CN110446121B - 基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法 - Google Patents

基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法 Download PDF

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Abstract

一种基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，具体步骤是：首先生成虚拟网络功能服务链请求集合，然后优先将承载虚拟网络功能的虚拟节点合并到已放置有相同功能类型的虚拟网络功能的数据中心节点上，其次将其它虚拟节点放置到经过其源、宿节点之间的最短路径，且介数中心度最大的数据中心节点上；最后对所有虚拟链路按照频谱分配优先度进行降序排列，再依次对每条虚拟链路进行分配频谱，完成虚拟网络功能服务链的映射。本发明能够为随机产生的虚拟网络功能服务链提供映射方案，具有更加符合实际场景，应用范围更广的优点；减少了虚拟网络功能的放置次数和最大已占用频隙编号，节约了映射开销。

Description

基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及网络通信技术领域中的一种基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法。本发明可以在弹性光网络中，针对随机生成的静态虚拟网络功能服务链请求集合，进行虚拟节点的放置与虚拟链路的选路与频谱分配，实现虚拟网络功能服务链的映射。
背景技术
网络功能虚拟化NFV(Network Function Virtualization)技术将下层弹性光网络中的服务器、交换机、再生器和光纤等网元，通过虚拟化概念抽象成多种独立的虚拟网络功能(Virtual Network Function)，可实现软件与硬件“解耦”。上层虚拟网络用户请求的多种虚拟网络功能可构建成虚拟网络功能服务链VNF-SC(Virtual Network FunctionService Chaining)，网络运营商将这些虚拟网络功能服务链按照“先放置虚拟网络功能，后连接虚拟链路”的顺序映射到下层弹性光网络中。该过程也称虚拟光网络映射，能够满足复杂多样的虚拟网络用户请求。
Wenjian Fang、Menglu Zeng、Xiahe Liu、Wei Lu、Zuqing Zhu在其发表的论文“Joint Spectrum and IT Resource Allocation for Efficient VNF Service Chainingin Inter-Datacenter Elastic Optical Networks”(IEEE Communications Letters,vol.20,no.8,Aug.2016，1539-1542)中公开了一种基于最长公共子序列LCS(LongestCommon Subsequence)策略的虚拟网络功能服务链的映射方法。该方法提出的最长公共子序列策略具体步骤是，分别计算每条候选路径上已有的虚拟网络功能服务链与业务请求的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列，然后复用与最长公共子序列中虚拟网络功能类型相同的虚拟网络功能，用于映射随机产生的、带宽粒度大小不一的虚拟网络功能服务链。该方法存在的不足之处是，只考虑最长公共子序列和最短路径上的数据中心节点，如果出现最短路径上的数据中心节点上没有放置过虚拟节点，而且虚拟节点放置总次数有限的情况下，部分虚拟网络功能将不能完成部署，造成虚拟网络功能服务链映射不成功的问题，。
苏州大学在其申请的专利文献“虚拟光网络协同映射方法和装置”(申请号201510682056.4，申请公布号CN 105338435 A)中公开了一种虚拟光网络协同映射方法和装置。该方法将虚拟网络功能映射分为两个阶段：第一阶段根据虚拟节点的位置要求和路径跳数，为虚拟链路选择预选路径；第二阶段根据虚拟链路的预选路径，采用首次匹配的方法为链路分配频谱资源。该方法存在的不足之处是，第一阶段为虚拟链路选择预选路径仅考虑虚拟节点位置要求和路径跳数，如果第二阶段只采用首次匹配的方法为链路分配频谱资源，可能造成频谱资源浪费、虚拟网络功能服务链映射的归一化网络资源总开销过高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法。
本发明的具体思路是：首先，计算所有数据中心节点的介数中心度，根据介数中心度大的优先选择原则，为第一个虚拟网络功能服务链上的虚拟网络功能选择数据中心节点进行部署；其次，计算待部署虚拟网络功能服务链与已部署虚拟网络功能服务链的最长公共子序列，将待部署虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上类型相同的虚拟网络功能，合并到已部署且与其类型相同的虚拟网络功能所部署的数据中心节点上；再次，对于待部署虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上类型不同的虚拟网络功能，为其选择经过其源节点和宿节点间的路径，而且介数中心度最大的数据中心节点进行部署；然后，按照虚拟链路的频谱分配权重的大小，对所有虚拟链路进行降序排序；最后，依次对虚拟链路进行频谱分配，完成所有虚拟网络功能服务链的映射。
本发明的步骤包括如下：
(1)预处理弹性光网络：
(1a)利用节点间直连方法，构建弹性光网络的邻接矩阵；
(1b)利用迪杰斯特拉算法，计算弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径；
(1c)从弹性光网络中随机选取节点总数一半的节点，作为数据中心节点，并且记录数据中心节点总数和所选的节点编号n；
(1d)按照下式，计算每个数据中心节点的介数中心度：
Figure GDA0002219034300000021
其中，g(n)表示第n个数据中心节点的介数中心度，∑表示求和操作，s和d均选自弹性光网络中的节点，ε′s,d(n)表示从源节点s到宿节点d且经过第n个数据中心节点的路径数目，εs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目；
(1e)按照下式，计算弹性光网络中每条链路的介数中心度：
Figure GDA0002219034300000031
其中，h(ep,q)表示弹性光网络中第p个节点与第q个节点间链路ep,q的介数中心度，s和d均选自弹性光网络中的节点，节点p与节点q是源节点s到宿节点d候选路径上的节点，＜表示支配符号，σ′s,d(ep,q)表示从源节点s到宿节点d间经过链路ep,q的路径数目，σs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目；
(2)构建业务请求集合：
(2a)随机生成业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数；
(2b)采用逐项构建方法，生成一个包含源节点和宿节点、虚拟节点、虚拟链路，以及虚拟链路请求的带宽的虚拟网络功能服务链；
(2c)将生成的虚拟网络功能服务链编号，并放入业务请求集合中；
(2d)判断生成的虚拟网络功能服务链的数目是否与业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数相等，若是，则完成业务请求集合的构建，执行步骤(3)，否则，执行步骤(2b)；
(3)部署第一个虚拟网络功能服务链：
(3a)按照虚拟网络功能服务链序号，从业务请求集合内选取第一个虚拟网络功能服务链；
(3b)从所有数据中心节点中，选取离当前虚拟网络功能服务链的源节点最短路径长度最小的数据中心节点；
(3c)将所选虚拟网络功能服务链的第一个虚拟节点，放置到所选数据中心节点上；
(3d)判断所选虚拟网络功能服务链上的虚拟节点是否都放置到数据中心节点上，若是，则执行步骤(3g)，否则，执行步骤(3e)；
(3e)从未放置虚拟节点的数据中心节点中，选取离前一个虚拟网络功能的数据中心节点之间、最短路径长度最小的数据中心节点；
(3f)将所选虚拟网络功能服务链的当前虚拟节点，放置到所选数据中心节点上；
(3g)完成第一个虚拟网络功能服务链上的部署；
(4)部署除第一个之外的虚拟网络功能服务链：
(4a)从业务请求集合内，选取除第一个之外的虚拟网络功能服务链；
(4b)根据最长公共子序列算法，得到所选虚拟网络功能服务链与已部署的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列；
(4c)若虚拟节点未放置，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上相同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点合并到已放置虚拟网络功能类型相同的虚拟节点的数据中心节点上；
(4d)若虚拟节点未选取，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上不同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点放置到经过所选虚拟网络功能服务链的源节点和宿节点间的路径、且介数中心度最大的数据中心节点上；
(4e)判断业务请求集合内的所有虚拟网络功能服务链是否都已完成部署，若是，则统计所有虚拟网络功能服务链上每个虚拟节点的放置次数，并将其记为虚拟节点总放置次数，否则，执行步骤(4a)；
(4f)完成虚拟网络功能服务链的部署
(5)生成弹性光网络链路频谱状态表：
(5a)随机生成每一条弹性光网络链路的频隙总数；
(5b)对每一条弹性光网络链路上的频隙，按照正整数顺序进行编号；
(5c)将所有频隙的标记为未分配；
(6)为虚拟链路分配频谱：
(6a)从所有虚拟链路中选择一条未选取的虚拟链路；
(6b)采用迪杰斯特拉算法，计算所选虚拟链路两端虚拟节点所放置的数据中心节点之间的最短路径长度，作为所选虚拟链路的最短路径长度；
(6c)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，执行步骤(6d)，否则，执行步骤(6a)；
(6d)针对所有虚拟网络功能服务链，按照下式计算每个虚拟网络功能服务链上每个虚拟链路的频谱分配权重：
Figure GDA0002219034300000051
其中，θi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的频谱分配权重，bi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的请求带宽，Pi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路选择的路径，|·|表示取路径长度操作；
(6e)按照虚拟链路的频谱分配权重，对所有虚拟链路从大到小进行排序后按照正整数顺序进行编号；
(6f)从所有虚拟链路中选取尚未选取且序号最小的虚拟链路；
(6g)在所选虚拟链路的最短路径的弹性光网络链路上，按照首次匹配的频谱分配方法，在链路频谱状态表中为所选虚拟链路选择频隙，并将所选频隙标记为已分配；
(6h)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，则执行步骤(6i)，否则，执行步骤(6f)；
(6i)根据弹性光网络链路频谱状态表，统计弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号；
(7)按照下式，计算归一化网络资源总开销：
Figure GDA0002219034300000052
其中，C表示归一化网络资源总开销，α表示已分配的最大频隙号的归一化权重因子，f表示弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号，F表示每一条弹性光网络链路上的频隙总数，β表示虚拟节点总放置次数的归一化权重因子，NDC表示数据中心节点的数目，T表示虚拟网络功能类型总数，uk,n表示记录承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点是否放置到第n个数据中心节点上的状态值，当承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点放置到第n个数据中心节点上时，记录uk,n为1，否则记录uk,n为0，n取值不大于NDC，k取值不大于T；
(8)完成业务请求集合内所有虚拟网络功能服务链的映射。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明依据弹性光网络的节点介数中心度对数据中心节点划分优先级，完成部分虚拟节点的放置，这些虚拟节点承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上不同类型的虚拟网络功能，克服了现有技术中只考虑最长公共子序列和最短路径上的数据中心节点，如果出现最短路径上的数据中心节点上没有放置过虚拟节点，而且虚拟节点放置总次数有限的情况下，部分虚拟网络服务链将不能完成部署，造成虚拟网络功能服务链映射不成功的问题，使得本发明能够为虚拟节点放置总次数有限的虚拟网络功能服务链提供映射方案，具有更加符合实际场景，应用范围更广的优点。
第二，本发明采用了弹性光网络的链路介数中心度和虚拟链路的频谱分配权重，对所有虚拟链路按照频谱分配权重进行降序排列排序的方法，用来为每一条虚拟网络功能服务链上的每一条虚拟链路进行选路与频谱分配，克服了现有技术中只采用首次匹配的方法为链路分配频谱资源，可能造成的频谱资源浪费，虚拟网络功能服务链映射的归一化网络资源总开销过高的问题，使得本发明能够有效降低虚拟网络功能服务链映射的归一化网络资源总开销。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的仿真拓扑图；
图3是本发明的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1，对本发明的具体步骤详细描述如下。
步骤1，预处理弹性光网络。
利用节点间直连方法，构建弹性光网络的邻接矩阵。
所述节点间直连方法的步骤如下：
第1步，对一个弹性光网络中的每个节点，按照正整数顺序进行编号，并记录弹性光网络的节点总数，作为弹性光网络的邻接矩阵行和列的数目。
第2步，生成弹性光网络的邻接矩阵，将弹性光网络的邻接矩阵中所有元素值设置为0。
第3步，从弹性光网络的所有节点中除所选源节点之外，任意选择一个节点作为源节点。
第4步，从弹性光网络的所有节点中除所选的宿节点之外，任意选择一个节点作为宿节点。
第5步，判断所选源节点与宿节点之间是否存在直接相连的链路，若是，则执行第6步，否则，执行第7步。
第6步，将弹性光网络的邻接矩阵中，源节点编号对应行和宿节点编号对应列处的元素值均记为1。
第7步，将弹性光网络的邻接矩阵中，源节点编号对应行和宿节点编号对应列处的元素值均记为0。
第8步，判断弹性光网络中所有节点是否都已选过宿节点，若是，则执行第9步，否则，执行第4步。
第9步，判断弹性光网络中所有节点是否都已选过源节点，若是，则执行第10步，否则，执行第3步。
第10步，将所有选过的源节点对应行和宿节点对应列处的元素值存入弹性光网络的邻接矩阵。
第10步，完成弹性光网络的邻接矩阵的构建。
利用迪杰斯特拉算法，计算弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径。
所述的迪杰斯特拉算法的步骤如下：
第1步，从弹性光网络的所有节点中除所选源节点之外，任意选择一个节点作为源节点。
第2步，从弹性光网络的所有节点中除所选的宿节点之外，任意选择一个节点作为宿节点。
第3步，利用广度优先搜索方法，得到所选源节点和宿节点之间的最短路径。
第4步，将最短路径的长度和所经过的节点编号，映射到弹性光网络的邻接矩阵中所选源节点编号对应行和宿节点编号对应列处。
第5步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过宿节点，若是，则执行第6步，否则，执行本步骤的第2步。
第6步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过源节点，若是，则执行第7步，否则，执行本步骤的第1步。
第7步，完成弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径的计算。
从弹性光网络中随机选取节点总数一半的节点，作为数据中心节点，并且记录所选的节点编号为n。
将抽取出的节点组成数据中心节点集合，并记录抽取出的节点编号。
按照下式，计算每个数据中心节点的介数中心度：
Figure GDA0002219034300000081
其中，g(n)表示第n个数据中心节点的介数中心度，∑表示求和操作，s和d均选自弹性光网络中的节点，ε′s,d(n)表示从源节点s到宿节点d且经过第n个数据中心节点的路径数目，εs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目。
按照下式，计算弹性光网络中每条链路的介数中心度：
Figure GDA0002219034300000082
其中，h(ep,q)表示弹性光网络中第p个节点与第q个节点间链路ep,q的介数中心度，s和d均选自弹性光网络中的节点，节点p与节点q是源节点s到宿节点d候选路径上的节点，＜表示支配符号，σ′s,d(ep,q)表示从源节点s到宿节点d间经过链路ep,q的路径数目，σs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目。
步骤2，构建业务请求集合。
(2.1)随机生成业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数。
(2.2)采用逐项构建方法，生成一个包含源节点和宿节点、虚拟节点、虚拟链路，以及虚拟链路请求的带宽的虚拟网络功能服务链。
所述的逐项构建方法的步骤如下。
第1步，随机产生多个类型各不相同的虚拟网络功能，并将其数目记为虚拟网络功能类型总数。
第2步，根据不超过虚拟网络功能类型总数的原则，设定每个虚拟网络功能服务链上虚拟网络功能的数目。
第3步，从弹性光网络的所有节点中任意选择一个节点，作为虚拟网络功能服务链的源节点。
第4步，从弹性光网络的所有节点中除所选的源节点之外，任意选择一个节点作为虚拟网络功能服务链的宿节点。
第5步，从产生的功能类型不同的虚拟网络功能中，随机不重复地选取多个虚拟网络功能，所选虚拟网络功能数目为每个虚拟网络功能服务链上的虚拟网络功能数。
第6步，依次生成承载每个所选虚拟网络功能的虚拟节点。
第7步，将承载了所选虚拟网络功能的虚拟节点依次插入所选源节点和宿节点之间。
第8步，在所选虚拟网络功能服务链的源节点和第一个虚拟节点之间构建一条虚拟链路。
第9步，在所选虚拟网络功能服务链的宿节点和最后一个虚拟节点之间构建一条虚拟链路。
第10步，在所选虚拟网络功能服务链中，所有次序上相邻的每一对虚拟节点之间，分别构建一条虚拟链路。
第11步，以频隙为每条虚拟链路请求带宽的单位，随机生成每条虚拟链路的请求带宽。
第12步，完成虚拟网络功能服务链的生成。
(2.3)将生成的虚拟网络功能服务链放入业务请求集合中。
(2.4)判断生成的虚拟网络功能服务链的数目是否与业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数相等，若是，则完成业务请求集合的构建，执行步骤3，否则，执行本步骤的(2.2)。
步骤3，部署第一个虚拟网络功能服务链。
(3.1)按照排序结果，从业务请求集合内选取第一个虚拟网络功能服务链。
(3.2)从所有数据中心节点中，选取与所选虚拟网络功能服务链的源节点间的最短路径长度最小的数据中心节点。
(3.3)将所选虚拟网络功能服务链的第一个虚拟节点，放置到所选数据中心节点上。
(3.4)判断所选虚拟网络功能服务链上的虚拟节点是否都放置到数据中心节点上，若是，则执行本步骤的(3.7)，否则，执行本步骤的(3.5)。
(3.5)从未放置虚拟节点的数据中心节点中，选取和连有上一个虚拟网络功能的数据中心节点之间，最短路径长度最小的数据中心节点。
(3.6)将所选虚拟网络功能服务链的下一个虚拟节点，放置到所选数据中心节点上。
(3.7)完成第一个虚拟网络功能服务链上的部署。
步骤4，部署除第一个之外的虚拟网络功能服务链。
(4.1)从业务请求集合内，选取除第一个之外的虚拟网络功能服务链。
(4.2)根据最长公共子序列算法，得到所选虚拟网络功能服务链与已部署的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列。
所采用的最长公共子序列算法的步骤如下：
第1步，从已选取的虚拟网络功能服务链中，选取第一个未选取的虚拟节点，作为基准虚拟节点。
第2步，从未选取的虚拟网络功能服务链中，选取第一个未选取的虚拟节点，作为待对比虚拟节点。
第3步，判断基准虚拟节点与待对比虚拟节点所承载的虚拟功能类型是否相同，若是，则执行第4步，否则，执行本步骤的第2步。
第4步，判断是否选完基准虚拟网络功能，若是，则执行第6步，否则，执行第5步。
第5步，将相同功能类型的虚拟网络功能，记录到最长公共子序列中后执行第1步。
第6步，判断是否选完待分配虚拟网络功能，若是，则执行本步骤的第8步，否则，执行本步骤的第7步。
第7步，将相同功能类型的虚拟网络功能，记录到最长公共子序列中后执行本步骤的第2步。
第8步，得到所选虚拟网络功能服务链与已部署的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列。
(4.3)若虚拟节点未选取，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上相同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点合并到已放置且虚拟网络功能类型相同的虚拟节点所放置的数据中心节点上。
(4.4)若虚拟节点未选取，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上不同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点放置到经过所选虚拟网络功能服务链的源节点和宿节点间的路径、且介数中心度最大的数据中心节点上。
(4.5)判断是否选完业务请求集合内的所有虚拟网络功能服务链，若是，则统计所有虚拟网络功能服务链上所有虚拟节点的放置次数，并将其记为虚拟节点总放置次数，否则，执行本步骤的(4.1)。
(4.6)完成虚拟网络功能服务链的部署。
步骤5，生成弹性光网络链路频谱状态表
随机生成每一条弹性光网络链路的频隙总数。
对每一条弹性光网络链路上的频隙，按照正整数顺序进行编号。
将所有频隙的标记为未分配。
步骤6，为虚拟链路分配频谱。
(6.1)从所有虚拟链路中选择一条未选取的虚拟链路。
(6.2)采用迪杰斯特拉算法，计算所选虚拟链路两端虚拟节点所放置的数据中心节点之间的最短路径长度，作为所选虚拟链路的最短路径长度。
利用迪杰斯特拉算法，计算弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径。
所述的迪杰斯特拉算法的步骤如下：
第1步，从弹性光网络的所有节点中除所选源节点之外，任意选择一个节点作为源节点。
第2步，从弹性光网络的所有节点中除所选的宿节点之外，任意选择一个节点作为宿节点。
第3步，利用广度优先搜索方法，得到所选源节点和宿节点之间的最短路径。
第4步，将最短路径的长度和所经过的节点编号，映射到弹性光网络的邻接矩阵中所选源节点编号对应行和宿节点编号对应列处。
第5步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过宿节点，若是，则执行第6步，否则，执行本步骤的第2步。
第6步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过源节点，若是，则执行第7步，否则，执行本步骤的第1步。
第7步，完成弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径的计算。
(6.3)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，执行本步骤的(6d)，否则，执行本步骤的(6.1)。
(6.4)按照下式，计算每个虚拟网络功能服务链上每个虚拟链路的频谱分配权重：
Figure GDA0002219034300000121
其中，θi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的频谱分配权重，bi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的请求带宽，Pi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路选择的路径，|·|表示取路径长度操作。
(6.5)按照虚拟链路的频谱分配权重，对所有虚拟链路从大到小进行排序后按照正整数顺序进行编号。
(6.6)从所有虚拟链路中选取未选取且序号最小的虚拟链路。
(6.7)在所选虚拟链路的最短路径的弹性光网络链路上，按照首次匹配的频谱分配方法，在链路频谱状态表中为所选虚拟链路选择频隙，并将所选频隙标记为已分配；
(6.8)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，则执行本步骤的(6.9)，否则，执行本步骤的(6.6)。
(6.9)根据弹性光网络链路频谱状态表，统计弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号。
步骤7，按照下式，计算归一化网络资源总开销：
Figure GDA0002219034300000122
其中，C表示归一化网络资源总开销，α表示已分配的最大频隙号的归一化权重因子，f表示弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号，F表示每一条弹性光网络链路上的频隙总数，β表示虚拟节点总放置次数的归一化权重因子，NDC表示数据中心节点的数目，T表示虚拟网络功能类型总数，uk,n表示记录承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点是否放置到第n个数据中心节点上的状态值，当承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点放置到第n个数据中心节点上时，记录uk,n为1，否则记录uk,n为0，n取值不大于NDC，k取值不大于T。
步骤8，完成业务请求集合内所有虚拟网络功能服务链的映射。
下面通过本发明仿真实验进一步验证发明方法的优化效果。
1.仿真条件。
本发明的仿真实验是在Windows系统上使用MATLAB软件编程实现的。仿真参数设置如下：设定每条弹性光网络链路有358个频隙，输入业务请求集合分为5组，每组分别有100，150，200，250和300个虚拟网络功能服务链请求。每个业务请求集合均包含共8种功能类型不同的虚拟网络功能，每个虚拟网络功能服务链请求包含3个虚拟网络功能，每条虚拟链路请求的频隙数服从[4，8]的均匀分布，权重参数α和β均设置为0.5。
2.仿真内容及其结果分析。
本发明的仿真实验是利用本发明的方法和一个现有技术的方法，在USBackbone弹性光网络拓扑中，分别对不同数量的虚拟网络功能服务链请求集合的映射过程进行仿真。其中，USBackbone弹性光网络拓扑具有28个节点，45条双向链路，如图2所示。
图2为USBackbone弹性光网络拓扑图，图2中的圆圈分别表示第1个到第28个节点，圆圈中的数字表示节点的序号，圆圈之间的连线分别表示第1条到第45条双向链路。仿真实验所使用的现有技术为Wenjian Fang等人在其发表的论文“Joint Spectrum and ITResource Allocation for Efficient VNF Service Chaining in Inter-DatacenterElastic Optical Networks”(IEEE Communications Letters,vol.20,no.8,Aug.2016，1539-1542)中所提到的基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法。虚拟网络功能服务链的映射分为虚拟节点放置和虚拟链路的频谱分配两个阶段，该方法在虚拟节点放置阶段，仅使用最长公共子序列算法和虚拟节点之间的最短路径长度算法，在虚拟链路的频谱分配阶段，仅使用首次匹配的策略。
图3(a)为虚拟节点总放置次数随请求的虚拟网络功能服务链数目的变化直方图。图3(a)中的横坐标表示请求的虚拟网络功能服务链数目，纵坐标表示虚拟节点总放置次数。使用基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法，在虚拟网络功能服务链请求数分别为100、150、200、250和300的场景下进行仿真，然后通过对表示虚拟节点是否放置数据中心节点上的状态值进行求和，得到虚拟节点总放置次数，据此结果绘制出直方图3(a)中以斜线填充的条形框。同样，使用本发明中的方法进行上述步骤后，绘制出直方图3(a)中以网格填充的条形框。
通过对比图3(a)中横坐标分别为100、150、200、250、300的五处以网格填充的条形框和以斜线填充的条形框对应纵坐标的值，可以看出本发明方法比基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法得到的虚拟节点总放置次数更低。
在图3(a)中，用横坐标为100处以斜线填充的条形框的值减去以网格填充的条形框的值，再除以斜线填充的条形框的值，得到横坐标为100处本发明方法比现有技术方法得到的虚拟节点总放置次数降低的百分比。同样，按照上述步骤分别得出横坐标为150、200、250和300处本发明方法比现有技术方法得到的虚拟节点总放置次数降低的百分比，计算这五处百分比的平均值，得到本发明方法比现有技术得到的虚拟节点总放置次数降低的平均百分比为5.32％。由此可见，基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法在将虚拟节点放置到数据中心节点上时，没有考虑数据中心节点上可能经过的路径数目的大小对虚拟节点总放置次数造成的影响。本发明不仅考虑了对承载与最长公子序列上相同类型的虚拟网络功能的虚拟节点的合并操作，而且通过介数中心度来衡量数据中心节点上可能经过的路径数目，优先将虚拟节点放置到介数中心度较大的数据中心节点上。数据中心节点上经过的路径越多，最长公共子序列越长，增大了虚拟节点合并到已放置的虚拟节点的可能，因此在虚拟节点的总放置次数方面，本发明的方法优于基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法。
图3(b)为已分配的最大频隙号随请求的虚拟网络功能服务链数目的变化直方图。图3(b)中的横坐标表示请求的虚拟网络功能服务链数目，纵坐标表示已分配的最大频隙号。使用基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法，在虚拟网络功能服务链请求数分别为100、150、200、250和300的场景下进行仿真，然后通过在链路频谱状态表中查找所有链路上最后一个已分配的频隙的序号，得到已分配的最大频隙号，据此结果绘制出直方图3(b)中以斜线填充的条形框。同样，使用本发明中的方法进行上述步骤后，绘制出直方图3(b)中以网格填充的条形框。
通过对比图3(b)中横坐标分别为100、150、200、250、300的五处以网格填充的条形框和以斜线填充的条形框对应纵坐标的值，可以看出本发明方法比基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法得到的已分配的最大频隙号更低。
在图3(b)中，用横坐标为100处以斜线填充的条形框的值减去以网格填充的条形框的值，再除以斜线填充的条形框的值，得到横坐标为100处本发明方法比现有技术方法得到的已分配的最大频隙号降低的百分比。同样，按照上述步骤分别得出横坐标为150、200、250和300处本发明方法比现有技术方法得到的已分配的最大频隙号降低的百分比，计算这五处百分比的平均值，得到本发明方法比现有技术得到的已分配的最大频隙号降低的平均百分比为8.03％。由此可见，基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法在为虚拟链路分配频隙时，没考虑只采用首次匹配的频谱方法可能造成的关键链路上已分配的最大频隙号过大的问题。本发明不仅考虑了不同路径长度和请求带宽的虚拟链路的频谱分配次序对频谱分配后已分配的最大频隙号造成的影响，而且考虑了最短路径上不同链路介数中心度的虚拟链路的频谱分配次序对频谱分配后已分配的最大频隙号造成的影响，增大了小粒度请求带宽插入未分配频隙的可能性，降低了已分配的最大频隙号，因此在已分配的最大频隙号方面，本发明优于基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法。
图3(c)为归一化网络资源总开销随请求的虚拟网络功能服务链数目的变化直方图。图3(c)中的横坐标表示请求的虚拟网络功能服务链数目，纵坐标表示归一化网络资源总开销。使用基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法，在虚拟网络功能服务链请求数分别为100、150、200、250和300的场景下进行仿真，然后根据图3(a)得到的虚拟节点总放置次数、图3(b)得到的已分配的最大频隙号和本发明方法中所提的归一化网络资源总开销计算公式，得到归一化网络资源总开销，据此结果绘制出直方图3(c)中以斜线填充的条形框。同样，使用本发明中的方法进行上述步骤后，绘制出直方图3(c)中以网格填充的条形框。
通过对比图3(c)中横坐标分别为100、150、200、250、300的五处以网格填充的条形框和以斜线填充的条形框对应纵坐标的值，可以看出本发明方法比基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法得到的归一化网络资源总开销更低。
在图3(c)中，用横坐标为100处以斜线填充的条形框的值减去以网格填充的条形框的值，再除以斜线填充的条形框的值，得到横坐标为100处本发明方法比现有技术方法得到的归一化网络资源总开销降低的百分比。同样，按照上述步骤分别得出横坐标为150、200、250和300处本发明方法比现有技术方法得到的归一化网络资源总开销次数降低的百分比，计算这五处百分比的平均值，得到本发明方法比现有技术得到的归一化网络资源总开销降低的平均百分比为6.15％。由此可见，基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法在将虚拟网络功能服务链映射的过程中，得到的虚拟节点总放置数和已分配的最大频隙号都没有本发明中的方法得到的好，因此归一化网络资源总开销方面，本发明优于基于最长公共子序列和首次匹配的虚拟网络功能服务链映射方法。

Claims (5)

1.一种基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，其特征在于，预处理弹性光网络，部署除第一个之外的虚拟网络功能服务链，为虚拟链路分配频谱，该方法的具体步骤包括如下：
(1)预处理弹性光网络：
(1a)利用节点间直连方法，构建弹性光网络的邻接矩阵；
(1b)利用迪杰斯特拉算法，计算弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径；
(1c)从弹性光网络中随机选取节点总数一半的节点，作为数据中心节点，并且记录所选的节点编号为n；
(1d)按照下式，计算每个数据中心节点的介数中心度：
Figure FDA0002960260870000011
其中，g(n)表示第n个数据中心节点的介数中心度，∑表示求和操作，s和d均选自弹性光网络中的节点，ε′s,d(n)表示从源节点s到宿节点d且经过第n个数据中心节点的路径数目，εs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目；
(1e)按照下式，计算弹性光网络中每条链路的介数中心度：
Figure FDA0002960260870000012
其中，h(ep,q)表示弹性光网络中第p个节点与第q个节点间链路ep,q的介数中心度，s和d均选自弹性光网络中的节点，节点p与节点q是源节点s到宿节点d候选路径上的节点，＜表示支配符号，σ′s,d(ep,q)表示从源节点s到宿节点d间经过链路ep,q的路径数目，σs,d表示从源节点s到宿节点d的路径数目；
(2)构建业务请求集合：
(2a)随机生成业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数；
(2b)采用逐项构建方法，生成一个包含源节点和宿节点、虚拟节点、虚拟链路，以及虚拟链路请求的带宽的虚拟网络功能服务链；
(2c)将生成的虚拟网络功能服务链编号，并放入业务请求集合中；
(2d)判断生成的虚拟网络功能服务链的数目是否与业务请求集合内虚拟网络功能服务链的总数相等，若是，则完成业务请求集合的构建，执行步骤(3)，否则，执行步骤(2b)；
(3)部署第一个虚拟网络功能服务链：
(3a)按照虚拟网络功能服务链序号，从业务请求集合内选取第一个虚拟网络功能服务链；
(3b)从所有数据中心节点中，选取与所选虚拟网络功能服务链的源节点间的最短路径长度最小的数据中心节点；
(3c)将所选虚拟网络功能服务链的第一个虚拟节点，放置到所选数据中心节点上；
(3d)判断所选虚拟网络功能服务链上的虚拟节点是否都放置到数据中心节点上，若是，则执行步骤(3g)，否则，执行步骤(3e)；
(3e)从未放置虚拟节点的数据中心节点中，选取离前一个虚拟网络功能的数据中心节点之间、最短路径长度最小的数据中心节点；
(3f)将所选虚拟网络功能服务链的当前虚拟节点，放置到所选数据中心节点上；
(3g)完成第一个虚拟网络功能服务链上的部署；
(4)部署除第一个之外的虚拟网络功能服务链：
(4a)从业务请求集合内，选取除第一个之外的虚拟网络功能服务链；
(4b)根据最长公共子序列算法，计算所选虚拟网络功能服务链与已部署的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列；
(4c)若虚拟节点未选取，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上相同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点合并到已放置虚拟网络功能类型相同的虚拟节点的数据中心节点上；
(4d)若虚拟节点未选取，且承载了所选虚拟网络功能服务链与最长公共子序列上不同类型的虚拟网络功能，则将该虚拟节点放置到经过所选虚拟网络功能服务链的源节点和宿节点间的路径、且介数中心度最大的数据中心节点上；
(4e)判断业务请求集合内的所有虚拟网络功能服务链是否都已完成部署，若是，则统计所有虚拟网络功能服务链上所有虚拟节点的放置次数，并将其记为虚拟节点总放置次数，否则，执行步骤(4a)；
(4f)完成虚拟网络功能服务链的部署；
(5)生成弹性光网络链路频谱状态表：
(5a)随机生成每一条弹性光网络链路的频隙总数；
(5b)对每一条弹性光网络链路上的频隙，按照正整数顺序进行编号；
(5c)将所有频隙标记为未分配；
(6)为虚拟链路分配频谱：
(6a)从所有虚拟链路中选择一条未选取的虚拟链路；
(6b)采用迪杰斯特拉算法，计算所选虚拟链路两端虚拟节点所放置的数据中心节点之间的最短路径长度，作为所选虚拟链路的最短路径长度；
(6c)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，执行步骤(6d)，否则，执行步骤(6a)；
(6d)针对所有虚拟网络功能服务链，按照下式计算每个虚拟网络功能服务链上每个虚拟链路的频谱分配权重：
Figure FDA0002960260870000031
其中，θi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的频谱分配权重，bi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路的请求带宽，Pi,j表示第i个虚拟网络功能服务链上的第j条虚拟链路选择的路径，|·|表示取路径长度操作；
(6e)按照虚拟链路的频谱分配权重，对所有虚拟链路从大到小进行排序后按照正整数顺序进行编号；
(6f)从所有虚拟链路中选取未选取且序号最小的虚拟链路；
(6g)在所选虚拟链路的最短路径的弹性光网络链路上，按照首次匹配的频谱分配方法，在链路频谱状态表中为所选虚拟链路选择频隙，并将所选频隙标记为已分配；
(6h)判断是否选完所有的虚拟链路，若是，则执行步骤(6i)，否则，执行步骤(6f)；
(6i)根据弹性光网络链路频谱状态表，统计弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号；
(7)按照下式，计算归一化网络资源总开销：
Figure FDA0002960260870000041
其中，C表示归一化网络资源总开销，α表示已分配的最大频隙号的归一化权重因子，f表示弹性光网络所有链路上已分配的最大频隙号，F表示每一条弹性光网络链路上的频隙总数，β表示虚拟节点总放置次数的归一化权重因子，NDC表示数据中心节点的数目，T表示虚拟网络功能类型总数，uk,n表示记录承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点是否放置到第n个数据中心节点上的状态值，当承载第k个类型的虚拟网络功能的虚拟节点放置到第n个数据中心节点上时，记录uk,n为1，否则记录uk,n为0，n取值不大于NDC，k取值不大于T；
(8)完成业务请求集合内所有虚拟网络功能服务链的映射。
2.根据权利要求1所述的基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，其特征在于，步骤(1a)中所述节点间直连方法的步骤如下：
第一步，对一个弹性光网络中的每个节点，按照正整数顺序进行编号，并记录弹性光网络的节点总数，作为弹性光网络的邻接矩阵行和列的数目；
第二步，生成弹性光网络的邻接矩阵，将弹性光网络的邻接矩阵中所有元素值设置为0；
第三步，从弹性光网络的所有节点中除所选源节点之外，任意选择一个节点作为源节点；
第四步，从弹性光网络的所有节点中除所选的宿节点之外，任意选择一个节点作为宿节点；
第五步，判断所选源节点与宿节点之间是否存在直接相连的链路，若是，则执行第六步，否则，执行第七步；
第六步，将弹性光网络的邻接矩阵中，源节点编号对应行和宿节点编号对应列处的元素值均记为1；
第七步，将弹性光网络的邻接矩阵中，源节点编号对应行和宿节点编号对应列处的元素值均记为0；
第八步，判断弹性光网络中所有节点是否都已选过宿节点，若是，则执行第九步，否则，执行第四步；
第九步，判断弹性光网络中所有节点是否都已选过源节点，若是，则执行第十步，否则，执行第三步；
第十步，将所有选过的源节点对应行和宿节点对应列处的元素值存入弹性光网络的邻接矩阵；
第十一步，完成弹性光网络的邻接矩阵的构建。
3.根据权利要求1所述的基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，其特征在于，步骤(1b)、步骤(6b)中所述迪杰斯特拉算法的步骤如下：
第一步，从弹性光网络的所有节点中除所选源节点之外，任意选择一个节点作为源节点；
第二步，从弹性光网络的所有节点中除所选的宿节点之外，任意选择一个节点作为宿节点；
第三步，利用广度优先搜索方法，得到所选源节点和宿节点之间的最短路径；
第四步，将最短路径的长度和所经过的节点编号，映射到弹性光网络的邻接矩阵中所选源节点编号对应行和宿节点编号对应列处；
第五步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过宿节点，若是，则执行第六步，否则，执行第二步；
第六步，判断弹性光网络中所有节点是否均已选过源节点，若是，则执行第七步，否则，执行第一步；
第七步，完成弹性光网络的邻接矩阵所有节点中任意两个节点之间的最短路径的计算。
4.根据权利要求1所述的基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，其特征在于，步骤(2b)中所述逐项构建方法的步骤如下：
第一步，随机产生多个类型各不相同的虚拟网络功能，并将其数目记为虚拟网络功能类型总数；
第二步，根据不超过虚拟网络功能类型总数的原则，设定每个虚拟网络功能服务链上虚拟网络功能的数目；
第三步，从弹性光网络的所有节点中任意选择一个节点，作为虚拟网络功能服务链的源节点；
第四步，从弹性光网络的所有节点中除所选的源节点之外，任意选择一个节点作为虚拟网络功能服务链的宿节点；
第五步，从产生的功能类型不同的虚拟网络功能中，随机不重复地选取多个虚拟网络功能，所选虚拟网络功能数目为每个虚拟网络功能服务链上的虚拟网络功能数；
第六步，依次生成承载每个所选虚拟网络功能的虚拟节点；
第七步，将承载了所选虚拟网络功能的虚拟节点依次插入所选源节点和宿节点之间；
第八步，在所选虚拟网络功能服务链的源节点和第一个虚拟节点之间构建一条虚拟链路；
第九步，在所选虚拟网络功能服务链的宿节点和最后一个虚拟节点之间构建一条虚拟链路；
第十步，在所选虚拟网络功能服务链中，所有次序上相邻的每一对虚拟节点之间，分别构建一条虚拟链路；
第十一步，以频隙为每条虚拟链路请求带宽的单位，随机生成每条虚拟链路的请求带宽；
第十二步，完成虚拟网络功能服务链的生成。
5.根据权利要求1所述的基于介数中心度的虚拟网络功能服务链映射方法，其特征在于，步骤(4b)中所述最长公共子序列算法的步骤如下：
第一步，从已选取的虚拟网络功能服务链中，选取第一个未选取的虚拟节点，作为基准虚拟节点；
第二步，从未选取的虚拟网络功能服务链中，选取第一个未选取的虚拟节点，作为待对比虚拟节点；
第三步，判断基准虚拟节点与待对比虚拟节点所承载的虚拟功能类型是否相同，若是，则执行第四步，否则，执行第二步；
第四步，判断是否选完基准虚拟网络功能，若是，则执行第六步，否则，执行第五步；
第五步，将相同功能类型的虚拟网络功能，记录到最长公共子序列中后执行第一步；
第六步，判断是否选完待分配虚拟网络功能，若是，则执行第八步，否则，执行第七步；
第七步，将相同功能类型的虚拟网络功能，记录到最长公共子序列中后执行第二步；
第八步，得到所选虚拟网络功能服务链与已部署的虚拟网络功能服务链的最长公共子序列。
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