CN114697223A - 一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，本发明通过对天地一体化网络下的虚拟网络请求进行业务分类，在业务分类的基础上结合业务特性以及虚拟网络请求的映射优先级，对虚拟网络请求的映射顺序进行个性化调度。在虚拟网络映射物理节点选择过程中，同时考虑到物理节点的资源的剩余量以及物理节点在整个网络的接近中心性，按照计算出的资源耦合性对节点进行排序。旨在对资源碎片化问题进行改善的同时也保障了虚拟网络请求的映射时延要求，从而降低映射能耗，高效利用资源，提高基础设施提供商的收益。

Description

一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法

技术领域

本发明属于天地一体化信息网络虚拟化领域，具体涉及一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法。

背景技术

天地一体化信息网络是由多层网络体系结构组成的多维异构网络，其主体主要是以传统地面网络作为基础、天基卫星网络作为进一步的补充，覆盖到空中、地面、海洋等多种环境中，能为用户提供更为全面、可靠的网络服务。通过多维度多层次的网络深度融合，天地一体化信息网络可以有效地综合利用各种资源，打破每一层网络之间相互独立而不能进行信息共享的瓶颈，在实现广域全覆盖和各层次网络的互联互通的基础上，进行智能网络控制和信息处理，进而为多类型的用户需求提供可靠的网络服务。

为解决天地空一体化网络物理资源的高效利用问题，需要采用资源虚拟化技术从物理资源中抽象出逻辑资源，在此基础上完成虚拟网络请求所需的资源与物理网络中的资源的映射。在不改变物理网络结构的同时给多个网络服务使用者赋予各自所需的网络功能，使得基础设施运营商能在现存的实际物理网络上容纳大量虚拟网络，从而能够高效利用空天地一体化网络中的资源。

虚拟网络请求由多条虚拟链路和多个虚拟节点连接构成。在传统虚拟网络映射问题中，通常采用二阶段映射算法，在完成虚拟节点后再映射虚拟链路。在映射虚拟节点时通常采用贪婪策略来确定映射的节点。在链路映射阶段通过最短路径算法在已确定的映射节点之间确定一条最短路径。由于天地一体化信息网络结构的多维异构性和网络节点资源的多样性，需要承担更为多样的业务，若直接采用上述方法来映射虚拟网络请求，在天基网络节点资源稀缺时，将无法承载紧急救灾、观测、通信等低时延任务。此外在节点映射时，仅考虑物理网路节点资源量而忽略节点拓扑属性，在两个映射节点相距过远时会造成链路资源碎片化，导致网络资源利用率低，最终导致网络基础设施提供商收益降低。

发明内容

本发明的目的在于克服在天地一体化信息网络架构下底层物理网络资源多维性以及业务多样性导致的映射效率低以及资源碎片化问题，提供一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，在业务分类的基础上按照虚拟网络请求映射优先级及业务特性进行个性化调度，在映射过程中考虑到网络节点资源耦合性。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

S1，将天地一体化信息网络节点中的多维资源集中后，通过网络虚拟化技术构成逻辑资源池；

S2，构建主从同步的接收队列，接收虚拟网络请求；

S3，计算每个虚拟网络请求的映射优先级；

S4，对虚拟网络请求进行业务特性分类，根据业务特性分类后的具体类型，分发至对应的业务队列中；

S5，在业务队列中根据映射优先级和业务特性对虚拟网络请求的映射顺序进行个性化调整；

S6，计算网络节点在整个物理网络中的资源耦合性，完成虚拟网络映射。

S1中，天地一体化信息网络节点的表示为：

Node＝{ID，Type，Resources，Other}

其中，Node代表天地一体化信息网络节点；ID代表节点的唯一编号；Type代表节点的网络类型，分为由卫星及飞行器构成的天基节点和地面设备构成的地基节点；Resources代表节点拥有的资源，包含计算资源，存储资源及传感器资源；Other代表节点其他的相关属性，包括设备运行时间，设备型号的信息。

S2中，构建主从同步的接收队列的具体方法如下：

主接收队列持续接受虚拟网络请求，从接收队列持续从主接收队列中备份相同的虚拟网络请求；

主接收队列在没有故障的情况下接受与分发虚拟网络请求，当主接收队列出现故障时，从接收队列接受与分发虚拟网络请求。

S3中，虚拟网络请求映射的优先级的计算方法为：

其中，G_v代表一个虚拟网络请求，α和β分别代表天地一体化信息网络中天基网络和地基网络在整个天地一体化网络中的权重，s_v和n_v分别代表天地一体化信息网络中的卫星网络和地面网络的虚拟节点；CPU代表虚拟节点所需的计算资源；ST代表虚拟节点所需的存储资源；SE代表虚拟节点所需的传感器资源；e_v代表天地一体化信息网络中的虚拟链路部分；BW和FQ分别代表虚拟网络请求中所需的链路资源和频谱资源。

S5中，业务特性包括紧急业务、低时延业务和普通业务，紧急业务、低时延业务和普通业务分别对应紧急业务队列、低时延业务队列和普通业务队列；

紧急业务队列负责处理应急救灾等紧急虚拟网络请求，紧急业务在映射时忽略虚拟网络请求的映射优先级和请求时间，优先进行映射；

低时延业务队列负责处理低延时虚拟网络请求，低时延业务在紧急业务映射完成后进行映射；

普通业务队列负责处理视频播放和文件传输的虚拟网络请求。

个性化调整包括紧急业务队列采用先来先服务的调度策略，低时延业务队列采用在一定时间片内按照映射优先级进行排序，普通业务队列采用构建多个映射堆的方式，优先对堆顶优先级高的虚拟网络请求进行映射。

在对普通业务队列中的虚拟网络请求进行映射时，采用对多个映射堆堆顶进行轮询的策略，依次映射每个虚拟网络请求堆中堆顶的虚拟网络请求。

S6中，网络节点在整个物理网络中的资源耦合性的计算方法如下：

dis(n,n_j)代表网络节点n到网络节点n_j的最短路径，

代表节点n到网络中其他节点最短路径的总和，其中N代表节点的总数；CPU(n),ST(n)和SE(n)分别代表该物理网络节点所拥有的CPU资源，存储资源和传感器资源；

表示该物理网络节点与之相连接的物理网络节点的数量总和；

在映射虚拟网络请求之前首先对物理网络节点按照资源耦合性大小进行排序，资源丰富的同时越接近网络中心的网络节点将被优先选择。

与现有技术相比，本发明通过对天地一体化网络下的虚拟网络请求进行业务分类，在业务分类的基础上结合业务特性以及虚拟网络请求的映射优先级，对虚拟网络请求的映射顺序进行个性化调度。在虚拟网络映射物理节点选择过程中，同时考虑到物理节点的资源的剩余量以及物理节点在整个网络的接近中心性，按照计算出的资源耦合性对节点进行排序。旨在对资源碎片化问题进行改善的同时也保障了虚拟网络请求的映射时延要求，从而降低映射能耗，高效利用资源，提高基础设施提供商的收益。

进一步的，本发明构建有主接收队列和从接收队列，当主接收队列出现故障时，从接收队列接受与分发虚拟网络请求，通过主从接收队列与配置故障自动转移机制，能够解决网络基础设施提供商在接收用户虚拟请求时面临的单点故障问题，提高了虚拟网络请求映射时的可靠性。

进一步的，本发明的业务特性包括紧急业务、低时延业务和普通业务，通过对业务特性进行分类，构建多个业务队列，在多个业务队列中采用不同的调度算法。

进一步的，本发明基于业务特性类型采用个性化映射方案，在解决资源碎片化问题的同时也保证了紧急业务的低时延要求。

进一步的，本发明通过在映射过程中考虑到网络节点的资源量以及节点在整个网络拓扑中拓扑属性，通过计算出资源耦合性来选择物理网络节点，旨在降低虚拟网络映射时物理网络资源映射能耗和基础设施提供商的费用代价，提高天地一体化信息网络中网络资源的利用率。

附图说明

图1为主从接受队列切换示意图；

图2为主从接受队列切换流程图；

图3为虚拟网络请求收集与按业务分发示意图；

图4为虚拟网络请求个性化调度的示意图；

图5为天地一体化网络建模以及虚拟网络请求建模图，其中，(a)是物理网络建模图，(b)是虚拟网络请求建模图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，该方法在对虚拟网络请求进行映射前，首先构建出虚拟网络请求的主从接收队列，主接受队列负责虚拟网络请求的接收与分发，在主接收队列出现故障时可以自动切换至从接受队列，从而避免单点故障问题。针对不同业务队列中的虚拟网络映射请求的业务特性和映射优先级，采用不同的调度算法对虚拟网络请求映射顺序进行调整。在映射过程中考虑到物理节点在天地一体化网络中的资源耦合性，最终完成天地一体化信息网络的虚拟网络映射。在解决资源碎片化问题的同时也保障了虚拟网络请求的映射时延要求，从而降低映射能耗，高效利用资源。具体包括以下步骤：

第一步：构建虚拟网络请求接收队列；

接收队列负责接受虚拟网络请求，为了避免单一接受队列出现单点故障时，无法为用户提供虚拟网络请求服务的问题，采用多接收队列模式接收虚拟网络请求。接收虚拟网络请求由主从两个接收队列来完成，主接收队列负责接收与分发虚拟网络请求，从接收队列负责完成虚拟网络请求的备份。

第二步：配置接收队列故障自动切换；

为了避免主接收队列发生故障时，人工修复的滞后性带来的无法立即提供服务的问题，可通过Zookeeper来实现故障自动切换功能。Zookeeper是一个提供分布式锁创建，选举等功能的分布式应用协调程序。首先通过ZooKeeper选举出唯一的接收队列，标记为active状态，即主接收队列，用以提供虚拟网络请求接收与分发服务。如果当前提供服务的主接收队列故障，另一个同步的从接收队列会从ZooKeeper获得特殊的排外锁以表明它应该成为当前提供服务的接收队列，来完成虚拟网络请求的收集与分发。参见图1所示，利用Zookeeper完成故障自动转移具体步骤如下：

(1),接收队列的健康检测：ZKFC是ZooKeeper中的客户端组件，用于查看和管理接收队列的工作状态。每个映射组织队列中都包含一个ZKFC管理服务，ZKFC使用一个健康检查命令定期地向所管理的映射组织队列发送心跳包，如果接收队列及时地回复健康状态，则ZKFC认为该接收队列是正常无故障的。如果该接收队列无法正常接受与分发虚拟网络请求，进入故障状态，则需要完成接收队列的切换工作。

(2)故障接收队列的下线：为了完成接收队列的切换工作，首先要完成故障的接收队列的下线。如果一个接收队列出现故障，在ZooKeeper中注册的会话将会中止，在ZooKeeper中创建的节点也将被删除，此时故障的接收队列将暂停服务。在故障接收队列所创建的节点被删除后，ZooKeeper将会通知从接收队列在集群中创建节点并建立会话。

(3)新接收队列的上线：如果一个接收队列的状态是健康的，且ZKFC发现没有其它的接收队列当前持有znode锁，它将为自己获取该锁。如果成功获得znode锁，则此接收队列转换为Active状态，开始对外提供服务，完成虚拟网络请求的收集与分发。

第三步：虚拟网络请求映射优先级计算；

接收队列在完成虚拟网络请求收集之后，需要计算出每个虚拟网络请求的映射优先级。映射优先级的高低表示虚拟网络请求的在虚拟网络请求映射时的先后顺序。通过调整虚拟网络请求的映射顺序来对资源碎片化情况进行改善。当资源需求量低的虚拟网络请求占用底层物理网络上关键网络节点上的资源，会造成物理网络资源碎片化，使得资源需求大的虚拟网络中因为一些关键节点的资源约束无法满足导致无法映射，最终会导致收益降低。

特别是在卫星资源稀缺的情况下，资源碎片化的影响更大。可以通过调整一段时间内的映射顺序来优化网络资源碎片化的情况。考虑到卫星网络部分资源的稀缺性，不能单纯根据资源需求量总大小来决定映射顺序，可以给不同的网络部分的资源赋予不同的权重，将不同网络的权重和不同虚拟网络请求业务的资源需求用量相结合，来决定映射优先级。虚拟网络映射优先级的计算公式为：

其中G_v代表一个虚拟网络请求。α和β分别代表天地一体化信息网络中天基网络和地基网络在整个天地一体化网络中的权重。s_v和n_v分别代表天地一体化信息网络中的卫星网络和地面网络的虚拟节点；CPU代表虚拟节点所需的计算资源；ST代表虚拟节点所需的存储资源；SE代表虚拟节点所需的传感器资源；e_v代表天地一体化信息网络中的虚拟链路部分；BW和FQ分别代表虚拟网络请求中所需的链路资源和频谱资源。

第四步：基于业务特性进行个性化调度；

如图3所示，在完成虚拟网络请求收集后，需要根据虚拟网络请求的业务特性将虚拟网络请求分发至不同的业务队列，共包括紧急业务队列，低时延业务队列和普通业务队列。如图4所示，在不同的业务队列中需要根据业务的特性以及请求的优先级，采用不同的调度策略对虚拟网络请求的映射顺序进行调整。

紧急业务队列中处理的是紧急场景下的业务，如紧急救灾，实时监测等，这一类业务需要及时处理，采用先来先服务的调度策略，忽略映射优先级，以保证该类业务处理的及时性。

低时延业务队列中处理的是时延比较低的业务，比如航空通信等业务，此类业务对处理的优先级低于紧急业务，但是对时延有一定要求。采用在一段时间内按照映射优先级高低对映射顺序进行调整。首先划分一段时间间隔，在该段时间间隔内的业务将按照业务优先级的高低进行调整。

普通业务队列负责处理普通业务的处理，如视频，文件传输等业务。基于此业务对时延要求不高，而所需的资源较多的特性，采用基于建立映射堆的策略。该调度策略的思想就是先将待调整的虚拟网络请求建成大根堆，使得每个父节点所代表的虚拟网络请求的优先级高于等于它的子节点。此时映射优先级最高的即为堆顶元素，需要优先完成映射。在完成堆顶的虚拟网络请求映射完成后，将末尾虚拟网络请求与之交换然后再调整堆顶元素使得剩下的虚拟网络请求仍保持大顶堆的特性，通过每次再重复执行以上操作，使得每次映射的虚拟网络请求的优先级都是最高的。

为了解决部分虚拟网络请求映射优先级过低，始终无法得到映射的情况，采用建立多个映射堆，每个堆中的调整策略相同，基于每个堆顶的虚拟网络请求做轮询策略，依次映射每个虚拟网络请求堆中堆顶的虚拟网络请求。

第五步：虚拟网络请求映射策略实施；

为了完成虚拟网络请求的映射，首先需要给出虚拟网络映射问题的形式化描述。天地一体化信息网络底层物理网络拓扑可被标记

其中N_s和L_S分别表物理网络中物理节点的集合和物理链路的集合。

表示天地一体化信息网络物理节点n_s(n_s∈N_s)所具有的属性，n_s表示天地一体化网络物理节点所具有的属性，包含该网络节点当前可用存储资源、计算资源、传感器资源等。

表示天地一体化网络链路l_s(l_s∈L_s)所具有的属性，天地一体化网络链路l_s具有的属性是该链路中剩余带宽资源和频谱资源量。

表示地一体化网络拓扑G_s是在t_s时刻下的网络拓扑。图5(a)描绘了一个天地一体化物理网络，其中，矩形表示底层物理网络节点，三角形表示卫星网络节点，节点附近集合中的数字表示该节点拥有的CPU资源、存储资源和传感器资源的数量。直线表示地面网络节点间的链路，虚线表示星间链路，点线表示星地链路，链路中的数字表示该链路的可用带宽资源或频谱资源。

天地一体化信息网络中虚拟网络请求可被标记为

其中N_v和L_v分别表示虚拟网络请求中虚拟节点和虚拟链路的集合。

表示虚拟节点n_v(n_v∈N_v)所具有的属性，虚拟节点n_v具有的属性是该虚拟节点所需的存储资源、计算资源、传感资源。节点映射的约束条件是的物理网络节点的剩余可用资源量必须大于等于虚拟网络节点请求的资源量。计算资源剩余量

存储资源剩余量

和传感器资源剩余量

计算公式如下：

其中n_v→n_s表示虚拟节点n_v被映射到了物理节点n_s上。虚拟网络请求节点映射时节点资源约束条件表示为：

表示虚拟链路l_v(l_v∈L_v)所具有的属性，虚拟链路l_s具有的属性是该虚拟链路需要请求的带宽资源及频谱资源。虚拟网络链路映射的约束条件是天地一体化信息网络物理节点间的可用链路资源必须大于等于虚拟网络链路请求的链路资源请求。带宽资源剩余量

和频谱资源剩余量

计算方式为：

其中e_v→e_s表示虚拟节点e_v被映射到了物理节点e_s上。虚拟网络请求链路映射时链路资源约束条件表示为：

图5(b)表示天地一体化信息网络中的虚拟网络请求，图形描述与图5(a)的描述一致。在整个虚拟网络映射过程中都需要在满足上述的节点资源约束和链路资源约束的基础上完成虚拟节点和虚拟链路的映射，并且在完成虚拟网络映射之后需要更新物理网络中的剩余资源量。

在完成虚拟网络映射的具体映射过程中，需要考虑到节点的耦合性和链路权重，先基于节点的多维资源、节点的度、以及节点的中心性计算节点的重要性，并对虚拟节点进行排序，优先映射耦合性高的节点。资源耦合性指标的计算：

dis(n,n_j)代表网络节点n到网络节点n_j的最短路径，

代表节点n到网络中其他节点最短路径的总和，其中N代表节点的总数。CPU(n),ST(n)和SE(n)分别代表该网络节点所拥有的CPU资源，存储资源和传感器资源。

表示该网络节点与连接到的其他的网络节点的数量总和。当虚拟网络请求到达时，首先对物理网络节点的资源耦合性大小进行排序。资源丰富的同时越接近网络的中心的网络节点将被优先选择。对比虚拟节点需求资源与物理节点需求资源，完成虚拟网络节点的映射。

在完成节点映射的基础上，获取两个对应的映射节点n^s(start)以及n^s(end)，并将这两个节点的所有路径作为路径集P^s进行保存。再通过最短路径算法在n^s(start)和n^s(end)之间寻找最短路径来完成虚拟链路的映射。两个节点间的最短路径间的链路资源剩余量需要满足虚拟链路的链路资源约束。路径最短且满足带宽约束的虚拟链路将被优先选择。

虽然，本发明已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将天地一体化信息网络节点中的多维资源集中后，通过网络虚拟化技术构成逻辑资源池；

S2，构建主从同步的接收队列，接收虚拟网络请求；

S3，计算每个虚拟网络请求的映射优先级；

S4，对虚拟网络请求进行业务特性分类，根据业务特性分类后的具体类型，分发至对应的业务队列中；

S5，在业务队列中根据映射优先级和业务特性对虚拟网络请求的映射顺序进行个性化调整；

S6，计算网络节点在整个物理网络中的资源耦合性，完成虚拟网络映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，S1中，天地一体化信息网络节点的表示为：

Node＝{ID，Type，Resources，Other}

其中，Node代表天地一体化信息网络节点；ID代表节点的唯一编号；Type代表节点的网络类型，分为由卫星及飞行器构成的天基节点和地面设备构成的地基节点；Resources代表节点拥有的资源，包含计算资源，存储资源及传感器资源；Other代表节点其他的相关属性，包括设备运行时间，设备型号的信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，S2中，构建主从同步的接收队列的具体方法如下：

主接收队列持续接受虚拟网络请求，从接收队列持续从主接收队列中备份相同的虚拟网络请求；

主接收队列在没有故障的情况下接受与分发虚拟网络请求，当主接收队列出现故障时，从接收队列接受与分发虚拟网络请求。

4.根据权利要求1所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，S3中，虚拟网络请求映射的优先级的计算方法为：

其中，G_v代表一个虚拟网络请求，α和β分别代表天地一体化信息网络中天基网络和地基网络在整个天地一体化网络中的权重，s_v和n_v分别代表天地一体化信息网络中的卫星网络和地面网络的虚拟节点；CPU代表虚拟节点所需的计算资源；ST代表虚拟节点所需的存储资源；SE代表虚拟节点所需的传感器资源；e_v代表天地一体化信息网络中的虚拟链路部分；BW和FQ分别代表虚拟网络请求中所需的链路资源和频谱资源。

5.根据权利要求1所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，S5中，业务特性包括紧急业务、低时延业务和普通业务，紧急业务、低时延业务和普通业务分别对应紧急业务队列、低时延业务队列和普通业务队列；

紧急业务队列负责处理应急救灾等紧急虚拟网络请求，紧急业务在映射时忽略虚拟网络请求的映射优先级和请求时间，优先进行映射；

低时延业务队列负责处理低延时虚拟网络请求，低时延业务在紧急业务映射完成后进行映射；

普通业务队列负责处理视频播放和文件传输的虚拟网络请求。

6.根据权利要求5所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，个性化调整包括紧急业务队列采用先来先服务的调度策略，低时延业务队列采用在一定时间片内按照映射优先级进行排序，普通业务队列采用构建多个映射堆的方式，优先对堆顶优先级高的虚拟网络请求进行映射。

7.根据权利要求5所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，在对普通业务队列中的虚拟网络请求进行映射时，采用对多个映射堆堆顶进行轮询的策略，依次映射每个虚拟网络请求堆中堆顶的虚拟网络请求。

8.根据权利要求1所述的一种基于天地一体化信息网络的虚拟网络映射方法，其特征在于，S6中，网络节点在整个物理网络中的资源耦合性的计算方法如下：

dis(n,n_j)代表网络节点n到网络节点n_j的最短路径，

代表节点n到网络中其他节点最短路径的总和，其中N代表节点的总数；CPU(n),ST(n)和SE(n)分别代表该物理网络节点所拥有的CPU资源，存储资源和传感器资源；

表示该物理网络节点与之相连接的物理网络节点的数量总和；

在映射虚拟网络请求之前首先对物理网络节点按照资源耦合性大小进行排序，资源丰富的同时越接近网络中心的网络节点将被优先选择。

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