CN114363738A

CN114363738A - 面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法

Info

Publication number: CN114363738A
Application number: CN202111544071.4A
Authority: CN
Inventors: 陈伯文; 郑雯雯; 陈琪; 郝志芃; 陈虹; 高明义; 沈纲祥
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-16
Also published as: CN114363738B; WO2023108716A1

Abstract

本发明涉及一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，包括计算虚拟节点资源请求，并确定虚拟节点映射顺序，基于空分复用光网络计算物理节点资源负载度，并构建空分复用光网络的映射辅助图；依次判断每个虚拟节点是否满足节点映射资源约束；计算对应映射的物理节点对之间的多条候选工作路径，在候选工作路径中选择纤芯；判断在纤芯上是否能查找到满足要求的可用空闲频谱块，若判断结果为是，则虚拟网络映射成功，若判断结果为否，则遍历所有的候选工作路径；遍历所有虚拟网络，记录成功映射的虚拟网络的数量和失败的数量，统计映射性能。本发明能够达到虚拟网络映射数量和面向数据中心的空分复用光网络资源最优化的目的。

Description

面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，尤其是指一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法。

背景技术

近年来，随着云计算、网络视频，智能家居以及物联网等快速发展，给传输带宽资源有限的通信骨干网带来了巨大挑战。此外，业务的快速发展使互联网构架越来越无法满足网络运营、管理、扩展、业务部署的需求，要在全球范围内部署一套类似规模的新网络是相当困难的，网络陷入了“僵化”的局面。因此，网络虚拟化技术被引入到光网络中来解决互联网僵化问题，在分配资源时提供了更大的灵活性和效率。目前，用户产生的虚拟网络通常由带有资源约束条件的虚拟节点和虚拟光链路组成。虚拟网络映射是网络虚拟化研究的基本内容之一,它的主要目的是在满足节点计算资源和带宽资源约束的基础上,将虚拟网络映射到物理网络,从而实现物理层资源的有效利用。可见，如何优化网络的映射数量和频谱资源利用率将成为一个关键技术，以使网络运营达到最佳状态。

在底层物理网络数据中心资源有限的虚拟网络映射过程中，现有技术为了最小化虚拟网络映射成本，通常将带宽需求大的虚拟链路映射到距离短的物理链路，这会导致网络负载分布不均匀，容易引起底层物理网络计算资源浪费，从而导致虚拟网络映射的阻塞率提高。然后为了降低阻塞率，提高资源利用率，将计算资源需求大的虚拟节点映射到提供计算资源大的物理节点，但由于没有考虑链路的映射，会导致虽然虚拟节点映射成功，但虚拟链路映射过长的问题，隐形中降低了网络成功映射的数量。网络的频谱资源效率是由映射成功的虚拟网络数量和频谱碎片化程度决定的。可见，为了获得更高的频谱资源利用率，一方面要考虑虚拟网络映射成功的数量，另一方面还要考虑频谱资源的合理分配。

因此，目前迫切需要提出一种在确保虚拟网络映射数量的同时使得网络频谱资源利用率达到最大化的的虚拟网络映射方法。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，结合虚拟链路的带宽需求和节点的计算资源需求，以及面向数据中心的空分复用光网络的频谱资源的占用状态，引入了虚拟节点请求资源和物理节点资源负载度的概念，提出一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，达到虚拟网络映射数量和面向数据中心的空分复用光网络资源最优化的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，包括以下步骤：

S1：提供一面向数据中心的空分复用光网络，对所述空分复用光网络进行网络初始化，并接收一虚拟网络；

S2：计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求，并按照虚拟节点资源请求确定虚拟节点映射顺序，同时基于所述空分复用光网络计算物理节点资源负载度，并构建空分复用光网络的映射辅助图；

S3：依次判断每个虚拟节点是否满足节点映射资源约束，若判断结果为是，则将该虚拟节点映射到所述空分复用光网络的映射辅助图中，若判断结果为否，则该虚拟节点映射失败；

S4：计算对应映射的物理节点对之间的多条候选工作路径，并在候选工作路径中选择纤芯；

S5：判断在所述纤芯上是否能够查找到满足频谱连续性、频谱一致性以及纤芯间交叉串扰的可用空闲频谱块，若判断结果为是，则虚拟网络映射成功，若判断结果为否，则遍历所有的候选工作路径，若所有的候选工作路径上均查找不到满足要求的可用空闲频谱块，则虚拟网络映射失败；

S6：重复S1-S5，遍历所有虚拟网络，记录成功映射的虚拟网络的数量和失败的数量，并统计虚拟网络的映射性能。

在本发明的一个实施例中，在S2中，计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求，包括：

按照下式计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求：

其中，V_n表示第n个虚拟网络，M表示与节点j相邻的虚拟节点的个数，

表示第n个虚拟网络上节点j所需要的计算资源，

表示节点j相邻虚拟链路所需要的带宽资源之和，

表示虚拟节点j的度数。

在本发明的一个实施例中，在S2中，按照虚拟节点资源请求确定虚拟节点映射顺序时，虚拟节点资源请求大的虚拟节点优先映射。

在本发明的一个实施例中，在S2中，基于所述空分复用光网络计算物理节点资源负载度，包括：

按照下式计算物理节点资源负载度；

其中，G^v表示面向数据中心的空分复用光网络，N′表示与预映射虚拟节点相邻的所有虚拟节点所映射的物理节点集合，L表示与物理节点k相邻的物理链路集合，|F|表示每个纤芯的总频谱隙数，

示物理节点k的度数，

表示物理节点k可以承载的计算资源，H(k,d)表示预映射物理节点到物理节点d的最短路径的跳数，

表示物理链路l第k个纤芯上第f_k个频谱的使用情况。

在本发明的一个实施例中，在S3中，对于虚拟节点映射，在未映射虚拟节点中，依据虚拟节点资源请求最高的虚拟节点映射到未映射物理节点中资源负载度最高的物理节点的原则。

在本发明的一个实施例中，在S3中，判断每个虚拟节点是否满足节点映射资源约束包括：

判断未映射的虚拟节点资源请求是否≤空分复用光网络提供的计算资源，若判断结果为是，则将该虚拟节点映射到所述空分复用光网络的映射辅助图中，若判断结果为否，则该虚拟节点映射失败。

在本发明的一个实施例中，在将虚拟节点映射到所述空分复用光网络的映射辅助图后，把成功映射的虚拟节点从未映射虚拟节点中删除，并更新剩余的未映射虚拟节点。

在本发明的一个实施例中，在S4中，采用K条最短路径算法计算K条候选工作路径。

此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述方法的步骤。

并且，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明针对现有网络中动态到来的业务，通过计算虚拟网络中每个节点的资源请求，同时计算每个空分复用光网络交接节点周围链路上的频谱邻接度，实现基于频谱邻接度的虚拟网络映射到面向数据中心的空分复用光网络中，以减少空分复用光网络的频谱碎片；并且考虑到空分复用光网络的资源利用率问题，采用纤芯分类的方法，使面向数据中心的空分复用光网络的频谱排列更规整，提高频谱资源利用率，同时考虑到交叉串扰问题，在连接请求建立过程中抑制网络交叉串扰值，结合虚拟链路的带宽需求和节点的计算资源需求，以及面向数据中心的空分复用光网络的频谱资源的占用状态，引入了虚拟节点请求资源和物理节点资源负载度的概念，提出一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，达到虚拟网络映射数量和面向数据中心的空分复用光网络资源最优化的目的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法的流程示意图。

图2是本发明虚拟网络拓扑图。

图3是本发明七芯光纤截面图。

图4是本发明面向数据中心的七芯光网络拓扑图。

图5是本发明光纤链路的频谱资源占用状态图。

图6是本发明面向数据中心的空分复用光网络映射辅助图。

图7是本发明面向数据中心的虚拟网络映射过程示意图。

图8是本发明七芯光纤的频谱占用状态图。

图9是本发明计算机设备的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：10、处理器；11、存储器；12、通信接口；13、通信总线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1所示，本实施例提供一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，包括以下步骤：

在本发明公开的一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法中，定义了虚拟节点请求资源和物理节点资源负载度，以感知物理网络资源，解决了底层网络中频谱碎片化问题降低网络的阻塞率。通过构建物理光网络映射辅助图，简化虚拟网络映射到面向数据中心的空分复用光网络的复杂性。

对于上述实施方式的S1，给定一个面向数据中心的空分复用光网络G^p(V^p,E^p,Q^p,C^p)，其中V^p代表一组物理节点，E^p代表一组光纤链路，Q^p表示每条光纤链路上的纤芯集合，C^p代表每个数据中心提供的计算资源；一组虚拟网络G^v(V^v,E^v,Q^v,C^v)，其中V^v、E^v、Q^v和C^v分别代表一组虚拟节点、一组虚拟链路、一组虚拟链路带宽需求和一组节点计算资源需求。

对于上述实施方式的S2，按照(1)式计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求，并按照虚拟节点资源请求确定虚拟节点映射顺序，虚拟节点资源请求大的虚拟节点优先映射，虚拟节点资源请求小的后映射：

表示第n个虚拟网络上节点j所需要的计算资源，

表示节点j相邻虚拟链路所需要的带宽资源之和，

表示虚拟节点j的度数。

对于上述实施方式的S2，在面向数据中心的空分复用光网络中，按照(2)式计算物理节点资源负载度,构建面向数据中心的空分复用光网络的映射辅助图，即物理光网络映射辅助图：

示物理节点k的度数，

表示物理链路l第k个纤芯上第f_k个频谱的使用情况，如果空闲为0，否则为1；θ、τ和ε为极小正数。

对于上述实施方式的S3，对于虚拟节点映射序列，在未映射虚拟节点中，根据虚拟节点资源请求最高的虚拟节点映射到未映射物理节点中资源负载度最高的物理节点的原则，判断虚拟节点是否满足映射条件，即虚拟节点映射的计算资源需求小于或等于物理光网络中数据中心提供的计算资源，若满足所述虚拟节点映射的计算资源条件，则把虚拟节点映射到所构建的物理光网络映射辅助图中，并把成功映射节点从未映射集合中删除，更新剩余未映射节点信息；否则虚拟节点的映射失败。

对于上述实施方式的S4，根据虚拟节点映射情况，在面向数据中心的空分复用光网络中，采用K条最短路径算法计算K条候选工作路径，并按距离大小排列顺序选择候选工作路径。

对于上述实施方式的S4，在所选择的候选工作路径上，根据链路请求带宽类别选择对应满足要求的纤芯，遍历所有符合要求的纤芯，找到满足频谱连续性、频谱一致性以及满足纤芯间交叉串扰的可用空闲频谱块。

对于上述实施方式的S5，遍历所有K条候选工作路径，都没有找到可用空闲频谱块，则虚拟链路映射失败，即这个虚拟网络映射失败。

本发明主要针对虚拟网络映射中的频谱资源利用率问题，根据虚拟链路的带宽需求和虚拟节点的计算资源需求，以及根据面向数据中心的空分复用光网络的频谱资源占用状态，定义了虚拟节点请求资源和物理节点资源负载度，提出了面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法。首先，对于虚拟网络中每一个虚拟节点，计算它对应的虚拟节点请求资源，并按虚拟节点请求资源的降序排序方式，来确定虚拟节点映射的顺序；其次，在物理光网络中，在物理节点对中建立一条工作路径，再根据工作路径的总距离和节点所能提供的计算资源，以及物理链路频谱资源空闲状态，计算物理节点资源负载度；然后，为了简化映射过程，用工作路径和保护路径的总距离作为构建物理光网络映射辅助图的链路距离，在满足虚拟节点计算资源需求和虚拟链路带宽要求的条件下，根据虚拟网络的拓扑信息，把虚拟节点请求资源高的虚拟节点映射到物理节点资源负载高的物理节点；之后，完成虚拟节点映射后，根据所映射到的物理节点对之间的链路状态和虚拟链路的带宽需求，遍历每条光纤链路上的所有纤芯，找到满足频谱连续性、频谱一致性、纤芯间交叉串扰约束的可用频谱资源，最后把虚拟链路映射到所选择的工作路径中，实现面向数据中心资源感知的节点优先虚拟网络映射。这样，有利于映射更多虚拟网络到物理光网络中，提高面向数据中心的空分复用光网络的频谱资源效率。

下面列举一个具体的应用实例来详细阐述一下本发明一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法。

图2为一个虚拟网络的示意图，图2中虚拟节点用正六边形表示，1、2、3分别代表虚拟网络的虚拟节点编号，虚线圆圈中的数字代表着该虚拟节点所需计算资源数目，每一条虚拟链路用虚线表示，虚线上的长方形个数代表两个不同虚拟节点之间的频谱资源需求数。

图4为6个节点与8条链路面向数据中心的空分复用光网络拓扑结构。如图3表示每一条光纤链路含有7个纤芯，其中数字表示每个纤芯的编号，0-5号纤芯的虚线和实线分别表示用于承载不同的业务类型，6号纤芯可以承载所有的业务类型；在图4中，光网络的物理节点用圆圈表示，并用A、B、C、D、E、F表示物理节点编号；与物理节点相邻的虚线圆圈上的数字代表该数据中心提供的计算资源数目；物理节点之间的实线链路表示多纤芯光纤链路，在它们上面的数字代表两个物理节点之间的传输距离，单位为公里(km)，在每一条光纤链路的纤芯中频谱资源占用情况如图5所示。

首先，计算所有物理节点对之间的最短路径的距离，并构建物理光网络映射辅助图，如图6所示。在图6中，节点对之间的物理链路上的数字代表在物理光网络中这一节点对所对应的工作路径距离。

其次，基于虚拟网络的虚拟链路的带宽需求大小和虚拟节点的计算资源需求大小计算虚拟节点请求资源，确定虚拟节点的映射顺序。同理，基于物理光网络的物理链路的频谱资源占用情况和物理节点的计算资源大小计算物理节点资源负载度，确定物理节点的映射顺序。例如，在图2中，按照虚拟节点请求资源确定虚拟节点的映射顺序，这个映射顺序为3、1、2；在图4中，按照物理节点资源负载度确定物理节点的映射顺序，这个映射顺序为D、E、B、F、C、A。

然后，根据虚拟节点和物理节点的映射顺序，在图6中，取虚拟节点3、1和2对应映射到物理节点D、E和B，如图7所示。

再然后，根据虚拟节点映射情况完成虚拟链路映射。即虚拟链路1-2、2-3和1-3分别映射到E-C、C-D和E-D。三条虚拟链路的带宽请求分别是4、2和2。假设带宽请求大于3映射到虚线纤芯，否则映射到实线纤芯；同时假设可允许的最大交叉串扰为4个频谱隙。

最后，首先在物理链路E-C的0、2和4号纤芯上优先查找连续频隙数大于等于4的空闲频谱块，可以发现物理链路E-C上0号纤芯3-6号频谱隙满足要求，且与相邻纤芯之间形成的交叉串扰为6个频隙，不满足交叉串扰阈值要求，继续查找到可用资源为0号纤芯4-7号频谱隙，与相邻纤芯之间形成的交叉串扰为4个频隙，满足交叉串扰阈值约束，即资源分配成功。其次在物理链路C-D的1、3和5号纤芯上优先查找连续频隙数大于等于2的空闲频谱块，找到1号纤芯上4-5号频谱隙符合要求，同时与相邻纤芯之间的交叉串扰为3个频谱隙，资源分配成功。同理，最后在物理链路E-D上的1、3和5号纤芯上优先查找连续频隙数大于等于2的空闲频谱块，找到1号纤芯上4-5号频谱隙符合要求，同时与相邻纤芯之间的交叉串扰为3个频谱隙，资源分配成功，如图8所示。在资源分配过程中，如果虚拟链路的频谱资源未能分配成功，继续查找保护路径可用资源分配业务，找到可用资源则虚拟网络映射成功，否则映射失败，之后，统计网络的映射性能。

相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：

存储器，其用于存储计算机程序；

处理器，其用于执行计算机程序时实现上述一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法的步骤。

请参阅图9所示，为计算机设备的组成结构示意图，计算机设备可以包括：处理器10、存储器11、通信接口12和通信总线13。处理器10、存储器11、通信接口12均通过通信总线13完成相互间的通信。

在本发明实施例中，处理器10可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、特定应用集成电路、数字信号处理器、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件等。

处理器10可以调用存储器11中存储的程序，具体的，处理器10可以执行面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法的实施例中的操作。

存储器11中用于存放一个或者一个以上程序，程序可以包括程序代码，程序代码包括计算机操作指令。

此外，存储器11可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件或其他易失性固态存储器件。

通信接口12可以为通信模块的接口，用于与其他设备或者系统连接。

当然，需要说明的是，图9所示的结构并不构成对本申请实施例中计算机设备的限定，在实际应用中计算机设备可以包括比图9所示的更多或更少的部件，或者组合某些部件。

相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S2中，计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求，包括：

按照下式计算所述虚拟网络中的虚拟节点资源请求：

表示第n个虚拟网络上节点j所需要的计算资源，

表示节点j相邻虚拟链路所需要的带宽资源之和，

表示虚拟节点j的度数。

3.根据权利要求1或2所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S2中，按照虚拟节点资源请求确定虚拟节点映射顺序时，虚拟节点资源请求大的虚拟节点优先映射。

4.根据权利要求1所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S2中，基于所述空分复用光网络计算物理节点资源负载度，包括：

按照下式计算物理节点资源负载度；

示物理节点k的度数，

表示物理链路l第k个纤芯上第f_k个频谱的使用情况。

5.根据权利要求1所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S3中，对于虚拟节点映射，在未映射虚拟节点中，依据虚拟节点资源请求最高的虚拟节点映射到未映射物理节点中资源负载度最高的物理节点的原则。

6.根据权利要求1或5所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S3中，判断每个虚拟节点是否满足节点映射资源约束包括：

7.根据权利要求6所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在将虚拟节点映射到所述空分复用光网络的映射辅助图后，把成功映射的虚拟节点从未映射虚拟节点中删除，并更新剩余的未映射虚拟节点。

8.根据权利要求1所述的面向数据中心资源感知的虚拟网络映射方法，其特征在于，在S4中，采用K条最短路径算法计算K条候选工作路径。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。