CN113078942A - 一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，属于光纤通信技术领域。本发明所述的方法通过考虑物理节点可用计算资源、相邻链路可用带宽、最短光路跳数这些因素，设计了多物理节点协作因子的计算公式，并依据协作因子值确定虚拟节点的映射物理节点；采用最短路径算法确定映射物理节点间的工作光路和边分离的保护光路，设计一个综合考虑相关光路频谱碎片化程度和资源减少量的工作频谱块选择公式，选择关联因子值最大的频谱块作为工作光路的传输频谱块；设计一个考虑光路跳数和关联因子值的保护频谱块选择公式，选择匹配因子值最大的频谱块作为保护光路的传输频谱块。该方法可以提高生存性虚拟网络映射的成功率和频谱资源利用率。

Description

一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法。

背景技术

随着网络通信技术的飞速发展，大量具有高带宽和低时延要求的新型业务不断涌现，如视频通话、虚拟现实、无人驾驶等。虽然这些创新性网络应用极大程度上提高了人们生活质量，但也无形中增加了网络的传输压力，使得当前通信骨干网中的频谱资源越来越紧缺。传统波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)网络采用了固定粒度(50GHz或100GHz)的频谱划分方式，并且无法自适应选择调制格式，造成大量频谱资源的浪费，难以满足业务带宽需求的增长。相较于WDM网络，基于正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)技术的弹性光网络(Elastic Optical Networks,EONs)有着更细粒度的频谱资源划分方式，且可以自适应地满足不同业务的频谱资源需求，极大地降低了网络中频谱资源浪费程度。

与此同时，由于通信网是由不同网络运营商共同建立，各运营商在构建网络的过程中所使用的通信设配和通信协议不尽相同，这就导致网络资源不能以一种统一的方式被调度和管理。为了解决当前网络存在的结构僵化问题，研究者们提出了网络虚拟化技术。网络虚拟化被视为解决网络结构僵化问题的有力技术手段。然而，网络虚拟化在具体实施过程中，还存在着诸多问题需要被解决，其中最为棘手的便是虚拟网络映射问题。虚拟网络映射问题本质上是如何在底层物理网络上寻找一个与虚拟网络拓扑结构类似的物理拓扑，并有效地为其分配频谱资源。此外，EONs中的光纤链路容易受到链路老化、自然灾害、人为破坏等因素的影响而发生故障，这会造成网络中大量业务请求无法正常传输，给个人以及社会造成巨大经济损失。调查表明，单链路故障占网络中链路故障的70％。因此，单链路故障下生存性虚拟网络映射需要被深入研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，用于提高生存性虚拟网络映射的成功率和频谱资源利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1:初始化底层物理网络，确定当前底层物理网络中频谱资源的频隙索引值、物理节点的剩余可用计算资源和物理链路的剩余可用带宽资源；

S2:首先，采用最短路径算法，在每对物理节点间计算K条物理光路；然后，根据不同物理光路间的链路相交情况，确定每条物理光路的相关光路集；

相关光路的定义：如果物理光路P1的链路和物理光路P2的链路相交，那么称P1是P2 的相关光路，或者说，P2是P1的相关光路。

S3:首先，找出虚拟网络请求的所有未映射虚拟节点，并确定所有未映射虚拟节点的计算资源需求、相邻链路的带宽需求、度数以及相邻已映射虚拟节点个数；其次，根据虚拟节点的计算资源需求、相邻链路的带宽需求、度数以及相邻已映射虚拟节点个数，计算所有未映射虚拟节点的权重排序值；然后，根据虚拟节点的权重排序值，将所有未映射虚拟节点非升序排序；最后，将完成排序的所有未映射虚拟节点依次通过基于多节点协作的虚拟节点映射方法，完成虚拟节点的映射。

S4:当虚拟节点全部成功映射后，首先，找出虚拟网络请求的所有未映射虚拟链路，并确定所有未映射虚拟链路的带宽需求；然后，根据虚拟链路的带宽需求，将所有未映射虚拟链路非升序排序；最后，将完成排序的所有未映射虚拟链路依次通过基于相关光路资源感知的虚拟链路映射方法，完成虚拟链路的映射。

进一步，所述S3中基于多节点协作的虚拟节点映射方法实现，具体包括以下步骤：

S301:找出权重排序值最大的未映射虚拟节点的所有候选物理节点并存入集合R；所述候选物理节点指的是剩余可用计算资源大于虚拟节点计算资源需求的物理节点；

未映射虚拟节点的权重排序值通过以下方式计算：

其中，C_n ^v表示虚拟节点v所需的计算资源大小，AeVD_v表示v的度数，|adj(v)|表示v的相邻已映射虚拟节点数，

表示v的相邻链路带宽需求和。

S302:判断集合R是否为空，若是，则此虚拟网络请求映射失败，反之，计算集合R中所有候选物理节点的协作因子值并选择出协作因子值最大的候选物理节点；

候选物理节点的协作因子值通过以下方式计算：

其中，N_v表示虚拟节点v的相邻未映射虚拟节点集合，s₁是虚拟节点v₁的预映射物理节点。s'是虚拟节点v'的预映射物理节点，

表示物理节点s'的剩余可用计算资源，con(v')表示虚拟节点v'相邻已映射虚拟节点所映射的物理节点集合，hop(p_s'a)表示物理节点s'到相邻已映射虚拟节点所映射物理节点a的最短光路p_s'a的跳数，

表示物理节点s'的相邻链路剩余可用带宽和。

S303:将权重排序值最大的未映射虚拟节点映射在协作因子值最大的候选物理节点上。

进一步，所述S4中基于相关光路资源感知的虚拟链路映射方法实现，具体包括以下步骤：

S401:采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路计算一条最短光路作为工作光路；

S402:判断工作光路中是否存在可用频谱块，若是，则计算所有可用频谱块的关联因子值，并选取关联因子值最小的频谱块在工作光路上进行频谱分配，反之，则此虚拟网络请求映射失败；所述可用频谱块为光路上在满足频谱一致性和连续性约束下，大于虚拟链路所需频隙数的空闲频谱块；

关联因子值通过以下方式计算：

其中，χ_P表示光路p的相关光路集，包含光路p本身，b表示光路p中的一个可用频谱块。FR^p'(b)表示光路p'的频谱碎片化度量值，其值越小，则光路p'的频谱碎片化越严重，

和

分别表示在光路p'上分配频谱块b前后的频谱碎片化度量值，fs_i为一个二进制变量，频隙i如果被占用，则为0，反之，则为1，N表示光路p'的频隙总数，|B|表示光路p'的空闲频谱块的数目。ΔFs^p'(b)表示在光路p'上分配频谱块b前后的空闲频隙减少数量，ΔFs_max表示ΔFs^p'(b)的最大取值。

S403:采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路计算K条与其工作光路链路不相交的候选保护光路；

S404:判断候选保护光路中是否存在可用频谱块，若是，则计算所有可用频谱块的匹配因子值，并选取匹配因子值最小的频谱块在保护光路上进行频谱分配，反之，则此虚拟网络请求映射失败。

匹配因子值通过以下方式计算：

BS(b)＝hop(p)·AF(b)

其中，hop(p)表示光路p的跳数，AF(b)表示光路p上频谱块b的关联因子值，BS(b)值越小，频谱块b被选择的可能性越大。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下图进行说明：

图1为基于多节点协作的虚拟节点映射方法示意图；

图2为关联因子值的计算示意图；

图3为一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法流程图；

图4为基于相关光路资源感知的虚拟链路映射方法流程图；

图5为基于多节点协作的虚拟节点映射方法流程图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示的基于多节点协作的虚拟节点映射法方法示意图，图1(a)是一个具有5个节点4条链路的虚拟网络，链路上的数字表示虚拟链路带宽需求，方框里的数字表示虚拟节点计算资源需求。图1(b)是一个具有7个节点9条链路的物理网络，链路上的数字表示物理链路剩余可用带宽资源，方框里的数字表示物理节点剩余可用计算资源。假设a、b、c三个虚拟节点已经完成映射，映射结果分别为a→A、b→B、c→C,在图1中已分别用黄色和蓝色表示出来。接下来，对剩余未映射虚拟节点进行映射。

Step1：在图1(a)中找出未映射虚拟节点e和d，并计算e、d两节点的权重排序值，经计算得R(d)＝45，R(e)＝30。因为R(d)>R(e)，所以先映射d节点。

Step2：找出d节点的所有候选物理节点存入集合C_d＝{D，E，F，G}，并计算集合C_d中所有候选物理节点的协作因子值。这里主要对F节点协作因子值的计算进行举例。

●首先，已知d节点的相邻已映射虚拟节点是节点c，节点c所映射的物理节点是C。通过图1(b)知道C、F两节点间的最短光路跳数是1，即hop(p_FC)＝1，F节点的剩余可用计算资源

F节点的相邻链路剩余可用带宽资源和

所以可得F节点的权重

●然后，找出d节点的所有相邻未映射虚拟节点放入集合N_d，可得N_d＝{e}。不妨假设虚拟节点d已经完成映射，即d→F。将节点e的所有候选物理节点放入集合B＝{E，D，G}。下面再计算集合B中所有候选物理节点的权重，以G节点的权重计算为例。e节点的相邻已映射虚拟节点为b，d且b→B，d→F。因为

所以可得

同理可得 weight(E)＝30，weight(D)＝60。因为weight(G)的值最大，所以将节点e预映射至节点G，即e→G。

●最后，可计算F节点的协作因子值

同理, 集合C_d中剩余候选物理节点的协作因子值也都可以计算出来，这里不做赘述。不难发现，在集合C_d中的所有候选物理节点中，候选物理节点F对应的协作因子值最大，所以最终将节点 d映射到物理节点F上，与此同时，将节点e映射到物理节点G上，即d→F，e→G。

如图2所示的关联因子值的计算示意图，图2(a)为一个物理网络拓扑结构，其中包括四个节点和四条链路。假设在光路P₁：A-B上正在为某一带宽需求为2个频隙的请求寻找一个可用频谱块。为了简单起见，假设P₁的相关光路集为χP₁＝{P₁,P₂}，其中P₂：A-B-C。光路的频隙状态可以通过链路的频隙状态获得。图2(b)显示了相关光路中频隙的状态。在光路P₁中，两个空闲可用频隙有4种不同的选择，但只展示了2个典型可用频谱块的关联因子值计算：b₁和b₂。

下面具体计算下可用频谱块b₁的关联因子值。对于图2(b)中光路P₁来说，计算可得

对于图2(b)中光路P₂来说，计算可得

因为这一请求的带宽需求为2个频隙，所以ΔFs_max＝2。最后计算得可用频谱块b1的关联因子值为

同理AF(b₂)＝3.5。因为 b₁的关联因子值值最小，所以在光路P₁上选取可用频谱块b₁进行频谱分配。

下面将结合图3对本发明的基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

输入：底层物理网络G^s，虚拟网络G^v

输出：虚拟网络映射结果。

S1：将虚拟网络请求的所有未映射虚拟节点保存到集合Q，转S2；

S2：计算Q中所有未映射虚拟节点的权重排序值，选出权重排序值最大的虚拟节点v，并找出v的所有候选物理节点保存到集合W，转至S3；

S3：若集合W为空，则直接阻塞该虚拟网络请求，否则，计算W集合中所有候选物理节点的协作因子值并存入集合E，转S4；

S4：若集合E为空，则直接阻塞该虚拟网络请求，否则，找出E中的最大值对应的候选物理节点s，并将虚拟节点v映射到物理节点s上，转S5；

S5：删除Q中已映射的虚拟节点，转S6；

S6：若集合Q为空，则该虚拟网络请求的所有虚拟节点映射成功，转S7，否则，转S2；

S7：将该虚拟网络请求的所有未映射虚拟链路保存到集合R，转S8；

S8：将R集合中所有未映射虚拟链路按带宽需求非升序排列，然后采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路寻找一条最短光路作为工作光路，并将该工作光路的所有可用频谱块保存到集合Y，转S9；

S9：若集合Y为空，则直接阻塞该虚拟网络请求，否则，计算集合Y中所有可用频谱块的关联因子值，选择关联因子值最小的可用频谱块在此工作光路上进行频谱分配，转S10；

S10：采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路寻找K条与其工作光路链路不相交的最短光路作为候选保护光路，并将候选保护光路中所有可用频谱块保存到集合F，转S11；

S11：若集合F不为空，则计算集合F中所有可用频谱块的匹配因子值，并选择匹配因子值最小的可用频谱块在此保护光路上进行频谱分配，转S12，否则，则直接阻塞该虚拟网络请求；

S12：删除R集合中已映射虚拟链路，转S13；

S13：若R集合为空，则虚拟网络请求映射成功，否则，转S8。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于多节点协作和相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1:首先，初始化底层物理网络，确定当前底层物理网络中频谱资源的频隙索引值、每条物理光路的跳数、每条物理光路的相关光路集以及物理节点和物理链路的资源剩余情况；其次，找出虚拟网络请求的所有未映射虚拟节点，并确定所有未映射虚拟节点的计算资源需求、相邻链路的带宽需求、度数以及相邻已映射虚拟节点个数；再次，根据虚拟节点的计算资源需求、相邻链路的带宽需求、度数以及相邻已映射虚拟节点个数，计算所有未映射虚拟节点的权重排序值；然后，根据虚拟节点的权重排序值，将所有未映射虚拟节点非升序排序；最后，将已完成排序的所有未映射虚拟节点依次通过基于多节点协作的虚拟节点映射方法，完成虚拟节点的映射；

S2:当虚拟节点全部成功映射后，首先，找出虚拟网络请求的所有未映射虚拟链路，并确定所有未映射虚拟链路的带宽需求；然后，根据虚拟链路的带宽需求，将所有未映射虚拟链路非升序排序；最后，将已完成排序的所有未映射虚拟链路依次通过基于相关光路资源感知的虚拟链路映射方法，完成虚拟链路的映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，其特征在于：所述S1中基于多节点协作的虚拟节点映射方法实现，具体包括以下步骤：

S101:找出权重排序值最大的未映射虚拟节点的所有候选物理节点并存入集合R；

未映射虚拟节点的权重排序值通过以下方式计算：

其中，C_n ^v表示虚拟节点v所需的计算资源大小，D_v表示v的度数，|adj(v)|表示v的相邻已映射虚拟节点数，

表示v的相邻链路带宽需求和。

S102:判断集合R是否为空，若是，则此虚拟网络请求映射失败，反之，计算集合R中所有候选物理节点的协作因子值并选择出协作因子值最大的候选物理节点；

候选物理节点的协作因子值通过以下方式计算：

其中，N_v表示虚拟节点v的相邻未映射虚拟节点集合，s₁是虚拟节点v₁的预映射物理节点。s'是虚拟节点v'的预映射物理节点，

表示物理节点s'的剩余可用计算资源，con(v')表示虚拟节点v'的相邻已映射虚拟节点所映射的物理节点集合，hop(p_s'a)表示物理节点s'到相邻已映射虚拟节点所映射物理节点a的最短光路p_s'a的跳数，

表示物理节点s'的相邻链路剩余可用带宽和。

S103:将权重排序值最大的未映射虚拟节点映射在协作因子值最大的候选物理节点上。

3.根据权利要求2所述的一种基于相关光路资源感知的生存性虚拟网络映射方法，其特征在于：所述S2中基于相关光路资源感知的虚拟链路映射方法实现，具体包括以下步骤：

S201:采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路计算一条最短光路作为工作光路；

S202:判断工作光路中是否存在可用频谱块，若是，则计算所有可用频谱块的关联因子值，并选取关联因子值最小的频谱块在工作光路上进行频谱分配，反之，则此虚拟网络请求映射失败；

关联因子值通过以下方式计算：

其中，χ_P表示光路p的相关光路集，包含光路p本身，b表示光路p中的一个可用频谱块。FR^p'(b)表示光路p'的频谱碎片化度量值，其值越小，则光路p'的频谱碎片化越严重，

和

分别表示在光路p'上分配频谱块b前后的频谱碎片化度量值，fs_i为一个二进制变量，频隙i如果被占用，则为0，反之，则为1，N表示光路p'的频隙总数，|B|表示光路p'的空闲频谱块的数目。ΔFs^p'(b)表示在光路p'上分配频谱块b前后的空闲频隙减少数量，ΔFs_max表示ΔFs^p'(b)的最大取值。

S203:采用最短路径算法为带宽需求最高的未映射虚拟链路计算K条与其工作光路链路不相交的候选保护光路；

S204:判断候选保护光路中是否存在可用频谱块，若是，则计算所有可用频谱块的匹配因子值，并选取匹配因子值最小的频谱块在保护光路上进行频谱分配，反之，则此虚拟网络请求映射失败。

匹配因子值通过以下方式计算：

BS(b)＝hop(p)·AF(b)

hop(p)表示光路p的跳数，AF(b)表示光路p上频谱块b的关联因子值，BS(b)值越小，频谱块b被选择的可能性越大。

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