这将使得网络中有大量的带宽处于空闲状态而无法使用，不利于提高网络的资源利用率；另一方面，多路径映射要求在功能节点处将业务流分割成多个子流进行传输，而在下一个功能节点处则需要将收到的数据排序并重新合并成业务流，这会引入额外的网络开销，使得网络时延增加，服务质量下降。

本发明针对这个现状，展开深入研究，提出一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，参见图1，包括有如下步骤：

当一个业务到达时，先完成节点映射，然后进行链路映射，在映射链路时，考虑单链路故障的影响，为每条映射路径预留备份资源，当故障发生时，使用备份资源恢复受影响的路径。通过如下步骤同时完成当前业务的所有虚拟链路映射。

(1)建立包含惩罚代价的资源分配模型。

(1a)选用映射路径互不相交的多路径映射：针对单链路故障下的虚拟链路映射问题，将每条虚拟链路映射到多条互不相交的映射路径，映射路径在候选路径集中选取，每条映射路径上既分配有传输带宽，也分配有备份带宽，即选用多路径备份。本发明选用的多路径映射和多路径备份利于均衡负载和减少备份带宽的使用。

(1b)根据共享条件共享备份带宽：映射路径集与网络中已映射路径集的相交情况满足备份带宽的共享条件时，映射路径集与网络中已映射路径集可以共享备份带宽。

(1c)用惩罚代价限制时延增加：多路径映射会引入额外的网络开销，导致网络时延增加，在目标中引入惩罚代价来限制网络时延的增加。

(1d)建立同时具备步骤(1a)、(1b)和(1c)所述三个特点的资源分配模型，即该模型的映射路径互不相交，根据共享条件共享备份带宽，同时用惩罚代价限制时延增加，该模型在约束条件下依据该模型的目标函数选择最优映射路径集。

(2)依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集。

(2a)使用现有的最短路径搜索算法为每条虚拟链路分别搜索一个候选路径集，每个候选路径集包含的候选路径互不相交。

(2b)为每条虚拟链路逐条搜索候选路径，每得到一条新路径则将该路径加入该虚拟链路的候选路径集，并计算一次当前候选路径集的判别量Δ。

(2c)当判别量Δ满足停止条件或无法搜索到新路径则得到候选路径集，停止搜索，停止搜索后执行步骤(3)，不满足停止条件，则继续进行候选路径搜索，所述的停止条件是指：Δ≤0。

(3)为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界。

(3a)根据停止搜索的情况确定映射路径数上界N_M：如果判别量Δ满足停止条件，删除候选路径集中最后一条候选路径，取映射路径数上界N_M为删除最后一条候选路径后候选路径集包含的路径数；如果无法搜索到新路径，取路径数上界N_M为候选路径集包含的路径数。

(3b)根据映射路径数上界N_M确定映射路径数下界N_m：如果N_M＞3，令路径数下界N_m＝3；否则，令路径数下界N_m＝N_M。

(4)通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小：对于每条候选路径，通过共享备份带宽计算方法计算该路径对应的备份带宽收益，根据备份带宽收益大小每次删除一条候选路径，经多次计算和删除，得到缩小的候选路径集。

换句话说，本发明根据备份带宽的共享条件，通过共享备份带宽计算方法先计算候选路径集的共享备份带宽，然后对于每条候选路径，计算删除该候选路径后候选路径集的共享备份带宽，进一步计算删除该候选路径后候选路径对应的备份带宽收益，然后判断所有候选路径的备份带宽收益大小，存在备份带宽收益大于0，则删除最大备份带宽收益对应的候选路径，继续执行计算、删除操作。经过多次计算、删除操作不断缩小候选路径集，直到不存在备份带宽收益大于0，停止计算、删除操作，得到缩小的候选路径集。

(5)通过为每个子路径集计算分配带宽总量，得到最优预选路径集集合。

(5a)映射路径数在其上界和下界范围内取值，每取定一个值n，能够得到缩小的候选路径集的路径数为n的所有子路径集。

(5b)为每个子路径集计算共享备份带宽，进一步计算该子路径集的分配带宽总量B(P_i ⁿ)，将最小分配带宽总量对应的子路径集选为最优预选路径集。

(5c)得到最优预选路径集集合：映射路径数每取定一个值n对应一个最优预选路径集，所有最优预选路径集构成最优预选路径集集合，最优映射路径集在该集合中选取。

(6)添加路径集约束，通过求解带有路径集约束的资源分配模型得到最优映射路径集。

(6a)在资源分配模型中添加路径集约束，限制求解范围。

(6b)求解带有路径集约束的资源分配模型：根据步骤(5)得到的最优预选路径集集合，写出备份带宽和最大时延差的表达式，并代入带有路径集约束的资源分配模型，求解该资源分配模型得到最优映射路径集。

(7)判断资源分配模型是否有解：判断步骤(6b)中带有路径集约束的资源分配模型是否有解，如果有解则更新物理链路的剩余带宽和网络映射信息，当前请求映射完成，否则拒绝该映射请求。

映射完成时更新物理链路的剩余带宽和网络的映射信息，为下一个映射作准备。

(8)等待下一个虚拟链路映射请求。

本发明研究了底层单链路故障下虚拟链路映射的可靠性问题，为映射路径提供了强可靠性保障；采用了多路径映射和多路径备份策略，均衡了负载并减少了备份带宽的使用；使用了不同虚拟链路的映射路径集之间共享备份带宽的充分条件，进一步减少了备份带宽的使用；引入了惩罚代价来限制网络时延的增加，以期实现最大化资源利用率和服务质量之间的折中；提供了候选路径集预处理方法和共享备份带宽计算方法，减小了可行集的大小，简化了备份带宽的表达式，降低了求解的复杂度。

实施例2

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1，本发明步骤(1b)中所述的备份带宽的共享条件是指：任意m个路径集，如果这m个路径集只交于一条路径，且其中的任意2个路径集也只交于一条路径，那么这m个路径集在相交的路径处可以共享备份带宽。

本例中m最小取2，且取有限整数。备份带宽的共享条件是在为映射路径提供强可靠性保障的前提下，路径集之间可以共享备份带宽的充分条件，当映射路径集与网络中已映射路径集满足备份带宽的共享条件时，即使它们共享了备份带宽，仍然能够保证在任意单链路故障发生时有足够的备份带宽可以100％恢复受影响的所有映射路径。

实施例3

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-2，本发明步骤(1d)中所述的资源分配模型的目标函数为：

其中，E_v表示需要映射的虚拟链路集合，B_v表示虚拟链路v的带宽需求，P_v表示虚拟链路v的候选路径集，表示是否将候选路径p选为虚拟链路v的映射路径，如果是则取1，否则取0，|p|表示候选路径p包含的物理链路数，B_s(v)表示虚拟链路v的映射路径集与已映射路径集共享的备份带宽，f_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的惩罚代价，N_v表示虚拟链路v的映射路径数。

f_v的表达式为：

N_v的表达式为：

其中，和表示虚拟链路v的时延权重参数，Δτ_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的最大时延差。候选路径集中的每条候选路径都有时延，最小候选路径时延记为τ_m，映射路径集中映射路径的最大时延记为τ_M，则Δτ_v＝τ_M-τ_m。

目标函数包含三个部分，第一部分计算的是不共享备份带宽时映射虚拟链路v需要分配的总带宽，第二部分B_s(v)表示的是虚拟链路v的映射路径集与网络中已映射路径集共享的备份带宽，第三部分f_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的惩罚代价，前两部分相减得到的是映射虚拟链路v实际需要分配的总带宽。

本发明不仅建立了资源分配模型，而且给出了包含惩罚代价的目标函数，使得本发明在减少备份带宽的同时，有效限制了由映射路径增多带来的时延增加，实现了最大化资源利用率和服务质量之间的折中。

实施例4

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-3，本发明步骤(2b)中所述的判别量Δ为：

其中，N+1表示当前候选路径集包含的候选路径数，p_k表示搜索到的第k条候选路径，表示候选路径集的前N条候选路径对应的惩罚代价。

的表达式为：

其中，Δτ_N表示候选路径集的前N条候选路径的最大时延差。

本发明中判别量Δ的大小表示将新搜索到的路径添加到候选路径集中能带来的目标函数的最大减小量，当判别量Δ≤0，说明添加一条新路径到候选路径集后，在最理想情况下也不能减小目标函数的值，所以停止搜索新的路径。

实施例5

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-4，本发明步骤(4)所述的通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小，参见图2，包括有如下步骤：

(4a)根据备份带宽的共享条件，通过共享备份带宽计算方法先计算缩小后的候选路径集的共享备份带宽，然后对于每条候选路径，计算删除该候选路径后候选路径集的共享备份带宽，进一步计算删除该候选路径后候选路径集获得的备份带宽收益ΔB₂(p_i)；

(4b)判断备份带宽收益大小：如果候选路径集中存在至少一条候选路径对应的备份带宽收益大于0，则将最大备份带宽收益所对应的候选路径从候选路径集中删除，更新映射路径数上界，得到新的候选路径集，执行步骤(4c)；如果候选路径集中不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0，转步骤(5)；

(4c)重复执行步骤(4a)-(4b)，直到不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0；

本发明提出候选路径集预处理方法来缩小候选路径集的大小，该方法通过删除那些无法减少备份带宽的候选路径，使得候选路径集向最优映射路径集的方向缩小，降低了求解资源分配模型的复杂度。

实施例6

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-5，本发明步骤(4a)中所述的共享备份带宽计算方法，参见图3，包括有如下步骤：

(4a1)获取当前路径集信息和网络映射信息；

(4a2)根据获取的信息，得到当前路径集的每条路径与已映射路径集的相交信息；

(4a3)根据所有路径的相交信息，得到当前路径集与已映射路径集的相交信息；

(4a4)根据当前路径集与已映射路径集的相交信息，得到只与当前路径集有一条相交路径的已映射路径集和相应的共享链路；

(4a5)根据共享链路的资源分配信息和备份带宽的共享条件，计算每条共享链路上的共享备份带宽；

(4a6)根据所有共享链路上的共享备份带宽，计算得到当前路径集的共享备份带宽。

步骤(4a1)所述的当前路径集信息是指：当前路径集包含的具体路径以及每条路径包含的具体物理链路。步骤(4a1)所述网络映射信息是指：网络的每条物理链路上已映射的路径集个数以及每个已映射路径集所映射的路径。步骤(4a2)所述的每条路径与已映射路径集的相交信息是指：与该路径相交的已映射路径集、相交的已映射路径以及相交的具体物理链路。步骤(4a3)所述的当前路径集与已映射路径集的相交信息是指：当前路径集与哪几个已映射路径集相交，与每个已映射路径集有几条相交路径。步骤(4a4)所述的共享链路是指：只与当前路径集有一条相交路径的已映射路径集与当前路径集相交的物理链路。步骤(4a5)所述的共享链路的资源分配信息是指：每条共享链路上有几组已映射路径集共享备份带宽、每组已映射路径集共享的备份带宽量以及每个已映射路径集在该共享链路上实际分配的备份带宽(即不包括共享备份带宽)。

本发明提出共享备份带宽计算方法来计算候选路径集的任一子路径集与已映射路径集的共享备份带宽，为缩小候选路径集的大小提供了数据，并简化了目标函数中共享备份带宽的表达式。

实施例7

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-6，本发明步骤(4a)中所述的备份带宽收益ΔB₂(p_i)为：

其中，B_s表示候选路径集的共享备份带宽，p_i表示候选路径集的第i条候选路径，B_s(p_i)表示删除候选路径p_i后候选路径集的共享备份带宽。

本发明中备份带宽收益ΔB₂(p_i)的大小表示在不考虑惩罚代价的情况下，删除候选路径p_i能带来的目标函数的减小量，当备份带宽收益ΔB₂(p_i)＞0，表示删除候选路径p_i能使目标函数减小，备份带宽收益为缩小候选路径集提供了依据。

实施例8

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-7，本发明步骤(5b)中所述的分配带宽总量B(P_i ⁿ)为：

其中，P_i ⁿ表示候选路径集的路径数为n的第i个子路径集，B_s(P_i ⁿ)表示子路经集P_i ⁿ的共享备份带宽。

本发明中分配带宽总量B(P_i ⁿ)表示不考虑惩罚代价的情况下，将虚拟链路v映射到子路径集P_i ⁿ需要分配的带宽总量，我们根据分配带宽总量B(P_i ⁿ)的大小从路径数为n的所有子路径集中选择一个最优的子路径集作为最优预选路径集，进一步缩小了资源分配模型的求解范围。

实施例9

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-8，本发明步骤(6a)中所述的路径集约束为：

其中，λ(v,n)表示虚拟链路v的路径数为n的最优预选路径集的路径集约束，λ(v,n)的表达式为：

当且仅当将最优预选路径集被选为虚拟链路v的映射路径集时，λ(v,n)＝1；否则，λ(v,n)＝0。

本发明通过在资源分配模型中添加路径集约束使得该模型的求解范围限制在最优预选路径集集合中，降低求解资源分配模型的复杂度。

下面给出一个更加详细的例子，对本发明进一步说明。

实施例10

5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法同实施例1-9，参照图1，下面对本发明实施步骤作进一步的详细描述。

步骤1.针对底层单链路故障下虚拟链路映射的可靠性问题，建立包含惩罚代价的资源分配模型。

当一个业务到达时，先完成虚拟节点映射，然后执行虚拟链路映射。在映射虚拟链路时，考虑单链路故障的影响，为每条映射路径预留备份资源，当故障发生时，使用备份资源恢复受影响的路径。

针对单链路故障下的虚拟链路映射问题，建立同时具备映射路径互不相交，根据共享条件共享备份带宽，以及用惩罚代价限制时延增加三个特点的资源分配模型，该模型在约束条件下依据该模型的目标函数从候选路径集中选择最优映射路径集。

本发明选用多路径映射是因为多路径映射将虚拟链路的带宽需求平均分配到多条物理路径，均衡了负载，选用多路径备份是因为多路径备份将每条映射路径的备份带宽平均分配到多条映射路径，当映射路径数不少于3条时，映射路径数越多，需要分配的备份带宽越少，多路径备份减少了备份带宽的使用。

虚拟链路映射请求由G_v＝{E_v,B_v}表示，E_v表示需要映射的虚拟链路集合，B_v表示虚拟链路v的带宽需求。P_v表示虚拟链路v的候选路径集，各候选路径之间互不相交，虚拟链路v的映射路径从P_v中选取。

资源分配模型的目标函数为：

其中，表示是否将候选路径p选为虚拟链路v的映射路径，如果是则取1，否则取0，|p|表示候选路径p包含的物理链路数，B_s(v)表示虚拟链路v的映射路径集与已映射路径集共享的备份带宽，f_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的惩罚代价，N_v表示虚拟链路v的映射路径数。

f_v的表达式为：

N_v的表达式为：

其中，和表示虚拟链路v的时延权重参数，该参数根据不同业务对时延的敏感程度可调，Δτ_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的最大时延差。候选路径集中的每条候选路径都有时延，最小候选路径时延记为τ_m，映射路径集中映射路径的最大时延记为τ_M，则Δτ_v＝τ_M-τ_m。

步骤2.依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集。

使用现有的最短路径搜索算法为每条虚拟链路分别搜索一个候选路径集，每个候选路径集包含的候选路径互不相交。由于本发明是多路径映射，所以候选路径集至少需要包含2条候选路径。

为每条虚拟链路逐条搜索候选路径，如果搜索到新路径，则将该路径加入该虚拟链路的候选路径集，并计算一次当前候选路径集的判别量Δ，如果无法搜索到新路径，则停止搜索，得到候选路径集，转步骤3为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界。

本发明每得到一条新路径则将该路径加入该虚拟链路的候选路径集，并计算一次当前候选路径集的判别量Δ：

其中，N+1为当前搜索到的路径数，|p_k|表示第k条候选路径包含的物理链路数，表示前N条候选路径对应的惩罚代价。

一般情况下，N取值不小于2，即至少搜索到3条路径才计算判别量，当候选路径少于3条时，计算判别量没有实际意义。

如果判别量Δ＞0，则返回步骤2依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集，即继续搜索候选路径。如果判别量Δ≤0，则停止搜索，得到候选路径集，并转步骤3为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界。本发明中每条虚拟链路都得到一个候选路径集。

步骤3.为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界。

根据停止搜索的情况确定映射路径数上界：如果Δ≤0，删除候选路径集中最后一条候选路径，取映射路径数上界N_M为删除最后一条候选路径后候选路径集包含的路径数；如果无法搜索到新路径，取路径数上界N_M为候选路径集包含的路径数。

如果N_M＞3，令映射路径数下界N_m＝3；否则，令映射路径数下界N_m＝N_M。

由于在本发明中，只有当映射路径数不少于3条时，备份带宽才会随映射路径数增多而减小，所以映射路径数下界一般取3，如果候选路径集包含的候选路径数小于3，则取映射路径数下界为候选路径集包含的候选路径数。

步骤4.通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小。

所述的候选路径集预处理方法，参见图2，包括有如下步骤：

(4a)根据备份带宽的共享条件，通过共享备份带宽计算方法先计算候选路径集的共享备份带宽，然后对于每条候选路径，计算删除该候选路径后候选路径集的共享备份带宽，进一步计算删除该候选路径后候选路径集获得的备份带宽收益ΔB₂(p_i)；

(4b)判断备份带宽收益大小：如果候选路径集中存在至少一条候选路径对应的备份带宽收益大于0，则将最大备份带宽收益所对应的候选路径从候选路径集中删除，更新映射路径数上界，得到新的候选路径集，执行步骤(4c)；如果候选路径集中不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0，转步骤(5)；

(4c)重复执行步骤(4a)-(4b)，直到不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0。

候选路径集预处理方法的目的是缩小候选路径集。一般情况下，映射路径数上界与映射路径数下界不相等，通过删除候选路径可以减小映射路径数上界，缩小可行集大小。如果映射路径数上界与映射路径数下界相等，则不需要通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小。

步骤(4a)所述的共享备份带宽计算方法，参见图3，包括有如下步骤：

(4a1)获取当前路径集信息和网络映射信息；

(4a2)根据获取的信息，得到当前路径集的每条路径与已映射路径集的相交信息；

(4a3)根据所有路径的相交信息，得到当前路径集与已映射路径集的相交信息；

(4a4)根据当前路径集与已映射路径集的相交信息，得到只与当前路径集有一条相交路径的已映射路径集和相应的共享链路；

(4a5)根据共享链路的资源分配信息和备份带宽的共享条件，计算每条共享链路上的共享备份带宽；

(4a6)根据所有共享链路上的共享备份带宽，计算得到当前路径集的共享备份带宽。

共享备份带宽计算方法用来计算候选路径集的任一子路径集与网络中已映射路径集的共享备份带宽。

步骤5.通过为每个子路径集计算分配带宽总量，得到最优预选路径集集合。

对于每条虚拟链路，映射路径数在映射路径数上界和下界范围内取值，每取定一个n值，能够得到候选路径集的路径数为n的所有子路径集，计算每个子路径集的共享备份带宽，进一步计算每个子路径集的分配带宽总量B(P_i ⁿ)：

其中，P_i ⁿ表示候选路径集的路径数为n的第i个子路径集，B_s(P_i ⁿ)表示子路经集P_i ⁿ的共享备份带宽。

最小B(P_i ⁿ)对应的子路径集称为映射路径数为n的最优预选路径集，记为所有构成虚拟链路v的最优预选路径集集合，该集合包含N_M-N_m+1个最优预选路径集。本发明中每条虚拟链路都得到一个最优预选路径集集合。

步骤6.添加路径集约束，通过求解带有路径集约束的资源分配模型得到最优映射路径集。

为了将资源分配模型的求解范围限制在最优预选路径集集合中，本发明在资源分配模型中添加路径集约束。

求解带有路径集约束的资源分配模型之前，先根据最优预选路径集集合，写出备份带宽和最大时延差的表达式，然后代入带有路径集约束的资源分配模型，求解该资源分配模型得到最优映射路径集。

备份带宽的表达式为：

其中，表示最优预选路径集的共享备份带宽。

最大时延差的表达式为：

其中，表示最优预选路径集的最大时延差，其表达式为：

其中，表示虚拟链路v最优预选路径集中路径的最大时延，τ_m表示虚拟链路v的候选路径集中候选路径的最小时延。

求解带有路径集约束的资源分配模型时还需要加上物理链路的带宽约束，即虚拟链路v在任一物理链路上分配的带宽不大于该物理链路的剩余带宽。

步骤7.判断资源分配模型是否有解：判断带有路径集约束的资源分配模型是否有解，如果有解则更新物理链路的剩余带宽和网络映射信息，当前请求映射完成，为下一个虚拟链路映射作准备。否则，即带有路径集约束的资源分配模型无解，拒绝该映射请求，进而执行步骤8，等待下一个虚拟链路映射请求。

步骤8.等待下一个虚拟链路映射请求。

简而言之，本发明公开的一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，解决了强可靠映射中备份带宽占用量大以及多路径映射中时延增加的问题。其实现为：1.建立包含惩罚代价的资源分配模型；2.依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集；3.为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界；4.用候选路径集预处理方法缩小可行集大小；5.计算得到最优预选路径集集合；6.通过求解带有路径集约束的资源分配模型得到最优映射路径集。本发明使用备份带宽的共享条件，实现了映射路径集与网络中已映射路径集间备份带宽的共享，提高了网络的资源利用率，引入惩罚函数，有效限制了由映射路径增多带来的时延增加，提出候选路径集预处理方法和共享备份带宽计算方法，有效降低了求解资源分配模型的复杂度。用于5G核心网通信。

Claims (9)

1.一种5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)建立包含惩罚代价的资源分配模型；

(1a)选用映射路径互不相交的多路径映射：针对单链路故障下的虚拟链路映射问题，将每条虚拟链路映射到多条互不相交的映射路径，映射路径在候选路径集中选取，每条映射路径上既分配有传输带宽，也分配有备份带宽；

(1b)根据共享条件共享备份带宽：映射路径集与网络中已映射路径集的相交情况满足备份带宽的共享条件时，它们可以共享备份带宽；

(1c)用惩罚代价限制时延增加：多路径映射会引入额外的网络开销，导致网络时延增加，在目标中引入惩罚代价来限制网络时延的增加；

(1d)建立同时具备步骤(1a)、(1b)和(1c)所述三个特点的资源分配模型，即该模型的映射路径互不相交，根据共享条件共享备份带宽，同时用惩罚代价限制时延增加，该模型在约束条件下依据该模型的目标函数选择最优映射路径集；

(2)依据判别量为虚拟链路搜索候选路径集；

(2a)使用现有的最短路径搜索算法为每条虚拟链路分别搜索一个候选路径集，每个候选路径集包含的候选路径互不相交；

(2b)为每条虚拟链路逐条搜索候选路径，每得到一条新路径则将该路径加入该虚拟链路的候选路径集，并计算一次当前候选路径集的判别量Δ；

(2c)当判别量Δ满足停止条件或无法搜索到新路径则得到候选路径集，停止搜索，停止搜索后执行步骤(3)，不满足停止条件，则继续进行候选路径搜索，所述的停止条件是指：Δ≤0；

(3)为虚拟链路确定映射路径数的上界和下界；

(3a)根据停止搜索的情况确定映射路径数上界N_M：如果判别量Δ满足停止条件，删除候选路径集中最后一条候选路径，取映射路径数上界N_M为删除最后一条候选路径后候选路径集包含的路径数；如果无法搜索到新路径，取路径数上界N_M为候选路径集包含的路径数；

(3b)根据映射路径数上界确定映射路径数下界N_m；

(4)通过候选路径集预处理方法缩小可行集大小：对于每条候选路径，通过共享备份带宽计算方法计算该路径对应的备份带宽收益，根据备份带宽收益大小每次删除一条候选路径，经多次计算和删除，得到缩小的候选路径集；

(5)通过为每个子路径集计算分配带宽总量，得到最优预选路径集集合；

(5a)映射路径数在其上界和下界范围内取值，每取定一个值n，能够得到候选路径集的路径数为n的所有子路径集；

(5b)为每个子路径集计算共享备份带宽，进一步计算该子路径集的分配带宽总量B(P_i ⁿ)，最小分配带宽总量所对应的子路径集选为最优预选路径集；

(5c)得到最优预选路径集集合：映射路径数每取定一个值n对应一个最优预选路径集，所有最优预选路径集构成最优预选路径集集合，最优映射路径集在该集合中选取；

(6)添加路径集约束，通过求解带有路径集约束的资源分配模型得到最优映射路径集；

(6a)在资源分配模型中添加路径集约束，限制求解范围；

(6b)求解带有路径集约束的资源分配模型：根据最优预选路径集集合，写出备份带宽和最大时延差的表达式，并代入带有路径集约束的资源分配模型，求解该资源分配模型得到最优映射路径集；

(7)判断资源分配模型是否有解：判断带有路径集约束的资源分配模型是否有解，如果有解则更新物理链路的剩余带宽和网络映射信息，当前映射请求映射完成，否则拒绝该映射请求；

(8)等待下一个虚拟链路映射请求。

2.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的备份带宽的共享条件是指：任意m个路径集，如果这m个路径集只交于一条路径，且其中的任意2个路径集也只交于一条路径，那么这m个路径集在相交的路径处可以共享备份带宽。

3.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(1d)中所述的资源分配模型的目标函数为：

其中，E_v表示需要映射的虚拟链路集合，B_v表示虚拟链路v的带宽需求，P_v表示虚拟链路v的候选路径集，表示是否将候选路径p选为虚拟链路v的映射路径，如果是则取1，否则取0，|p|表示候选路径p包含的物理链路数，B_s(v)表示虚拟链路v的映射路径集与已映射路径集共享的备份带宽，f_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的惩罚代价，N_v表示虚拟链路v的映射路径数；

f_v的表达式为：

N_v的表达式为：

其中，和表示虚拟链路v的时延权重参数，Δτ_v表示虚拟链路v的映射路径集对应的最大时延差。

4.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的判别量Δ为：

其中，N+1表示当前候选路径集包含的候选路径数，p_k表示搜索到的第k条候选路径，表示候选路径集的前N条候选路径对应的惩罚代价；

的表达式为：

其中，Δτ_N表示候选路径集的前N条候选路径对应的最大时延差。

5.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(4)所述的通过候选路径集预处理方法减小可行集大小，包括有如下步骤：

(4a)根据备份带宽的共享条件，通过共享备份带宽计算方法先计算候选路径集的共享备份带宽，然后对于每条候选路径，计算删除该候选路径后候选路径集的共享备份带宽，进一步计算删除该候选路径后候选路径集获得的备份带宽收益ΔB₂(p_i)；

(4b)判断备份带宽收益大小：如果候选路径集中存在至少一条候选路径对应的备份带宽收益大于0，则将最大备份带宽收益所对应的候选路径从候选路径集中删除，更新映射路径数上界，得到新的候选路径集，执行步骤(4c)；如果候选路径集中不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0，转步骤(5)；

(4c)重复执行步骤(4a)-(4b)，直到不存在候选路径对应的备份带宽收益大于0。

6.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的共享备份带宽计算方法包括有如下步骤：

(4a1)获取当前路径集信息和网络映射信息；

(4a2)根据获取的信息，得到当前路径集的每条路径与已映射路径集的相交信息；

(4a3)根据所有路径的相交信息，得到当前路径集与已映射路径集的相交信息；

(4a4)根据当前路径集与已映射路径集的相交信息，得到只与当前路径集有一条相交路径的已映射路径集和相应的共享链路；

(4a5)根据共享链路的资源分配信息和备份带宽的共享条件，计算每条共享链路上的共享备份带宽；

(4a6)根据所有共享链路上的共享备份带宽，计算得到当前路径集的共享备份带宽。

7.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的备份带宽收益ΔB₂(p_i)为：

其中，B_s表示候选路径集的共享备份带宽，p_i表示候选路径集的第i条候选路径，B_s(p_i)表示删除候选路径p_i后候选路径集的共享备份带宽。

8.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的分配带宽总量B(P_i ⁿ)为：

其中，P_i ⁿ表示候选路径集的路径数为n的第i个子路径集，B_s(P_i ⁿ)表示子路经集P_i ⁿ的共享备份带宽。

9.根据权利要求1所述的5G核心网中具备单链路故障恢复能力的虚拟链路映射方法，其特征在于，步骤(6a)中所述的路径集约束为：

其中，λ(v,n)表示虚拟链路v的路径数为n的最优预选路径集的路径集约束，λ(v,n)的表达式为：

当且仅当最优预选路径集被选为虚拟链路v的映射路径集时，λ(v,n)＝1；否则，λ(v,n)＝0。