CN112104491B - 面向服务的网络虚拟化资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向服务的网络虚拟化资源管理方法，主要解决多系统之间的资源不能联合共享及多系统网络中资源分配困难的问题。其实现方案是：针对整个服务过程构建TRS模型的网络资源拓扑图；利用网络功能虚拟化技术构造一条功能服务链；以TRS拓扑图作为基础图层，根据所请求的服务功能的个数及虚拟网络功能与资源节点的可映射关系，构造TRS分层图；求解TRS分层图中的最优路径，将最优路径上节点所对应的资源分配给所请求的服务功能。本发明利用了虚拟化技术进行网络资源管理并构造TRS分层图进行资源分配，提升了资源管控的灵活性，降低了制定资源分配策略的复杂度，保证了资源分配的有效性，可用于天地一体化网络的资源管理。

Description

面向服务的网络虚拟化资源管理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种网络虚拟化资源管理方法，可用于天地一体化网络的资源管理。

背景技术

随着科学技术的不断进步以及互联网的飞速发展，人类对于信息传输的需求急剧增长，网络作为信息传输的基础平台，是信息技术的重要组成部分。天地一体化网络是一种覆盖海陆空不同自然空间的综合信息网络，在这样庞大复杂的网络中，面临资源类型多样、实体设备众多、网络系统异构等问题，对高效灵活地管理网络资源提出了极大挑战。下一代网络体系结构需要支持多层次和异构性以满足不断涌现的新服务需求。

现有的资源管理方法中，业务无法互联互通，资源也被约束在各个孤立的网络个体中，无法满足增长的业务量，不能有效的共享联合。现有的改进技术引入虚拟化思想，将网络功能进行虚拟化，网络功能虚拟化NFV技术作为一种具有极强资源整合能力的资源管理技术，可以构建满足未来网络需求的资源管理方法。

孟祥利在其发表的论文“基于虚拟化的空间信息网络资源管理机制研究”(中国电子科学研究院学报，2018.13(05)：47-52)中将虚拟化技术引入到空间信息化网络中，建立了空间信息网络虚拟资源管理器。但其不足之处是：由于没有考虑到虚拟资源之间存在着一定的组合关系，因而不能对组合后的虚拟资源进行联合共享。

翟伟亭在其发表的论文“卫星网络虚拟化资源管理技术研究”(硕士学位论文，西安电子科技大学，2019.04)公开了一种卫星网络虚拟化的资源管理方法，该方法针对资源管理问题，引入了虚拟化思想并将“图”的模型引入到卫星网络，构建了TRS模型。该方法的不足之处是：在面对更加复杂的网络体系如天地一体化网络中复杂的任务需求、实体设备众多时，其不能联合共享多系统资源，无法进行有效的资源分配。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种面向服务的网络虚拟化资源管理方法，以在天地一体化网络中联合共享多系统资源，进行有效的资源分配。

本发明的技术思路是：针对天地一体化网络的特殊性展开分析，通过合理利用基于虚拟化的NFV技术中的设计思想与资源管理相关内容，发挥软件定义网络技术集中灵活的网络控制优势，利用TRS模型构建的网络资源拓扑作为基础图层，扩展构建分层图模型，将资源分配问题转换为跨层最短路径搜索问题，以方便的利用现有算法进行求解优化。

根据上述思路，本发明面向服务的网络虚拟化资源管理方法，其特征在于，包括如下：

S1：针对整个服务过程，分析任务需求、资源池能力和服务性能的参数表征，构建TRS模型的网络资源拓扑图；

S2：根据任务需求，利用网络功能虚拟化技术NFV构造一条功能服务链SFC，并将此服务链上的虚拟网络功能和虚拟链路映射到资源池中的一个资源节点和传输链路上；

S3：以TRS拓扑图作为基础图层，根据所请求的服务功能的个数以及虚拟网络功能与资源节点的可映射关系，构造TRS分层图；

S4：计算层内链路逻辑权值t_l和层间链路逻辑权值t_n，使用Dijkstra算法求解TRS分层图中从源点到目的节点具有最小逻辑权值之和的跨层路径，并将其映射至基础图层，得到最优路径；

S5：根据最优路径对所请求的功能服务进行资源分配，即将最优路径上节点所对应的网络功能分配给所请求的功能服务。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明由于利用了虚拟化技术进行网络资源管理，解决了多系统之间的资源不能联合共享的问题，提升了资源管控的灵活性。

2.本发明由于构造了TRS分层图进行资源分配，解决了多系统网络中资源分配困难的问题，降低了制定资源分配策略的复杂度，保证了资源分配的有效性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明中的TRS模型的网络资源拓扑图。

图3是本发明中的TRS分层示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细描述。

参照图1，本实施例的具体步骤如下：

步骤一：构建TRS模型的网络资源拓扑图。

1.1)将天地一体化网络系统整个资源管理和任务服务的过程分为任务、资源、服务三个部分；

1.2)将最开始的起始状态抽象为一个虚拟节点定义为源节点T，将网络系统中的众多资源实体设备通过虚拟化处理，抽象整合形成具有服务能力的资源节点，构成可供统一调度的网络系统虚拟资源池，将达成任务目标后的逻辑终止状态抽象为汇节点S；如图2所示，用T＝{Tx|x＝1,2,...,n}来描述网络功能集合，其中，Tx为网络功能，n为网络功能的个数；

本实施例中n＝3；用R＝{R_i|i＝1,2,...,m}来描述资源池中的节点集合，其中，R_i为资源节点，m为资源节点的个数，m＝7，如图2所示；

1.3)将源节点T与资源节点R_i的承接关系定义为源链路e_Ti，将资源节点R_i与汇节点S之间的承接关系定义为汇链路e_iS，将资源节点R_i与资源节点R_j之间的连接关系定义为节点链路e_ij，其中源链路e_Ti和汇链路e_iS为单向链路；

1.4)根据具体的任务目标和各个节点间的承接关系，将源节点、资源节点、汇节点依次进行连接，得到TRS模型的网络资源拓扑图。

步骤二：利用网络功能虚拟化技术NFV构造一条功能服务链SFC。

虚拟化技术NFV是一种成熟的网络功能虚拟化技术，其指将网络功能进行虚拟化，使网络功能和专有硬件设备解耦，以便能够以软件的方式在通用平台上实现网络功能，其具体实现如下：

2.1)将网络功能进行虚拟化，并根据任务需求中请求的网络功能及其先后顺序，形成一组有序连接的服务功能链SFC，用于交付端到端服务；

2.2)定义SFC所请求的服务功能序列为：sfc＝{T₁,T₂,...,T_j,...,T_k}，其中，T_j表示所请求的服务功能，j＝1,2,...,k，k表示所请求的服务功能个数；

本实施例中fc＝{T₁,T₂}，k＝2。

步骤三：构造TRS分层图。

3.1)将功能服务链SFC上的虚拟网络功能和虚拟链路映射到资源池中的一个资源节点和传输链路上；

本实施例中，T₁可以映射的资源节点为R₁、R₂、R₅，其中，T₁每次只可选择其中一个节点进行映射，T₂可以映射的资源节点为R₆；

3.2)以TRS拓扑图作为基础图层G⁰，保持基础图层中的所有参数不变，并根据所请求的服务功能个数k，复制k个图层；

本实施例中复制2个图层；

3.3)将每一层可映射的资源节点连向下一层相对应的资源节点，建立层间有向边，形成TRS分层图，用G＝{G^ω|ω＝0,1,...,k}表示，其中，G^ω表示分层图的第ω层，如图3所示。

步骤四：计算层内链路逻辑权值t_l和层间链路逻辑权值t_n。

4.1)用t_lb表示层内链路建立时间，用t_lr层内链路传输时间，计算层内链路时延t_l：

t_l＝t_lb+t_lr

4.2)以(4.1)中求得的层内链路时延t_l作为层内链路逻辑权值；

本实施例在基础图层G⁰所设置的层内链路逻辑权值如下：

第1个资源节点到R₁第3个资源节点R₃的链路e₁₃逻辑权值为2；

第2个资源节点R₂到第1个资源节点R₁的链路e₂₁逻辑权值为3；

第2个资源节点R₂到第4个资源节点R₄的链路e₂₄逻辑权值为3；

第3个资源节点R₃到第5个资源节点R₅的链路e₃₅逻辑权值为2；

第4个资源节点R₄到第2个资源节点R₂的链路e₄₂逻辑权值为3；

第4个资源节点R₄到第6个资源节点R₆的链路e₄₆逻辑权值为3；

第4个资源节点R₄到第7个资源节点R₇的链路e₄₇逻辑权值为7；

第5个资源节点R₅到第2个资源节点R₂的链路e₅₂逻辑权值为5；

第5个资源节点R₅到第3个资源节点R₃的链路e₅₃逻辑权值为2；

第5个资源节点R₅到第7个资源节点R₇的链路e₅₇逻辑权值为4；

第6个资源节点R₆到第4个资源节点R₄的链路e₆₄逻辑权值为3；

第6个资源节点R₆到第5个资源节点R₅的链路e₆₅逻辑权值为5；

第6个资源节点R₆到第7个资源节点R₇的链路e₆₇逻辑权值为3；

第1层和第2层中各个资源节点间的链路逻辑权值与基础图层中各个资源节点间的链路逻辑权值相同；

4.3)以层间有向边为层间链路，用t_nb表示层间链路建立时间，用t_nr表示层间链路传输时间，计算层间链路时延t_n：

t_n＝t_nb+t_nr

4.4)用

表示第ω层的第i个资源节点，以(4.3)中求得的层间链路时延t_n作为层间链路逻辑权值；

本实施例中，所设置的层间链路逻辑权值如下：

基础图层的第1个资源节点

到第1层的第1个资源节点

的链路逻辑权值为4；

基础图层的第2个资源节点

到第1层的第2个资源节点

的链路逻辑权值为3；

基础图层的第5个资源节点

到第1层的第5个资源节点

链路逻辑权值为6；

第1层的第6个资源节点

到第2层的第6个资源节点

链路逻辑权值为5。

步骤五：求解最优路径。

5.1)以请求功能服务链SFC首尾的请求服务功能作为源点与目的节点；

5.2)当一个请求服务功能的可映射资源节点不能直接到达下一个请求服务功能的可映射资源节点时，使用Dijkstra算法求解这两个可映射资源节点间的最短路径；

5.3)求解TRS分层图中从源点T⁰到目的节点S^k逻辑权值之和最小的跨层路径；

本实施例中，从源点T⁰到目的节点S²的跨层路径有以下3条：

第1条跨层路径为：

其逻辑权值之和为18；

第2条跨层路径为：

其逻辑权值之和为13；

第3条跨层路径为：

其逻辑权值之和为20；

则选择第2条跨层路径：

5.4)将(5.3)中求得的跨层路径映射至基础图层，得到最优路径；

本实施例中，将第2条跨层路径：

映射至基础图层，得到最优路径为：T→R₂→R₄→R₆→S。

步骤六：根据最优路径进行资源分配。

根据(5.4)得到的最优路径，将节点对应的资源分配给所请求的服务功能；

本实施例中，将节点R₂对应的资源分配给请求的服务功能T₁，将节点R₆对应的资源分配给请求的服务功能T₂，将节点R₄对应的资源作为T₁到T₂的经由资源。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向服务的网络虚拟化资源管理方法，其特征在于，包括如下：

S1：针对整个服务过程，分析任务需求、资源池能力和服务性能的参数表征，构建TRS模型的网络资源拓扑图；实现如下：

S11)将天地一体化网络系统整个资源管理和任务服务的过程分为任务、资源、服务三个部分；

S12)将最开始的起始状态抽象为一个虚拟节点定义为源节点T，用T＝{Tx|x＝1,2,...,n}用来描述网络功能集合，其中，Tx为网络功能，n为网络功能的个数；

S13)将网络系统中的众多资源实体设备通过虚拟化处理，抽象整合形成具有服务能力的资源节点，构成可供统一调度的网络系统虚拟资源池，用R＝{R_i|i＝1,2,...,m}来描述资源池中的节点集合，其中，R_i为资源节点，m为资源节点的个数；

S14)将达成任务目标后的逻辑终止状态抽象为汇节点S；

S15)将源节点T与资源节点R_i的承接关系定义为源链路e_Ti，将资源节点R_i与汇节点S之间的承接关系定义为汇链路e_iS，将资源节点R_i与资源节点R_j之间的连接关系定义为节点链路e_ij，其中源链路e_Ti和汇链路e_iS为单向链路；

S16)根据具体的任务目标和各个节点间的承接关系，将源节点、资源节点、汇节点依次进行连接，得到TRS模型的网络资源拓扑图；

S2：根据任务需求，利用网络功能虚拟化技术NFV构造一条功能服务链SFC，并将此服务链上的虚拟网络功能和虚拟链路映射到资源池中的一个资源节点和传输链路上；

S3：以TRS拓扑图作为基础图层，根据所请求的服务功能的个数以及虚拟网络功能与资源节点的可映射关系，构造TRS分层图；

S4：计算层内链路逻辑权值t_l和层间链路逻辑权值t_n，使用Dijkstra算法求解TRS分层图中从源点到目的节点具有最小逻辑权值之和的跨层路径，并将其映射至基础图层，得到最优路径；其中计算层内链路逻辑权值t_l，实现如下：

t_l＝t_lb+t_lr

其中，t_lb表示层内链路建立时间，t_lr层内链路传输时间；

S5：根据最优路径对所请求的功能服务进行资源分配，即将最优路径上节点所对应的资源分配给所请求的服务功能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中利用网络功能虚拟化技术NFV构造一条功能服务链，实现如下：

S21)将网络功能进行虚拟化，并根据任务需求中请求的网络功能及其先后顺序，形成一组有序连接的服务功能链SFC，用于交付端到端服务；

S22)定义SFC所请求的服务功能序列为：sfc＝{T₁,T₂,...,T_j,...,T_k}，其中，T_j表示所请求的服务功能，j＝1,2,...,k，k表示所请求的服务功能个数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中构造TRS分层图，实现如下：

S31)保持基础图层中的所有参数不变，并根据所请求的服务功能个数k，复制k个图层；

S32)将每一层的可映射的资源节点连向下一层相对应的资源节点，建立层间有向边，形成TRS分层图，用G＝{G^ω|ω＝0,1,...,k}表示，其中，G^ω表示分层图的第ω层。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S4中计算层间链路逻辑权值t_n，实现如下：

t_n＝t_nb+t_nr

其中，t_nb表示层间链路建立时间，t_nr表示层间链路传输时间。

Images