一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法与流程

本发明涉及虚拟网络生存性技术领域，具体来说是一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法。

背景技术：

为了能够解决数据中心内网互联的种种挑战，采用弹性光网络的技术来实现数据中心的互联，弹性光网络技术的核心思想是根据业务所需的带宽来灵活分配大小相符的频谱资源进行业务的传送。随着网络流量的需求增长如此快速，提高光传输网络的容量及吞吐量尤为重要。光通道的传输虚拟化技术能够提高未来网络的传输容量。该技术使得业务在传输过程中可以选择物理底层资源进行抽象，并通过不同的虚拟网络或虚拟服务提供商获得相关权限，实现资源的共享或私有化。

为了提高网络的可靠度，降低网络因为故障所遭受的损失，光网络引入了生存性的概念。光网络生存性主要分为保护和恢复机制。端到端保护分为专有路径保护和共享路径保护。一些学者将共享保护根据链路的共享程度将频谱隙设定相应的费用，用以提高最大共享能力。随着光网络规模的增加，网络的联结度增加，保护方式发展到利用预置保护圈、保护球的保护机制。还有一些学者通过概率的角度对并发多故障进行研究，把每条光链路的故障事件认为是独立事件，计算端到端路径的故障概率，并建立了链路不相交的主备用路径的故障概率等于主备用故障概率之积的模型。

随着大数据时代的到来，越来越多的高性能互联网应用需要通过一个大容量的动态光网络来承载，尤其是数据中心业务。但是传统光网络灵活性较差，配置周期较长，难以满足不同用户的灵活多变的业务需求且整体资源利用率较低，弹性光网络EON光网络应运而生。同时，持续快速增长的光网络业务必然导致频谱灵活光网络规模化、层次化和复杂化的问题产生。因此如何部署一套高速、高带宽动态的光网络基础设施用来支撑这些应用，由此，网络虚拟化技术获得国内外学者的热衷。

虽然网络虚拟化技术使得物理设备资源可共享化，但是资源的总数是一定且有限的。在数据中心光网络互联场景中，备份资源的有效分配是最关键的。在实际网络中，一个物理链路故障，会寻找它的备份链路资源对其进行保护，若保护资源在同一条物理链路频谱间隙中共享，则在该受损物理链路同时部署了多个虚拟业务网请求情况时，至少有一个虚拟网业务因保护资源被占用而受损。其次，进行一个物理链路故障可能导致一个区域的物理链路在相对集中的时间内发生故障，并且恢复一个物理链路需要花费一定时间。在这段时间内，其他链路也可能故障。此时，如果先后收到影响的虚拟网络A和B共享了同一备份资源，则备份资源会用于恢复A，B将因备份资源无效而无法恢复。

因此，如何在链路故障场景下，提出一种基于模糊优化度的可区分最大共享能力的生存性虚拟网络映射方法已经成为急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中生存性映射方法无法区分共享能力的缺陷，提供一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法，包括以下步骤：

节点映射，所有虚拟节点均在满足地理位置和交换能力的条件下与对应的物理节点进行节点连接映射；

链路映射，基于保护资源的分配上小于频谱间隙上最大连接数ε的要求对每条虚拟链路进行映射，若仍出现保护连接数目超出了该链路本身的最大共享度，则进行与其邻接的连续空闲频谱块资源的分配。

所述的链路映射包括以下步骤：

开始虚拟链路映射请求，在物理拓扑G^P上构造辅助结构图G^A；

工作路由选择，在物理拓扑G^P上采用最短路径路由算法计算请求链路l^v的工作路径P^W；

工作资源分配，在满足一定频谱宽度的条件下，在计算出的工作路径P^W中，采用首次命中方法分配工作频谱资源，并检测该路径上每个物理链路是否满足波长一致性和频谱连续性；

第一阶段保护路由选择，选择保护拓扑中已分配的备份资源进行映射，在辅助结构图G^A中使用最短路径路由算法计算出保护路径P^B；

第一阶段保护资源分配，在保护路径P^B中进行第一次资源分配，在保护资源的分配上不能超出频谱间隙上最大连接数ε的限制，映射原则如下：

其中，表示物理链路lIJ上的可用连续的频谱资源容量，表示虚拟网lST链路上的请求的频谱资源容量，为二进制数，链路可映射值为1、不可映射为0；

若该物理链路上的频谱间隙都不满足要求，则第一阶段的备份资源分配失败，进入第二阶段保护路由选择，若第一阶段分配成功，则进行更新路径操作；

第二阶段保护路由选择，在物理拓扑G^P上采用最短路径路由算法计算请求链路l^v的备用工作路径P^B′；

第二阶段保护资源分配，在保护路径P^B′中进行第二次资源分配，在保护资源的分配上不能超出频谱间隙上最大连接数ε的限制；

若该物理链路上的频谱间隙都不满足要求，则第二阶段的备份资源分配失败，两个阶段的链路保护路由映射均失败，该虚拟链路的映射失败，该虚拟网路请求出现阻塞；

若第二阶段保护资源分配成功，则进行更新路径操作；

更新路径操作，在辅助结构图G^A中更新路径的权重为0，l^V→P^B；

更新保护拓扑L^v＝L^v-l^v；

虚拟链路映射完成度判断，判断该虚拟网请求中，所有虚拟链路是否均映射完成，若未全部完成，则继续进行工作路由选择步骤；若所有虚拟链路均映射完成，则该虚拟业务请求所有链路均以成功映射，结束映射。

还包括确定最优最大共享能力步骤，其包括以下步骤：

定义模糊优化度，将模糊优化度作为衡量标准，模糊优化度公式定义如下：

其中：

ρ为模糊优化度，Fi(i＝1，2，3，4)表示阻塞率ψ，资源利用率频谱冗余度γ，和成功保护率η，^Fbest与^Fworst分别表示相对于我们期待的最好与最坏的结果，Δ为不确定因子，N表示参与评估的参数数量；

确定权衡分数E，其计算公式如下：

其中：参数为参数间的权重因子；

调整参数获取权衡分数E的最小值。

有益效果

本发明的一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法，与现有技术相比采用了共享链路保护方式，并且区分频谱间隙(Frequency Slot，FS)的最大共享能力，以减少受损业务对保护频谱资源的竞争性。该方法对共享相同的保护频谱间隙的连接请求数量进行限制，从而提高业务恢复能力。

本发明提出了适用于链路故障场景下虚拟网络业务的资源映射的方法—区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法，并实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化。该方法相对于传统专有保护方法降低了业务阻塞率和资源冗余度，同时相比最大共享方法提高了业务保护成功率和资源利用率，获得了很好的权衡优化效果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为网络模型虚拟网请求与物理网络模型图；

图3为共享保护映射模型图；

图4为共享能力示意模型图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种能够区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法，包括以下步骤：

第一步，节点映射。所有虚拟节点均在满足地理位置和交换能力的条件下与对应的物理节点进行节点连接映射。当一个虚拟子网请求到达，按所需计算资源的大小逆序排列。然后寻找一组满足计算资源需求的物理节点集合，用来作为所选虚拟链路两端的虚拟节点。映射原则为带有较大需求的虚拟业务节点映射到空闲较大容量的物理光节点中。在整个过程中，首先考虑的是网络负载的均衡，这样可以很好的确保网络资源的利用率。

第二步，链路映射。基于保护资源的分配上小于频谱间隙上最大连接数ε的要求对每条虚拟链路进行映射，若仍出现保护连接数目超出了该链路本身的最大共享度，则进行与其邻接的连续空闲频谱块资源的分配。如果第一阶段与第二阶段的之一成功分配，我们就在辅助图G^A中更新路径(l^V→P^B)的权重为0，同时更新保护拓扑，同样的方式一致循环直到全部虚拟网业务请求结束。其包括以下步骤：

(1)开始虚拟链路映射请求，在物理拓扑G^P上构造辅助结构图G^A。

(2)工作路由选择。在物理拓扑G^P上采用最短路径路由算法计算请求链路l^v的工作路径P^W。

(3)工作资源分配。在满足一定频谱宽度的条件下，在计算出的工作路径P^W中，采用首次命中方法分配工作频谱资源，并检测该路径上每个物理链路是否满足波长一致性和频谱连续性。在此，为了提高映射的成功率与简化方法，采取两个阶段的保护路径映射过程。

(4)第一阶段保护路由选择。工作路径映射完成，则尝试进行第一阶段的保护资源映射。根据保护共享，选择保护拓扑中已分配的备份资源进行映射，在辅助结构图G^A中使用最短路径路由算法计算出保护路径P^B。

(5)第一阶段保护资源分配。在保护路径P^B中进行第一次资源分配，在保护资源的分配上不能超出频谱间隙上最大连接数ε的限制，映射原则如下：

即映射的物理路由频域上的可用连续频谱段的容量比分配的连续频谱段要多，其中，表示物理链路lIJ上的可用连续的频谱资源容量，表示虚拟网lST链路上的请求的频谱资源容量，为二进制数，链路可映射值为1、不可映射为0；

强调了虚拟路由频域上第k^th的起始子载波如果能映射到物理路径的f^th子载波位置上，必须保证备份子载波数目小于等于该频谱隙的最大共享能力。

(6)若该物理链路上的频谱间隙都不满足要求，则第一阶段的备份资源分配失败，进入第二阶段保护路由选择，若第一阶段分配成功，则进行更新路径操作。

(7)第二阶段保护路由选择。在物理拓扑G^P上采用最短路径路由算法计算请求链路l^v的备用工作路径P^B′。

(8)第二阶段保护资源分配。在保护路径P^B′中进行第二次资源分配，同理，在保护资源的分配上不能超出频谱间隙上最大连接数ε的限制，其映射原则与第一阶段保护资源分配的映射原则相同。

若该物理链路上的频谱间隙都不满足要求，则第二阶段的备份资源分配失败，两个阶段的链路保护路由映射均失败，该虚拟链路的映射失败，该虚拟网路请求出现阻塞；

若第二阶段保护资源分配成功，则进行更新路径操作。

(9)更新路径操作。在辅助结构图G^A中更新路径的权重为0，l^V→P^B；

更新保护拓扑L^v＝L^v-l^v。

(10)虚拟链路映射完成度判断。判断该虚拟网请求中，所有虚拟链路是否均映射完成，若未全部完成，则继续进行工作路由选择步骤；若所有虚拟链路均映射完成，则该虚拟业务请求所有链路均以成功映射，结束映射。

为了进一步提出最优的最大共享能力，在此还提供确定最优最大共享能力步骤，其包括以下步骤：

(1)定义模糊优化度，将模糊优化度作为衡量标准，模糊优化度公式定义如下：

其中：

ρ为模糊优化度，Fi(i＝1，2，3，4)表示阻塞率ψ，资源利用率频谱冗余度γ，和成功保护率η，F^best与F^worst分别表示相对于我们期待的最好与最坏的结果，Δ为不确定因子，N表示参与评估的参数数量。

(2)确定权衡分数E，其计算公式如下：

其中：参数为参数间的权重因子。

(3)调整参数获取权衡分数E的最小值。从而通过找到一个恰当的共享能力约束从而得到一个最小的E值，达到最优效果。

如图2所示，一个虚拟网请求(三个虚拟节点)，映射到一个六节点的物理网络上。根据带有较大需求的虚拟业务节点映射到空闲较大容量的物理光节点中，节点映射结果为图2中方框里面的值代表计算单元资源需求/容量。利用最短路径路由算法求得最短工作路径为

通过本发明的方法，多条虚拟路径共享一个工作路径，已分配的备份资源优先被选择。如图3所示，当工作路径映射成功，则它的保护路径为然后链路L15和L52的权值更新为0。对于工作路径由于链路L52备份资源已经被虚拟网络链路占用，则根据最短路径为的保护路径。保护资源在L25上共享。同样，是的保护路径。我们还可以看到FSs的共享结果。以物理链路为例，和共享FSs 1～4,同时FSs 5-8被独占。所以该链路上的备份资源为

本发明的方法同样区分了保护频谱隙的最大共享能力如图4所示，假设ε＝5,则如果一个频谱隙的保护连接数目超过5，那么与它邻接的子载波将尝试分配。另外，不难看出传统方式的ε为1是一个特例，而最大共享方式也可被理解为其ε没有限制，甚至为∞。

本发明针对支持灵活带宽数据中心业务驱动下的光网络面临的新需求，研究故障发生的可能性，对应不同的应用需求场景，建立网络模型，研究一种可区分最大共享能力的生存性虚拟网络映射方法。该方法采用共享链路保护方式，并且区分频谱间隙的最大共享能力，克服已有方法的局限性，减少备用资源对故障恢复的约束，增加虚拟网络重映射的成功率。

通过本发明提出的方法进行验证，改变多种条件，对不同结果进行比较对比，考虑实际因素，综合考虑物理设施资源利用率以及业务要求的阻塞率、恢复度等相关特性。传统方法，大多只关注某一个性能，这样往往难以保证虚拟网业务各个方面的性能需求。与此相比，本发明的方法能更好地优化业务的综合性能，满足业务对传输质量以及生存性的要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。