CN112600708A - 一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法 - Google Patents

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CN112600708A CN202011471017.7A CN202011471017A CN112600708A CN 112600708 A CN112600708 A CN 112600708A CN 202011471017 A CN202011471017 A CN 202011471017A CN 112600708 A CN112600708 A CN 112600708A
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Abstract

本发明提供了一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法，包括底层网络，有效的解决了现有技术为解决时延敏感型的虚拟网络请求获得资源时出现的时延较大而建立的两级动态调整模型，需在系统当前队列已经出现积压状态才能解决的问题，本发明从为虚拟网络节点
Figure DDA0002833837010000011
进行CPU资源
Figure DDA0002833837010000012
分配和虚拟链路
Figure DDA0002833837010000013
带宽资源
Figure DDA0002833837010000014
分配两个维度对资源分配方法进行优化，在虚拟网络节点
Figure DDA0002833837010000015
进行CPU资源
Figure DDA0002833837010000016
分配时，利用紧密度系数TF(ni)来实现虚拟节点的近距离资源分配；在虚拟链路的带宽资源
Figure DDA0002833837010000017
分配时，将底层路径
Figure DDA0002833837010000018
按跳数进行排序，选择带宽资源
Figure DDA0002833837010000019
小于为其提供带宽资源的底层链路lij的可用带宽容量BW(lij)，跳数链路数量限制小于Hx的底层路径
Figure DDA00028338370100000110
为虚拟链路
Figure DDA00028338370100000111
分配资源，实现了时延限制下的虚拟链路资源分配。

Description

一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法
技术领域
本发明涉及网络资源分配领域，特别一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法。
背景技术
网络切片环境下，基础网络被划分为底层网络和虚拟网络。底层网络运营商负责建设底层网络。虚拟网络运营商负责从底层网络运营商租用网络资源，构建虚拟网，并在虚拟网上部署和运行虚拟网服务。这种背景下，虚拟网运营商可以快速构建虚拟网，为用户提供各种丰富的服务。此时，如何为虚拟网分配资源，已成为一个重要的研究内容。
为提高虚拟网映射成功率，文献[Chowdhury S R,Ahmed R,Shahriar N,etal.Revine:Reallocation of virtual network embedding to eliminate substratebottlenecks[C]//2017IFIP/IEEE Symposium on Integrated Network and ServiceManagement(IM).IEEE,2017:116-124.]将资源分配问题建模为整数规划问题，较好的提升了虚拟网映射成功率，文献[Dehury C K,Sahoo P K.DYVINE:fitness-based dynamicvirtual network embedding in cloud computing[J].IEEE Journal on SelectedAreas in Communications,2019,37(5):1029-1045.]采用动态规划理论，进一步提升了虚拟网资源分配算法对网络环境的适应性；
在提高底层网络资源的可靠性方面，文献[MD M,NASHID S,REAZ A,et al.Multi-path link embedding for survivability in virtual networks[J].IEEETransactions on Network and Service Management,2016,13(2):253-266.]采用多路径资源分配策略，将虚拟链路分配到多条底层路径，从而提升虚拟网的链路可靠性；文献[Zheng X,Tian J,Xiao X,et al.A heuristic survivable virtual network mappingalgorithm[J].Soft Computing,2019,23(5):1453-1463]提出启发式算法对底层网络资源进行分类，从而提升了网络的可靠性；
在提高资源分配算法的自适应能力方面，文献[Jahani A,Khanli L M,Hagh M T,et al.Green virtual network embedding with supervised self-organizing map[J].Neurocomputing,2019,351:60-76.]将神经网络理论应用到资源分配算法，较好的提升了资源的利用率；
在具体的网络应用场景方面，文献[Soto P,Botero J F.Greedy randomizedpath-ranking virtual optical network embedding onto EON-based substratenetworks[C]In:2017IEEE Colombian Conference on Communications and Computing(COLCOM).Colombia:IEEE,2017:1-6.]针对光网络中资源的特性，提出多路径资源分配策略，实现了光网络资源的高效使用；
对于5G网络环境，文献[M.R.Raza,M.Fiorani,A.Rostami,et al.Dynamicslicing approach for multi-tenant 5G transport networks[J].IEEE/OSA Journalof Optical Communications and Networking,2018,10(1):77-90.]提出了底层网络资源的重配置算法，进一步提升了5G网络的资源利用率。
随着虚拟网服务提供商之间竞争的加剧，虚拟网络请求即虚拟网服务对底层网络的时延要求越来越高。以上研究虽然较好的提升了底层网络资源利用率，但是没有考虑虚拟网络请求即虚拟网服务对时延的约束，导致时延敏感型的虚拟网获得资源时延较大，不能满足虚拟网服务即虚拟网络请求对网络资源的要求。为解决此问题，文献[唐伦，杨恒，赵国繁，等.基于时延感知的5G网络切片节点和链路映射算法[J].北京邮电大学学报,2018,041(006):71-77.]提出了一种基于时延感知的5G网络切片节点和链路映射成本最小化算法，但也存在着需建立两级动态调整模型才能实现在队列积压状态出现时感知并动态调度系统当前队列积压状态的问题。
因此本发明提供一种的新的方案来解决此问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法，有效的解决了现有技术为解决时延敏感型的虚拟网络请求获得资源时出现的时延较大而建立的两级动态调整模型，需在系统当前队列已经出现积压状态才能解决的问题。
其解决的技术方案是，一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法，包括底层网络，所述资源分配方法包括如下步骤：
S1、利用网络切片下的底层网络G(N,E)构建虚拟网络Gv(Nv,Ev)，其中N表示底层网络节点ni构成的集合，E表示底层网络链路lij构成的集合，每个底层网络节点ni具有的CPU资源为C(ni)，每条底层网络链路lij具有的带宽资源为B(lij)，Nv表示虚拟网络节点
Figure BDA0002833835990000031
构成的集合，每个虚拟网络节点
Figure BDA0002833835990000032
向底层节点ni申请的CPU资源为
Figure BDA0002833835990000033
Ev表示虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000034
构成的集合，每条虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000035
向底层链路lij申请的带宽资源为
Figure BDA0002833835990000036
S2、对于M个虚拟网络请求
Figure BDA0002833835990000037
按照每条虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000038
的时延限制
Figure BDA0002833835990000039
进行升序排列
Figure BDA00028338359900000310
其中时延限制
Figure BDA00028338359900000311
S3、为每个虚拟网请求
Figure BDA00028338359900000312
分配资源，包括为每个虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000313
进行CPU资源
Figure BDA00028338359900000314
分配、为每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000315
进行带宽资源
Figure BDA00028338359900000316
分配两个子过程；
S4、得到虚拟网络的资源分配方法，并利用虚拟网络请求
Figure BDA00028338359900000317
的映射开销
Figure BDA00028338359900000318
评价得到的资源分配方法。
进一步地，所述步骤S3中的每个虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000319
进行CPU资源
Figure BDA00028338359900000320
分配具体包括如下步骤：
X1、查找资源需求最大的虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000321
从集合N底层网络节点中选择满足其资源请求的底层节点ni为其分配资源；
X2、以资源需求最大的虚拟网络节点为根节点，采取广度优先策略，对虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000322
进行排序；
X3、对于虚拟网请求的每个节点
Figure BDA00028338359900000323
选择满足CPU资源
Figure BDA00028338359900000324
的要求且紧密度系数TF(ni)计算得到的距离最近的节点nj，为其分配资源。
进一步地，所述步骤S3中的每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000325
进行带宽资源
Figure BDA00028338359900000326
分配具体包括如下步骤：
Y1、选择当前虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000327
的所有可映射的底层网络路径
Figure BDA00028338359900000328
Y2、将底层路径
Figure BDA00028338359900000329
按跳数进行排序；
Y3、将虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000330
的时延限制
Figure BDA00028338359900000331
转换为链路数量限制
Figure BDA00028338359900000332
其中Tave为每条底层链路lij的数据处理和数据传输时长的平均值；
Y4、选择带宽资源满足s.t.
Figure BDA0002833835990000041
跳数满足
Figure BDA0002833835990000042
Figure BDA0002833835990000043
的底层路径
Figure BDA0002833835990000044
为虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000045
分配资源。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明从为虚拟网络节点
Figure BDA0002833835990000046
进行CPU资源
Figure BDA0002833835990000047
分配和虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000048
带宽资源
Figure BDA0002833835990000049
分配两个维度对资源分配方法进行优化，在虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000410
进行CPU资源
Figure BDA00028338359900000411
分配时，利用虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000412
的紧密度系数TF(ni)来实现虚拟节点的近距离资源分配；在虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000413
的带宽资源
Figure BDA00028338359900000414
分配时，将底层路径
Figure BDA00028338359900000415
按跳数进行排序，选择带宽资源
Figure BDA00028338359900000416
小于为其提供带宽资源的底层链路lij的可用带宽容量BW(lij)，跳数链路数量限制小于Hx的底层路径
Figure BDA00028338359900000417
为虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000418
分配资源，实现时延限制下的虚拟网络链路资源分配，并利用虚拟网络请求
Figure BDA00028338359900000419
的映射开销
Figure BDA00028338359900000420
评价得到的资源分配方法，本发明提出的资源分配方法在为虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000421
就进行了优化，避免了现有技术为解决时延敏感型的虚拟网络请求获得资源时出现的时延较大而建立的两级动态调整模型，需在系统当前队列已经出现积压状态才能解决的问题的情况的发生。
附图说明
图1为本发明的资源分配方法的虚拟网络映射成功率比较示意图。
图2为本发明的资源分配方法的时延条件满足率比较示意图。
具体实施方式
为有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1-2对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法，包括底层网络，所述资源分配方法包括如下步骤：
S1、利用网络切片下的底层网络G(N,E)构建虚拟网络Gv(Nv,Ev)，其中N表示底层网络节点ni构成的集合，E表示底层网络链路lij构成的集合，每个底层网络节点ni具有的CPU资源为C(ni)，每条底层网络链路lij具有的带宽资源为B(lij)，Nv表示虚拟网络节点
Figure BDA0002833835990000051
构成的集合，每个虚拟网络节点
Figure BDA0002833835990000052
向底层节点ni申请的CPU资源为
Figure BDA0002833835990000053
Ev表示虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000054
构成的集合，每条虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000055
向底层链路lij申请的带宽资源为
Figure BDA0002833835990000056
re是申请request的缩写，v代表虚拟资源；
S2、对于M个虚拟网络请求
Figure BDA0002833835990000057
按照每条虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000058
的时延限制
Figure BDA0002833835990000059
进行升序排列
Figure BDA00028338359900000510
其中时延限制
Figure BDA00028338359900000511
S3、为每个虚拟网请求
Figure BDA00028338359900000512
分配资源，包括为每个虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000513
进行CPU资源
Figure BDA00028338359900000514
分配、为每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000515
进行带宽资源
Figure BDA00028338359900000516
分配两个子过程，
S4、得到虚拟网络的资源分配方法，并利用虚拟网络请求
Figure BDA00028338359900000517
的映射开销
Figure BDA00028338359900000518
评价得到的资源分配方法；
所述步骤S3中的每个虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000519
进行CPU资源
Figure BDA00028338359900000520
分配具体包括如下步骤：
X1、查找资源需求最大的虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000521
从集合N底层网络节点中选择满足其资源请求的底层节点ni为其分配资源；
X2、以资源需求最大的虚拟网络节点为根节点，采取广度优先策略，对虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000522
进行排序；
X3、对于虚拟网请求的每个节点
Figure BDA00028338359900000523
选择满足CPU资源
Figure BDA00028338359900000524
的要求且紧密度系数TF(ni)计算得到的距离最近的节点nj，为其分配资源；
所述步骤S3中的每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000525
进行带宽资源
Figure BDA00028338359900000526
分配具体包括如下步骤：
Y1、选择当前虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000527
的所有可映射的底层网络路径
Figure BDA00028338359900000528
Y2、将底层路径
Figure BDA00028338359900000529
按跳数进行排序；
Y3、将虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000530
的时延限制
Figure BDA00028338359900000531
转换为链路数量限制
Figure BDA00028338359900000532
其中Tave为每条底层链路lij的数据处理和数据传输时长的平均值；
Y4、选择带宽资源满足s.t.
Figure BDA0002833835990000061
跳数满足
Figure BDA0002833835990000062
Figure BDA0002833835990000063
的底层路径
Figure BDA0002833835990000064
为虚拟网络链路
Figure BDA0002833835990000065
分配资源。
所述步骤S4中虚拟网络请求
Figure BDA0002833835990000066
的映射开销
Figure BDA0002833835990000067
计算公式为：
Figure BDA0002833835990000068
其中，
Figure BDA0002833835990000069
表示每个虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000610
所请求的CPU资源数量，
Figure BDA00028338359900000611
表示每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000612
所请求的带宽资源数量，BW代表资源容量。
所述步骤X3中，从时间角度针对时延敏感的虚拟网络请求，令底层节点ni是虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000613
的候选底层节点，此时，底层网络节点ni与虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000614
中虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000615
之间的紧密度系数TF(ni)的计算方法定义为
Figure BDA00028338359900000616
其中disij表示底层节点ni和其底层节点nj之间最短路径包含的链路数量，
Figure BDA00028338359900000617
表示虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000618
的邻居节点中已获得CPU资源的虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000619
所映射的底层节点ni的集合。
所述步骤Y4中的式(2)表示每条虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000620
的带宽需求数量
Figure BDA00028338359900000621
不能大于为其提供带宽资源的底层链路lij的可用带宽容量BW(lij)，式(3)
Figure BDA00028338359900000622
表示为虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000623
所分配的底层网络路径
Figure BDA00028338359900000624
包含的链路数量
Figure BDA00028338359900000625
不能大于虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000626
时延限制中的链路数量Hx。
本发明在进行具体使用的时候，为生成网络环境，使用GT-ITM工具生成底层网络和虚拟网络，将底层网络的底层网络节点ni数量设置为100-600个，用于模拟不同网络规模环境；虚拟网络的虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000627
数量服从[5,8]的均匀分布，在底层网络链路lij和虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000628
的生成方面，采用任意两个节点以0.3的概率进行连接的策略，在资源数量方面，底层网络节点ni的CPU资源和和底层链路lij的带宽资源都服从[50,80]的均匀分布，虚拟网络节点
Figure BDA00028338359900000629
请求的CPU资源
Figure BDA00028338359900000630
和和虚拟网络链路
Figure BDA00028338359900000631
请求的带宽资源
Figure BDA00028338359900000632
都服从[2,6]的均匀分布。
为验证本发明提出的资源分配方法的性能，将本发明算法与RAAoRR算法(Resource Allocation Algorithm based on Resource Request，基于请求顺序的资源分配算法)进行比较，其中，RAAoRR算法根据虚拟网络请求的到达顺序为虚拟网络分配最短路径的底层链路资源，资源分配方法和RAAoRR算法进行比较的基本指标为时延条件满足率、虚拟网映射成功率，其中时延条件满足率是指成功获得底层网络资源且满足时延要求的虚拟网数量在总的虚拟网请求数量中的占比，虚拟网映射成功率是指成功获得底层资源的虚拟网数量在总的虚拟网请求数量中的占比。
虚拟网络映射成功率比较结果如图1所示，X轴表示底层网络节点数量，Y轴表示虚拟网络映射的成功率，从图可知，随着底层网络规模的增加，两个算法下的虚拟网映射成功率都在增加，这是因为底层网络规模增加后，可以为虚拟网资源分配提供更多的可选资源，综合比较来看，本发明的资源分配方法下的虚拟网映射成功率高于RAAoRR算法，这说明本发明的资源分配方法为虚拟网请求分配了更加优化的资源，从而减少了虚拟网对底层网络资源的占用；
时延条件满足率分析比较结果如图2所示，X轴表示底层网络节点数量，Y轴表示时延条件满足率，从图可知，随着底层网络规模的增加，本发明的资源分配方法和RAAoRR算法下的虚拟网时延条件满足率都在增加，这说明网络规模增加，虚拟网的可选资源增加，从而获得了时延更加优化的资源，资源分配方法和RAAoRR算法比较来看，不同网络规模下本发明的资源分配方法的结果都优于比较算法，这说明本发明算法可以为虚拟网分配更加优化的底层网络资源，从而提升了虚拟网时延条件的满足率。

Claims (6)

1.一种网络切片下时延敏感的虚拟网络资源分配方法，包括底层网络，其特征在于，所述资源分配方法包括如下步骤：
S1、利用网络切片下的底层网络G(N,E)构建虚拟网络Gv(Nv,Ev)，其中N表示底层网络节点ni构成的集合，E表示底层网络链路lij构成的集合，每个底层网络节点ni具有的CPU资源为C(ni)，每条底层网络链路lij具有的带宽资源为B(lij)，Nv表示虚拟网络节点
Figure FDA0002833835980000011
构成的集合，每个虚拟网络节点
Figure FDA0002833835980000012
向底层节点ni申请的CPU资源为
Figure FDA0002833835980000013
Ev表示虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000014
构成的集合，每条虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000015
向底层链路lij申请的带宽资源为
Figure FDA0002833835980000016
S2、对于M个虚拟网络请求
Figure FDA0002833835980000017
按照每条虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000018
的时延限制
Figure FDA0002833835980000019
进行升序排列
Figure FDA00028338359800000110
其中时延限制
Figure FDA00028338359800000111
S3、为每个虚拟网请求
Figure FDA00028338359800000112
分配资源，包括为每个虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000113
进行CPU资源
Figure FDA00028338359800000114
分配、为每条虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000115
进行带宽资源
Figure FDA00028338359800000116
分配两个子过程；
S4、得到虚拟网络的资源分配方法，并利用虚拟网络请求
Figure FDA00028338359800000117
的映射开销
Figure FDA00028338359800000118
评价得到的资源分配方法。
2.如权利要求1所述的一种网络切片下时延敏感的虚拟网资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3中的每个虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000119
进行CPU资源
Figure FDA00028338359800000120
分配具体包括如下步骤：
X1、查找资源需求最大的虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000121
从集合N底层网络节点中选择满足其资源请求的底层节点ni为其分配资源；
X2、以资源需求最大的虚拟网络节点为根节点，采取广度优先策略，对虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000122
进行排序；
X3、对于虚拟网请求的每个节点
Figure FDA00028338359800000123
选择满足CPU资源
Figure FDA00028338359800000124
的要求且紧密度系数TF(ni)计算得到的距离最近的节点nj，为其分配资源。
3.如权利要求1所述的一种网络切片下时延敏感的虚拟网资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3中的每条虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000125
进行带宽资源
Figure FDA00028338359800000126
分配具体包括如下步骤：
Y1、选择当前虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000127
的所有可映射的底层网络路径
Figure FDA00028338359800000128
Y2、将底层路径
Figure FDA0002833835980000021
按跳数进行排序；
Y3、将虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000022
的时延限制
Figure FDA0002833835980000023
转换为链路数量限制
Figure FDA0002833835980000024
其中Tave为每条底层链路lij的数据处理和数据传输时长的平均值；
Y4、选择带宽资源满足
Figure FDA0002833835980000025
跳数满足
Figure FDA0002833835980000026
Figure FDA0002833835980000027
的底层路径
Figure FDA0002833835980000028
为虚拟链路
Figure FDA0002833835980000029
分配资源。
4.根据权利要求1所述的一种网络切片下时延敏感的虚拟网资源分配方法，其特征在于，所述步骤S4中虚拟网络请求
Figure FDA00028338359800000210
的映射开销
Figure FDA00028338359800000211
计算公式为：
Figure FDA00028338359800000212
其中，
Figure FDA00028338359800000213
表示每个虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000214
所请求的CPU资源数量，
Figure FDA00028338359800000215
表示每条虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000216
所请求的带宽资源数量。
5.如权利要求2所述的一种网络切片下时延敏感的虚拟网资源分配方法，其特征在于，所述步骤X3中，从时间角度针对时延敏感的虚拟网络请求，令底层节点ni是虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000217
的候选底层节点，此时，底层网络节点ni与虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000218
中虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000219
之间的紧密度系数TF(ni)的计算方法定义为
Figure FDA00028338359800000220
其中disij表示底层节点ni和其底层节点nj之间最短路径包含的链路数量，
Figure FDA00028338359800000221
表示虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000222
的邻居节点中已获得CPU资源的虚拟网络节点
Figure FDA00028338359800000223
所映射的底层节点ni的集合。
6.根据权利要求3所述的一种网络切片下时延敏感的虚拟网资源分配方法，其特征在于，所述步骤Y4中的式(2)表示每条虚拟网络链路
Figure FDA00028338359800000224
的带宽需求数量
Figure FDA00028338359800000225
不能大于为其提供带宽资源的底层链路lij的可用带宽容量BW(lij)，式(3)
Figure FDA0002833835980000031
表示为虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000032
所分配的底层网络路径
Figure FDA0002833835980000033
包含的链路数量
Figure FDA0002833835980000034
不能大于虚拟网络链路
Figure FDA0002833835980000035
时延限制中的链路数量Hx。
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