专利名称：一种节点链路压力权重自适应均衡的虚拟网络映射方法
技术领域：
网络虚拟化技术是推动互联网体系架构发展的重要方法之一，其本质是通过抽象、分配、隔离机制在ー个公共物理网络上独立地运营多个虚拟子网，各虚拟子网可以使用相互独立的协议体系，并能够根据用户动态变化的需求对整个网络中节点和链路资源进行合理配置，从而增强网络的灵活性与多祥性，实现网络的可测可控性，最优化网络资源的分配与调度，提高安全和服务质量、降低运营维护成本，以求根本性地解决互联网现有的僵化、以补丁和更新为主的发展现状。网络虚拟化技术可以用于为新型网络体系结构的研究提供共享物理实验网络的基础，同时它还能够将底层物理设施提供商与网络服务运营商相分离，允许多个运营商的 网络共享同一个公共的底层物理网络基础架构(链路、交换节点等)，每个网络都在其中拥有既不受其他网络影响又可以灵活调整的网络资源份额，不同网络运营商可以采用不同的网络协议，提供创新的端到端服务，因此网络虚拟化也很有希望成为ー种未来网络的主流运营模式。
背景技术：
虚拟网络映射问题则是网络虚拟化技术中必不可少的环节，它的主要功能是将用户的虚拟网络请求(Virtual Request)合理地映射至运营商提供的底层物理网络设施(Substrate Network),映射过程不仅要实现虚拟网络之间的分_与互不影响，从而保证姆个虚拟网络用户的服务质量(QoS)，同时也要尽量合理地分配底层物理网络资源，提高资源利用率。虚拟网络映射问题可以进ー步细分为节点映射和链路映射两部分，由于映射过程中对节点CPU容量和链路带宽具有诸多限制条件，因此虚拟网络映射问题是ー个NP-hard问题。为保证该问题的解决方法具有工程实践性，国内外研究人员主要使用了次优的启发式算法，并提出了基于时间窗的映射模型。时间窗模型是将映射问题以时间窗为単位在线处理虚网请求，在每个时间窗内统计当前所有的虚网映射请求，并使用映射算法进行映射，对映射成功的请求，相应更新底层物理网络状态；对映射失败的请求，将请求放入等待队列；或满足一定条件后直接拒绝该请求。这ー过程如图I所示。在虚网映射问题中，节点映射和链路映射一般按照先后次序分别进行，这样可以使复杂度降低，但是由于两步之间耦合不够，也会带来性能的降低。应对该问题的主流方法是通过在节点映射步骤中调整优化目标，照顾到后续链路映射的特点，从而有效地实现两个映射步骤地耦合。本研究也将采用这ー出发点，通过灵活调整节点映射优化目标以实现虚拟化网络的节点链路压カ均衡这ー特定目标。网络虚拟化映射中的负载均衡主要是指尽量降低虚网映射后节点和链路的最大压力，从而减小网络压力的方差，使网络各个部分的压カ更加接近平均压力。在对该问题的研究中，已有工作首先考虑了分别均衡节点压力和链路压力的方法在仅考虑节点压力均衡的研究中，由于优先选择压力小的节点往往会导致节点间距离较远，因此一条虚拟链路就需要多条物理链路来实现，因此链路压カ增长较大，映射效率和成功率也比较低；在仅考虑链路压力的研究中，同样由于对没有考虑节点压力，可能导致节点压カ过大或映射成功率低。因此，为了解决这个矛盾，应当综合考虑节点链路压カ两个映射优化目标，基于该思路的研究结果包括ー是直接用求和或乘积的方式组合两个优化目标的公式，这样在优化过程中两个因素都被考虑到，但是两者的平衡关系并不明确，可能导致其中一个优化目标会始終占据主导地位，而另ー个优化目标的效果难以显现；ニ是根据当前网络压力状态动态地选择使用节点或链路压力作为优化目标，这样做的问题是始终维持在单优化目标的状态，因此综合优化效果难以保障。
综上所述，在实现节点链路压力优化目标之间良好耦合的研究中，仍有很多问题值得探讨，尤其是需要ー种高效稳定可调整的优化目标平衡策略，以实现整个网络节点链路压カ的均衡。
发明内容
本发明分析了虚网映射过程中同时以节点和链路压力为优化目标的综合优化情况，发现两者之间存在折衷关系，即以节点压カ降低为优化目标将会导致链路压カ升高，反之亦然。因此，为了实现两个优化目标之间的平衡关系，需要设计ー种权重可调节的综合优化目标函数；同时，为了适应请求拓扑的多祥性和请求到达率的波动性，该參数的设置需要动态可调节；最后，为了保证系统的稳定性，需要一定的措施保证该动态可调节參数的收敛性。本发明根据该出发点，设计了一种节点链路压力自适应均衡的虚拟网络映射方法，该方法使用了均衡參数可调节的综合优化目标，不仅可以实现针对节点压力、链路压力的综合优化，还可以根据映射结果调节两者之间的权重关系，使两个优化目标充分耦合，从而实现全网压カ的综合均衡；另外，我们设计了ー个对可调參数收敛方向的判断机制，以防止可调參数发散，实现快速收敛，从而保证系统的稳定性。本发明涉及的定义I)节点链路压カ($,5；)K是指底层物理网络节点i的压力，由该节点总CPU容量与剰余CPU容量决定'S1j
是指底层物理网络链路j的压力，由该链路总带宽容量与剰余带宽容量决定SI =I-R^iq(I)S1J =J-R1jZCj(2)其中，及;1和Cf分别指该物理网节点i当前剰余的CPU容量和总CPU容量，<和分别指该物理网链路j当前剰余的带宽容量和总带宽容量。2)平均压カ与最大压カ(S", S1, Snmax, S1max )參照上面节点链路压カ的定义，得到平均压カ与最大压カ的定义为Sn=社 S;(3)S1= -r Xs；⑷(i G {1，2， ，N}) (5)
S1max = max[S1j] (j g {1,2, ... ,N}) (6)其中，N，L分别指物理网节点链路数量。3)虚网规模虚网规模主要描述了虚拟网络(VN)的大小，由其节点CPU容量和链路带宽决定Scale(VNk)=刃 CPU + BW1j (7)其中CPt/f是指节点i的CPU容量，是指链路j的带宽。3)节点规模(Hn⑴)节点规模主要描述了节点在网络中的重要程度，由该节点的CPU容量和连接带宽决定Hn(i)=CPU X BW;(8)其中CPC /f是指节点i的CPU容量，是指链路j的带宽，L(i)表示与节点i直接相连的链路集合。根据上述定义，本发明ー是提出了节点链路压カ自适应均衡的虚拟网络映射目标，该目标可以实现节点优化和链路优化的统筹协调，从而达到全局压カ优化的作用；ニ是对目标函数中的可调參数进行设计，提出了一种自适应的參数预测模式，使权重參数根据网络状态变化及自身演进两个因素逐渐优化调整；三是为了保证该自适应可调參数的稳定性，提出了ー种对可调參数收敛方向进行判断的机制，该机制可以通过统计权重參数在取值范围边界停留的时间判断系统是否进入发散状态，并采用相应的策略使系统重新恢复均衡。(I)节点链路压カ权重自适应均衡的虚网映射目标如上文所述，现有的以节点链路压力均衡为目标的虚网映射算法使用了求和或求乘积的简单组合优化目标，或是使用两个优化目标按需求轮流调用的方法，这些方法都较为简单，无法真正体现节点链路压力之间的关系，从而使全网压カ均衡的优化工作不够彻底。因此本发明首先提出了一个节点链路压カ权重自适应均衡的虚网映射优化目标，即最小化HstressO)- aS；+(l-a)X S；+ 1(9)
一jel(i) _ ueNA上式中，L(i)表示与节点i直接相连的链路集合，这样，该优化目标就综合考虑了节点i的压力，以及与节点i相连接的链路压力，a是权重调节參数，a G (0，I)。Na表示本虚网请求中已经映射成功的虚网节点所对应的物理网节点集合，d(i，u)表示i、u两点之间的距离(跳数)，这样，距离因素也成为该优化目标的主要影响因素之一，距离近将减少后续链路映射的难度。(2)权重參数a的自适应预测方法为了使节点压力和链路压力的权重可以达到均衡，井随着虚网请求的数量、规模以及到达速率不断调整优化，本发明提出了一种对权重參数a进行自适应预测的方法，即a=a~ \ + p(10)
上式中，a _表示上个时间窗的a值，@表示a的收敛速度，当虚网请求状态变化较快时，可以增大P以加快a的收敛速度。S是大于0的实数，用于保证分母不为零，Snmax -S^m1max -i7 贝ボ:t 力 I 点、—力点、—力白勺胃{1，チ保证系统压カ基准可以随着虚网请求的变化而不断调整。若最大节点压力与平均节点压力的差距比最大链路压力与平均链路压力的差距大，说明节点均衡较差，则a増大，导致(7)式中节点压力V的权重较大，这样节点压力小的节点会优先得到选择，因此降低了最大节点压力，完成了系统的自适应均衡；反之亦然。a的初值设置为[1-(1/D)]，其中D表示物理网络节点的平均连接度，P设置为0.1，以保证系统的稳定性。(3)系统状态发散抑制机制在上一部分中，权重參数a的调节过程是ー个自适应的回归过程，在系统正常运转时，该參数的收敛性可以得到保障。但是映射问题是一个复杂系统，无论是物理网络拓扑、状态，还是虚拟网络拓扑、状态，都会对映射其到影响，为了避免在特殊情况下出现对a的调节未能及时带来网络压力按照预期调节，即系统处于发散状态的情况，本发明设计了一个系统状态发散抑制机制，即当检测到a <0或a > I的情况出现时，a被重置为初值，这样就可以保证系统的正常运行。
图I时间窗模式下的虚拟网络映射流程图2节点链路压カ权重自适应均衡的分步映射方法实施方式本发明的具体操作流程是在每次节点映射前，对其优化目标作自适应均衡，从而实现在节点映射过程中充分考虑后续链路映射，达到物理网络节点链路压力的相互均衡。具体流程如图2所示A.统计本时间窗内所有虚网请求，记为集合Rv。B.若Rv为空，进入步骤G。若Rv不为空，选取当前虚网规模最大的虚网请求VNk，统计VNk中所有虚网节点，记为集合Nv。C.若Nv为空，则节点映射结束，进入步骤E ;若Nv不为空，则选取节点规模最大的虚网节点<，从底层物理网络中选出剩余CPU大于节点<的CPU的物理网络节点集合，记为Ns。D.若Ns为空，则该虚网请求映射失败，进入步骤F ;若Ns不为空，根据权重调节參数a的当前值计算Ns中每个物理网节点i的Hstass(i)，选取HstasJi)最小的物理网节点<，并将步骤C中选取的虚网节点<映射至该物理网节点<上。将n,vANv中删除，返回步骤C0E.使用最短路径算法完成链路映射，若映射失败，则将该请求送入下个时间窗或直接拒绝；若映射成功，则更新底层物理网络状态，将VNk从Rv中删除，返回步骤B。F.根据更新后的物理网络状态计算下ー个时间窗的a值，并应用判断机制检验修正a值，该时间窗虚网映射结束。
权利要求
1.一种节点链路压力权重自适应均衡的虚拟网络映射方法，在一个时间窗内进行虚拟网络映射的步骤包括 A.统计本时间窗内所有虚网请求,记为集合Rv。
B.若Rv为空，进入步骤G。若Rv不为空，选取当前虚网规模最大的虚网请求VNk，统计VNk中所有虚网节点，记为集合Nv。
C.若Nv为空，则节点映射结束，进入步骤E;若Nv不为空，则选取节点规模最大的虚网节点<，从底层物理网络中选出剩余CPU大于节点<的CPU的物理网络节点集合，记为Ns。
D.SNs为空，则该虚网请求映射失败，进入步骤F ;SNS不为空，根据权重调节参数α的当前值计算Ns中每个物理网节点i的Hstress (i)，选取HstasJi)最小的物理网节点<，并将步骤C中选取的虚网节点<映射至该物理网节点<上。将<从^中删除，返回步骤C。
E.使用最短路径算法完成链路映射，若映射失败，则将该请求送入下个时间窗或直接拒绝；若映射成功，则更新底层物理网络状态，将VNk从Rv中删除，返回步骤B。
F.根据更新后的物理网络状态计算下一个时间窗的α值，并应用判断机制检验修正α值,该时间窗虚网映射结束。
2.如权利要求I所述的方法，其中节点映射优化目标的定义为
3.如权利要求I或权利要求2所述的方法，其中权重参数α的定义为
4.如权利要求I所述的方法，其中步骤G的判断机制是指当检测到α<0或α > I的情况出现时，α被重置为初值。
全文摘要
本发明提供了一种节点链路压力权重自适应均衡的虚拟网络映射方法。该方法可以根据当前物理网络节点链路压力的状态，对虚网节点映射的优化目标进行实时调整，使该优化目标中节点压力和链路压力的权重得到自适应均衡，并使用了检测机制，以保证权重的自适应均衡不会发散，从而使虚网映射的结果具有节点链路压力综合最优的特性。该方法可以增强虚网运营的稳定性，对网络虚拟化技术在网络运营中的实践应用具有重要意义。
文档编号H04L12/46GK102664784SQ201210116239
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者刘江, 刘韵洁, 张岩, 王健, 王国卿, 陈建亚, 魏亮, 黄韬 申请人:北京邮电大学