用于多播虚拟网络的资源分配方法及抗毁资源分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于多播虚拟网络的资源分配方法，属于MVN【技术领域】。本发明首先采集当前物理网络信息，从MVN的跟节点开始，依次为各虚拟节点分配对应的物理节点，每映射完成一对虚拟节点和物理节点，则将其从对应的待映射节点集合中剔除，在完成每个虚拟节点的映射配置后，基于设定的时延窗口对其对应的映射物理路径进行调整，使得得到的映射物理路径满足MVN的业务传输需求，完成对应工作资源的配置。同时为了实现单失效区域下多播虚拟网络的抗毁资源分配方法，本发明在上述映射资源的配置基础上，分别从物理网络中剔除各失效区域所对应的物理节点和链路，配置关于各失效区域的冗余备份资源。本发明用于MVN的映射配置，其效率高，具备抗毁性。
【专利说明】用于多播虚拟网络的资源分配方法及抗毁资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多播虚拟网络（Multicast Virtual Network, MVN)技术，具体涉及一 种用于多播虚拟网络的资源分配方法及抗毁资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 互联网在定义当今世界中获取并交换信息方式的模型上取得了巨大的成功。在过 去的三十年中，互联网通过支持大批分散的应用以及大量不同的网络技术，证实了自身结 构的价值。然而，互联网的广泛使用也成为了其进一步发展的最大阻碍，由于其多供应商的 特性，在互联网的现有结构中加入新的结构或调整需要获得所有运营商的共同认可，从而 使得现今的网络结构受到限制只能够进行迟缓简单的更新，而无法进行迅速的变革。网络 虚拟化作为解决当前互联网僵化问题的技术手段，近年来受到了国内外未来网络领域研究 的广泛关注。网络虚拟化的优势之一是支持多个异构的网络架构共享物理基础设施。网络 虚拟化技术其本质是通过抽象、分配、隔离机制在一个公共物理网络上独立地运营多个虚 拟网，从而能够有选择性地进行最佳的资源分配与调度。
[0003] 络虚拟化的目的就是实现分布式虚拟资源的广泛共享，因此虚拟资源映射是网络 虚拟化技术需要实现的重要功能。虚拟资源映射算法作为网络虚拟化技术的关键问题之 一，它实现了将用户的虚拟网络请求合理地映射至底层物理网络的物理资源上的过程，其 中如何高效分配物理网络资源以满足各虚拟网络的链路带宽和节点性能要求，是虚拟资源 映射问题的关键。
[0004] 众所周知网络间的通信有单播、多播、广播等形式，其中多播已在许多需要高QoS 的实时性应用中被广泛使用，多播情况下的虚拟网络映射问题可以先转化成在下层网络中 寻找多播子网。启发式算法是解决虚拟资源映射问题的常用方法，其在网络节点上定义函 数h(n)，用于评估从此节点到目标节点最便宜的路径。算法中包含节点资源分配和链路资 源分配两部分。节点资源分配是指：根据虚拟节点的约束条件，将底层节点的资源分配给虚 拟节点。链路资源分配是指：根据虚拟链路的源节点和宿节点被映射的底层节点、以及虚拟 链路的约束条件，将底层网络的一条底层链路或者多条底层链路的资源分配给虚拟链路。
[0005] 针对 MVN 问题，VMNDDVCM (Virtual multicast network with delay and delay variation constraints mapping)算法是一种常见的解决多播虚拟网络的映射方法，该方 法综合考虑了多播虚拟网络的特殊性，引入了多播网络的时延和时延抖动的特性，通过引 入窗口滑动机制解决了映射过程中的时延抖动约束，采用枚举策略寻找满足约束的最优多 播树以完成映射，保证了最优的映射成本。虽然上述方法能够实现多播虚拟网络映射，但是 在完成映射时采用了枚举的机制，虽然保证了映射结果的最优，但是算法复杂度较高、收敛 速度太慢，尤其不能适用于较大规模的虚拟网络映射问题；并且，该方法并未考虑到底层网 络的突发失效的状况，不能够对底层网络中节点和链路的失效做出相应的处理，即无法实 现多播虚拟网络的抗毁映射，无法解决多播虚拟网络映射的生存性问题。
[0006] 在关于虚拟网络映射方法的研究中，CPP(Cluster Protecting Provision)和 VNP(Virtual Network Protecting)算法是比较常见的考虑抗毁性的虚拟网络映射的方 法，能够同时允许一个虚拟节点的映射服务器和一条底层数据中心网络链路的失效，并及 时的从失效中进行恢复。该方法是通过1 :1的方式对节点和链路进行保护，以最小化映射 成本为目标，将虚拟网络映射到底层网络上。在映射完成后，以相同的资源代价为映射完成 的工作中的虚拟网络提供保护。虽然上述方法能够实现虚拟网络的抗毁映射，但是其仅仅 针对单播虚拟网络映射问题而提出的。在实际应用中，存在大量的多播虚拟网络映射需求， 而已有的能够实现虚拟网络的抗毁映射的方法因无法兼顾多播虚拟网络映射的各种特殊 性约束，特殊性约束主要是指时延和时延抖动，即各虚拟节点的网络资源需求（比如网络 容量、时延开销，时延抖动或者说时延差等），因而不能适用于多播虚拟网络映射问题；另 夕卜，在1 :1的冗余备份资源分配机制（即每份工作资源对应于一份等量的保护资源）方式 下的抗毁虚拟网络映射方案中，因其未引入资源共享策略，这将导致在虚拟网络映射过程 中会消耗较高的资源成本。
【发明内容】
[0007] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高效且能适用于大规模 多播虚拟网络映射的底层网络资源的优化配置方法。
[0008] 本发明的用于多播虚拟网络的资源分配方法，包括下列步骤：
[0009] 步骤1 :获取初始化信息：
[0010] 获取当前物理网络的网络资源信息，初始化未映射物理节点集合UMNS为当前物理 网络的所有物理节点n k ;未映射虚拟节点集合UMNV为当前多播虚拟网络MVN请求的所涉及 的所有虚拟节点Vi ;
[0011] 步骤2 :基于当前MVN请求的网络拓扑结构，构建关于各虚拟节点Vi的二层生成 树，并为所述二层生成树的虚拟根节点v分配对应的物理节点：
[0012] 根据公式 Cost(v - nk) = (p'（nk) + (MC_Con(nk)))* ε (v)分别计算所述虚拟根节 点ν映射到各物理节点nk的资源开销估计值Cost (ν - nk)，其中p'（nk) = p (nk) + a *AF (nk) 为物理节点nk的节点资源的虚拟单位成本，所述p (nk)表示物理节点nk的节点资源的单位 成本，AF(nk)表示影响物理节点n k的失效区域的数量，可调因子α为任意实数；所述MC是 当前物理网络的网络拓扑结图中节点度最大的值，Con(n k) = |Adj(nk) |表示物理节点nk的 节点度，ε (v)表示虚拟根节点v的资源需求容量；
[0013] 取最小资源开销估计值Cost (ν - nk)所对应的物理节点nk为虚拟根节点ν的映 射节点，并记为ns ;
[0014] 步骤3 :将虚拟根节点v与物理ns的映射关系v - ns存储到资源分配表Μ中；并 从未映射物理节点集合UMNS中删除物理节点n s，从未映射虚拟节点集合UMNV中删除虚拟节 占 V .
[0015] 步骤4 :对未映射虚拟节点集合UMNV进行更新处理：
[0016] 根据公式=外·,) +》*'分别计算各虚拟节点Vi的权值DR(Vi)，其中ε (Vi)表 示虚拟节点Vi的资源需求容量，\表示虚拟根节点v与虚拟节点Vi的相连的虚拟链路ei的 带宽资源需求值，可调因子λ为任意实数；
[0017] 基于各虚拟节点Vi的权值DR(vj，按降序排序得到更新后的未映射虚拟节点集合 UMNV ；
[0018] 步骤5 :基于当前未映射物理节点集合UMNS，对当前未映射虚拟节点集合UMNV中的 各虚拟节点 Vi，从左到右依次进行资源分配：
[0019] 步骤501 :对虚拟节点Vi，基于当前未映射物理节点集合UMNS，查找出满足虚拟节 点Vi的网络资源需求的从物理节点ns到候选物理节点nk的最短路径，所述候选物理节点 nk属于当前集合UMNS，并根据公式Cost - nk) = CNnk+CPnk计算各物理节点nk作为虚拟 节点Vi的候选映射节点时的资源开销估计值Cost - nk);
[0020] 记录资源开销估计值Cost - nk),以及物理节点ns到物理节点nk的最短路径 为虚拟链路ei的映射物理路径凡若不存在从物理节点n s到候选物理节点nk的最短路径， 则令对应的资源开销估计值Cost (Vi - nk)为预设极大值；
[0021] 其中CNnk = p'（nk)* ε (Vi)为虚拟节点Vi映射到物理节点nk上的资源虚拟开销；
[0022] 所述为虚拟链路ei的映射物理路径&的资源虚拟开销，其中 p'（e) = p(e) + a *AF(e)，所述p(e)表示物理链路e的链路资源的单位成本，AF(e)表示影 响物理链路e的失效区域的数量，所述链路e属于映射物理路径
[0023] 步骤502 :取最小资源开销估计值Cost (Vi - nk)所对应的物理节点nk为当前虚拟 节Vi的映射节点，并将映射关系Vi - nk、映射物理路径存储到资源分配表Μ中；同时从 未映射物理节点集合UMNS中删除当前物理节点n k，未映射虚拟节点集合UMNV中删除当前虚 拟节点Vi ;
[0024] 步骤503 :重复执行步骤501、502,直到映射虚拟节点集合UMNV为空；
[0025] 步骤6 :根据当前MVN请求设置时延窗口 W = [Dmax-CDV，Dmax]，调整资源分配表Μ中 的映射物理路径：判断资源分配表Μ中的各映射物理路径的时延是否在所述时延窗口 W内， 若否，则调整当前映射物理路径八，更新资源分配表Μ :基于当前映射物理路径所对应的映 射关系Vi - nk，在物理网络拓扑图中查找出从物理ns到物理节点nk的前Κ条最短路径，并 从所述K条最短路径中选择时延在所述时延窗口 W内的最短路径替换当前映射物理路径 A ;其中所述Dmax表示资源分配表Μ中的所有映射物理路径中，最大的路径时延；CDV表示当 前MVN请求的链路最大时延差约束值。
[0026] 基于本发明的资源分配方法，本发明还提出了一种针对单失效区域下的多播虚拟 网络的抗毁资源分配方法，以解决多播虚拟网络映射的生存性问题，即以给定的所有可能 的失效区域为基础，并且在允许底层网络最多同时出现一个区域失效的情况下，实现多播 虚拟网络映射，并引入一定的容错机制，使得多播虚拟网络映射成功后，能在底层物理网络 出现任何一个区域失效的情况下正常工作。
[0027] 本发明的单失效区域下多播虚拟网络的抗毁资源分配方法，包括下列步骤：
[0028] 步骤S1 :基于权利要求1所述的资源分配方法为当前MVN请求分配工作资源分配 表Μ ;
[0029] 步骤S2 :为当前MVN请求分配备用资源分配表：
[0030] 步骤S201 :在当前物理网络中确定各个失效区域由各失效区域&构成失效区 域集合R;
[0031] 步骤S202 :分别为每个失效区域ri分配备用资源分配表Mi :将失效区域ri所涉及 的物理节点和链路从当前物理网络的网络拓扑中剔除；再基于剔除处理后的物理网络拓扑 所对应的网络资源信息，根据权利要求1所述的资源分配方法所述MVN请求分配对应失效 区域A的备用资源分配表Mi;
[0032] 步骤S3 :存储所述工作资源分配表Μ和各个失效区域ri的备用资源分配表吣，并 发送至各物理节点。
[0033] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明能高效实现大 规模多播虚拟网络映射的资源优化配置，同时为多播虚拟网映射预留了备份资源，使多播 虚拟网络在任意给定的一个区域失效的情况下能继续正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1是单区域失效时的MUV映射实例，其中图（a)中的节点a、b、c表示MVN请求 所涉及的虚拟节点，对应各虚拟节点的矩形框中的数字（数字"4"、"5"）表示MVN请求中各 虚拟节点资源的要求，两个虚拟节点间连线上的3个数字分别表示对链路资源、时延和时 延抖动的需求信息；图（b)的节点A、B、C、D、E、F表示物理节点，对应各物理节点中矩形框 中的数字（数字"20|3"、"20|4"）左边是物理节点的可用资源总量，右边是单位节点资源的 成本，各物理链路上的数字（数字"30 | 5 | 3"、"30 | 3 11"、"30 | 4 | 2"等）左边是物理链路的可 用物理链路资源总量，中间数字是单位物理链路资源的成本，右边数字是物理链路时延；
[0035] 图2是最小开销集合覆盖示意图。
【具体实施方式】
[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发 明作进一步地详细描述。
[0037] 为了便于本发明的实现，本发明中将MVN的请求构建为无向加权图Gv = (Nv，Ev，CN，Cu CD，CDV)模型，具体来说，面向服务的MVN请求可以表示为一个两层的树，如图 1中的（a)图，其中,NV = {v^ v2, . . .，Vi, . . . ντ}表示MVN的虚拟节点集合,Τ为虚拟节点的 总个数，Ev = {ep e2,--，ep . . . , eT}表示MVN的虚拟链路集合，ei表示连接虚拟根节点v 至IJ叶子节点Vi的虚拟链路，CN表示个虚拟节点的节点资源约束信息，Q ，…气，…，&}表 示各虚拟链路带宽约束信息，CDV表示虚拟链路最大时延差约束信息，Gv所涉及的上述信息 均可以基于MVN的请求获取到。
[0038] 类似地，本发明中将物理网络（底层网络）构建为无向加权图Gs = (Ns，Es，CN，C1) 模型，其中N s物理网络的所有物理节点的集合（例如图1中途（b)所示的节点A、B、C、D、 E、F)，Es物理网络的所有物理链路的集合，对于每一个物理节点nk e Ns都可以为MVN节点 提供资源，（^表示物理节点资源属性，如节点的资源容量，t表示各物理链路属性，包括带 宽和时延等信息；
[0039] 类似地，定义MVN虚拟链路集合Ev到底层物理网络路径的映射集合为 ^ = ，…,/V···，^}，/?表示对应虚拟链路ei在物理网络中的映射物理路径，因此每 一条映射物理路径是Es的子集。所以端到端的映射物理路径化的时延和可用带宽资源 可以表示为以& )和饵A, )，D(八）和风A )可以按照下面的公式计算：
[0040]
【权利要求】
1. 一种用于多播虚拟网络的资源分配方法，其特征在于，包括下列步骤： 步骤1 :获取初始化信息： 获取当前物理网络的网络资源信息，初始化未映射物理节点集合UMNS为当前物理网络 的所有物理节点nk ;未映射虚拟节点集合UMNV为当前多播虚拟网络MVN请求的所涉及的所 有虚拟节点Vi ; 步骤2 :基于当前MVN请求的网络拓扑结构，构建关于各虚拟节点Vi的二层生成树，并 为所述二层生成树的虚拟根节点v分配对应的物理节点： 根据公式Cost(v -nk) = (p'（nk) + (MC-Con(nk)))*e (v)分别计算所述虚拟根节点v 映射到各物理节点nk的资源开销估计值Cost (v - nk)，其中p'（nk) = p (nk) + a *AF(nk)为 物理节点nk的节点资源的虚拟单位成本，所述p (nk)表示物理节点nk的节点资源的单位成 本，AF(nk)表示影响物理节点n k的失效区域的数量，可调因子α为任意实数；所述MC是当 前物理网络的网络拓扑结图中节点度最大的值，Con(n k) = |Adj(nk) |表示物理节点nk的节 点度，ε (v)表示虚拟根节点v的资源需求容量； 取最小资源开销估计值Cost (ν - nk)所对应的物理节点nk为虚拟根节点ν的映射节 点，并记为ns ; 步骤3 :将虚拟根节点v与物理ns的映射关系v - ns存储到资源分配表Μ中；并从未 映射物理节点集合UMNS中删除物理节点ns，从未映射虚拟节点集合UMNV中删除虚拟节点 v ； 步骤4 :对未映射虚拟节点集合UMNV进行更新处理： 根据公式M(>:) =咖) + &、:.分别计算各虚拟节点\的权值DR(Vi)，其中ε (Vi)表示虚 拟节点Vi的资源需求容量，'表示虚拟根节点V与虚拟节点Vi的相连的虚拟链路ei的带 宽资源需求值，可调因子λ为任意实数； 基于各虚拟节点Vi的权值DR(vj，按降序排序得到更新后的未映射虚拟节点集合 UMNV ； 步骤5 :基于当前未映射物理节点集合UMNS，对当前未映射虚拟节点集合UMNV中的各虚 拟节点Vi，从左到右依次进行资源分配： 步骤501 :对虚拟节点Vi，基于当前未映射物理节点集合UMNS，查找出满足虚拟节点Vi 的网络资源需求的从物理节点ns到候选物理节点nk的最短路径，所述候选物理节点nk属 于当前集合UMN S，并根据公式Cost - nk) = CNnk+CPnk计算各物理节点nk作为虚拟节点 Vi的候选映射节点时的资源开销估计值Cost - nk); 记录资源开销估计值Cost - nk),以及物理节点ns到物理节点nk的最短路径为虚 拟链路ei的映射物理路径A ;若不存在从物理节点ns到候选物理节点nk的最短路径，则令 对应的资源开销估计值Cost (Vi - nk)为预设极大值； 其中CNnk = p'（nk)* ε (Vi)为虚拟节点Vi映射到物理节点nk上的资源虚拟开销； 所述为虚拟链路ei的映射物理路径资源虚拟开销，其中p'（e)= p (e) + a *AF(e)，所述p (e)表示物理链路e的链路资源的单位成本，AF(e)表示影响物理链 路e的失效区域的数量，所述链路e属于映射物理路径A ; 步骤502 :取最小资源开销估计值Cost - nk)所对应的物理节点nk为当前虚拟节Vi 的映射节点，并将映射关系Vi - nk、映射物理路径A,存储到资源分配表Μ中；同时从未映射 物理节点集合UMNS中删除当前物理节点nk，未映射虚拟节点集合UMNV中删除当前虚拟节点 Vi ； 步骤503 :重复执行步骤501、502,直到映射虚拟节点集合UMNV为空； 步骤6 :根据当前MVN请求设置时延窗口 W = [Dmax-CDV，Dmax]，调整资源分配表Μ中的映 射物理路径：判断资源分配表Μ中的各映射物理路径的时延是否在所述时延窗口 W内，若 否，则调整当前映射物理路径，更新资源分配表Μ :基于当前映射物理路径所对应的映射 关系Vi - nk，在物理网络拓扑图中查找出从物理ns到物理节点nk的前Κ条最短路径，并从 所述K条最短路径中选择时延在所述时延窗口 W内的最短路径替换当前映射物理路径八〃 其中所述Dmax表示资源分配表Μ中的所有映射物理路径中，最大的路径时延；C DV表示当前 MVN请求的链路最大时延差约束值。
2. -种单失效区域下多播虚拟网络的抗毁资源分配方法，其特征在于，包括下列步 骤： 步骤S1 :基于权利要求1所述的资源分配方法为当前MVN请求分配工作资源分配表Μ ; 步骤S2 :为当前MVN请求分配备用资源分配表： 步骤S201 :在当前物理网络中确定各个失效区域ri，由各失效区域ri构成失效区域集 合R; 步骤S202 :分别为每个失效区域ri分配备用资源分配表％ :将失效区域ri所涉及的物 理节点和链路从当前物理网络的网络拓扑中剔除；再基于剔除处理后的物理网络拓扑所对 应的网络资源信息，根据权利要求1所述的资源分配方法所述MVN请求分配对应失效区域 h的备用资源分配表吣； 步骤S3 :存储所述工作资源分配表Μ和各个失效区域ri的备用资源分配表％，并发送 至各物理节点。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括： 步骤S203 :分别计算各备用资源分配表％关于所有虚拟节点和链路的最小映射开销 和c⑷； 步骤S204 :根据公式min {c㈨)/ | U (Μ) |}选择吣，将所述吣存储到最小备用资源分配 表M*中，并更新工作资源分配表Μ = Μ-Μρ同时更新失效区域集合R :在失效区域集合R中 删除能从备用资源分配表％中恢复的失效区域； 其中所述|U(Mi) |表示能从备用资源分配表％中恢复的失效区域个数； 步骤S205 :基于步骤S204更新后的失效区域集合R包含的各失效区域ri所对应的最 小映射开销和c (Μ》，继续执行步骤204,直到失效区域集合R为空； 步骤S3 :存储当前分配工作资源分配表Μ和最小备用资源分配表M%并发送至各物理 节点。
【文档编号】H04L12/917GK104144135SQ201410359412
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】廖丹, 孙罡, 肖克祥, 赵东成, 虞红芳 申请人:电子科技大学