本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种时频联合碎片感知的资源均衡虚拟光网络映射方法。
背景技术：
随着互联网的高速发展，传统的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)网络已经不能满足日益增长的业务带宽需求，而弹性光网络(Elastic Optical Networks,EONs)凭借其高带宽容量、低时延、低功耗、细粒度等优点被认为是下一代极具前景的光传送网，但是随着业务需求的增加，网络体系架构暴露出各种各样的问题，从而导致互联网出现了停滞不前的僵化局面。网络虚拟化技术被认为是解决互联网僵化问题的关键技术之一。通过网络虚拟化，将网络服务提供商和基础设施提供商分离，允许多个异构虚拟网络共享同一底层公共物理网络资源，不仅大大提高了固有资源的利用率，并让网络具有灵活的可扩展性和可管理性。
目前，用户产生的虚拟网络请求通常由带有资源约束条件的虚拟节点和虚拟链路组成，而如何在底层网络为虚拟业务提供有效地资源分配被称作为虚拟网络映射问题，且已被证明是NP-hard问题。虚拟网络映射是将虚拟节点和虚拟链路分别映射在底层网络上的物理节点和物理路径上，如何有效的进行节点映射和链路映射，最大化利用底层资源是现在主要面临的问题。
然后在虚拟网络映射过程中，物理网络中资源的分配不均衡的问题，导致物理网络中的节点上的计算资源和物理链路上的带宽资源分配不均衡，使得网络中资源消耗不均匀，同时在动态网络环境中，由于业务大小不一，持续时间不同，且随着业务动态到达与离去，传统首次命中(FirstFit,FF)频谱分配算法没有考虑相邻业务之间离开时间，因此会产生不同程度的频谱碎片，使得网络中的带宽资源变的离散化，导致业务因资源不足被阻塞。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时频联合碎片感知的资源均衡虚拟光网络映射方法，降低网络中的阻塞率，提高资源的利用率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种时频联合碎片感知的资源均衡虚拟光网络映射方法，设计物理节点平均资源承载能力公式和物理路径的平均资源聚合度来选择为虚拟节点和虚拟链路分配的物理节点和物理光路承载业务；在频谱分配的时候，采用基于时频联合的碎片感知方法最小化网络中的频谱碎片，包括以下步骤：
S1：根据物理网络中的资源情况，包括节点计算资源和链路带宽资源，计算物理节点的平均资源承载能力以及物理路径的平均资源聚合程度，评估每个物理节点和物理链路的平均资源承载能力；
S2：在选择好虚拟请求映射的承载物理节点和物理光路时，根据已确定的物理光路上的频谱资源情况联合考虑频隙在时间域和频谱域的碎片情况为虚拟网络分配合适的频谱块传输业务。
进一步，所述S1具体通过以下方式实现：
将每个物理节点根据设计的资源聚合度公式计算出物理节点的平均资源承载能力，据此将物理节点按照降序的方式排序，依次将虚拟节点映射在排好序并满足虚拟节点请求资源的物理节点上；在虚拟节点映射完成时，选择对应虚拟请求的映射物理节点之间的K条路径，并将K条路径按照路径平均资源聚合程度排序，选择路径平均聚合度高的路径为虚拟链路分配频谱资源。
进一步，所述S2具体通过以下方式实现：
在选择好为虚拟链路分配的路径时，首先选择出所有与虚拟链路请求的频隙大小相等的频谱块，计算连续被占用的频谱块的剩余时间方差，选择剩余时间方差小的频谱块分配业务，若没有与业务请求的频隙数目大小相等的频谱块则选择大于业务请求的频谱块，则计算路径上的频谱碎片差值，选择聚频谱碎片差值小的频谱块分配该虚拟链路，否则，阻塞该虚拟请求。
进一步，所述物理节点的平均资源承载能力计算公式为：
其中表示物理节点i的可用计算资源，表示链路l上第f个频谱的使用情况，空闲则为1，否则为0，dev(i)表示物理节点i的度数，AvRank(i)值越大，表示节点i的平均承载能力越大。
进一步，所述路径平均资源聚合程度计算公式为：
其中表示为路径p的资源聚合度，hop(p)表示组成路径p的链路数。
进一步，所述频谱块的选择基于频谱的时间域和频谱域来实现，具体包括以下步骤：
(1)根据已确定的路由路径，选出该路由路径上所有的可用频谱块；所述可用频谱块为路径上在满足频谱一致性和连续性约束下，等于业务所需频隙数的空闲频谱块，以及大于业务所需频隙数的空闲频谱块；
(2)针对于大小等于业务所需要频隙数的空闲频谱块，计算连续被占用的频谱块的剩余时间方差，选择剩余时间小的频谱块分配，如果没有大小等于业务所需的频隙数目，则寻找大于业务所需的频隙数目，计算路径上的频谱碎片差值，选择聚频谱碎片差值小的频谱块为业务服务。
进一步，所述连续被占用的频谱块的剩余时间方差计算方法为：
时间域：
其中|Bk|表示连续被占用的频谱块上频隙的数，dsj表示频隙在第sj个频谱块剩余持续时间，表示链路l上的连续频谱块的平均持续时间，表示链路l上连续Bk的剩余时间方差，φt(p)表示路径上连续占用的频谱块剩余时间方差；
所述频谱碎片差值计算方法为：
频谱域：
SFD＝c(p)before-c(p)after
表示链路l第f个频谱的使用情况，空闲则为1，否则为0，con(l)表示链路l上空闲频谱块之间的频隙连接度；c(l)为链路l上频谱聚合度，c(p)为路径p上频谱聚合度，c(p)before表示没有为业务分配之前的路径频谱聚合度，c(p)after表示为业务分配之后的路径频谱聚合度，SFD表示为业务分配频谱之后路径频谱碎片差值。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种时频联合碎片感知的资源均衡虚拟光网络映射方法，通过设计物理节点和物理链路的权重公式，在虚拟网络映射时权衡网络中的资源，降低阻塞率；并在频谱分配过程中，考虑频隙在时间域和频谱域上的碎片程度，减少路径上产生的频谱碎片，同时也提升了网络的频谱资源利用率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为虚拟业务请求；
图2为底层光网络资源分布示意图；
图3为频隙在时间域的碎片示意图；
图4为频隙在频谱域的碎片示意图；
图5为时频联合碎片感知的资源均衡虚拟网络映射方法总流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供地的一种基于时频联合碎片感知的资源均衡虚拟网络映射方法，在虚拟业务到来时，首先根据虚拟业务的虚拟节点请求资源，对虚拟节点排序，并根据底层物理节点资源对物理节点排序，依次对虚拟节点映射。虚拟节点映射全部成功后，根据虚拟节点映射的情况，寻找对应的物理节点对之前的K条路径，K条路径根据权重值排序，对虚拟链路进行映射。路由确定之后，在为业务分配频谱资源时，联合考虑频隙在时间域和频谱域上的碎片情况，选择碎片程度小的频谱块分配业务。具体包括如下：在业务到来之后，为虚拟节点选择底层网络物理节点时，根据物理节点的权重值即节点资源平均承载能力，对物理节点排序，依次为虚拟节点选择物理节点资源平均承载能力高的且满足虚拟节点的请求资源，如果虚拟节点全部映射完成，则映射虚拟节点，否则阻塞该虚拟请求。在为虚拟链路选择物理光路时，首先根据虚拟节点映射的情况，选择对应的物理节点之间的K条路径，对K条路径根据路径平均资源聚合度排序，选择平均资源聚合程度高的路径传输业务。
在路由确定之后，为业务请求频谱资源时，联合频隙在时间域和频谱域的碎片情况为业务选择分配频谱块之后路径上频谱碎片程度小的频谱块。首先，选择与业务请求的频隙数目相等的可用频谱块，所述可用频谱块为路径上在满足频谱一致性和连续性约束下，等于业务所需频隙数的空闲频谱块，如果存在多个与业务请求大小相等的可用频谱块，依次预分配在相应的可用的频谱块，计算连续被占用的频谱块的剩余时间方差，选择剩余时间方差小的频谱块。如果不存在与业务请求的频隙数目相等的可用频谱块，则选择路径上大于业务请求的频隙数目的可用频谱块，所述可用频谱块为路径上在满足频谱一致性和连续性约束下，大于业务所需频隙数的空闲频谱块，若存在多个大于业务请求的频谱块，则依次预分配在该频谱块上，计算路径上的频谱碎片化，选择路径上频谱碎片化程度小的频谱块分配业务。如果路径上两种选择频谱的方式都不存在，则阻塞该虚拟请求。本发明提供的一种基于时频联合碎片感知的资源均衡虚拟网络映射方法可以降低网络中的带宽阻塞率，提高网络中的资源利用率。
实施例：
图1为虚拟网络请求，方框上的数字为对应虚拟节点请求的计算资源，虚拟链路上的数字代表虚拟链路请求的带宽资源，即虚拟节点A需要5个单位的计算资源，虚拟节点A需要4个单位的计算资源，虚拟节点C需要3个单位的计算资源，虚拟链路A-B需要2FSs频隙数，虚拟链路A-C需要1FSs频隙数。图2表示底层光网络，方框代表物理节点上剩余可用的计算资源，图3为底层物理链路上的频谱资源情况。结合该示例说明本发明所述方法中的基于时频联合碎片感知的资源均衡虚拟网络映射方法。
首先根据虚拟节点的资源请求对虚拟节点排序，依次映射顺序为A，B，C，并对物理节点根据节点平均资源承载能力对其排序。计算物理节点平均资源承载能力如式(1)：
其中表示物理节点i的可用计算资源，表示链路l上第f个频谱的使用情况，空闲则为1，否则为0，dev(i)表示物理节点i的度数，AvRank(i)值越大，表示节点i的平均承载能力越大。计算物理节点0的平均资源承载能力为6.03，物理节点1的平均资源承载能力为6.58，物理节点2的平均资源承载能力为5.62，依次排序物理节点为1->3->0->4->2->5。
进行虚拟节点映射，依次将虚拟节点A，B，C映射在满足排好序且满足其计算资源的物理节点上，即映射结果为(A->1，B->3，C->0)。
虚拟节点全部映射成功后，对虚拟链路进行映射，虚拟链路A-B映射在对应的物理节点对1-3的路径上，通过Dijkstra算法计算物理节点1-3之间的3条最短路径，即路径Path1(1-2-3)、Path2(1-5-4-3)、Path3(1-2-4-5)，然后分别计算3条候选路径的路径平均资源聚合度，如式(2)所示：
其中表示为路径p的资源聚合度，hop(p)表示组成路径p的链路数。
表1候选路径平均资源聚合度表
由表1可知，三条候选路径的平均资源承载能力分别为Path1＝6.5，Path2＝6.67，Path3＝7，依次上述的寻找最大平均资源聚合度大的路径原则，为虚拟链路A-B优先选择路径Path3。
路由确定后，为虚拟链路A-B分配带宽资源，在路径Path3经过运算后可以得到3个候选的可用频谱块，频隙索引值分别为(3，4)，(8)，以及(11)，首先针对大小等于虚拟链路A-B请求的频隙数目，即频隙索引值为8和11的频谱块，依次预分配在这两块可用的频谱块上，按照公式(5)计算连续被占用的频谱块的剩余时间方差：
其中|Bk|表示连续被占用的频谱块上频隙的数，dsj表示频隙在第sj个频谱块剩余持续时间，表示链路l上的连续频谱块的平均持续时间，表示链路l上连续Bk的剩余时间方差，φt(p)表示路径上连续占用的频谱块剩余时间方差。
由图3可知，虚拟链路A-B请求的频隙应分配在频隙索引值为11的位置，从而减少频隙在时间域的碎片。
若可用的频谱块没有与业务请求的频隙数目相等的可用频谱块，则寻找大于业务请求的频隙数目，若存在多个大于业务请求的可用频谱块，则依次预分配并计算预分配之后路径上的碎片化程度，选择路径上频谱碎片小的频谱块分配，选择聚频谱碎片差值小的频谱块，计算方式如公式(8)所示：
SFD＝c(p)before-c(p)after (8)
表示链路l第f个频谱的使用情况，空闲则为1，否则为0，con(l)表示链路l上空闲频谱块之间的频隙连接度。c(l)为链路l上频谱聚合度，c(p)为路径p上频谱聚合度，c(p)before表示没有为业务分配之前的路径频谱聚合度，c(p)after表示为业务分配之后的路径频谱聚合度，SFD表示为业务分配频谱之后路径频谱碎片差值。
下面结合图4说明计算方法：
路径A-B-C上的初始频谱聚合度c(p)before＝1.3，,现有新业务请求需要两个频隙，可以看出频谱块1和频谱块2都可以用来传输业务，若将频谱块1分配给业务可以计算出路径A-B-C的剩余频谱聚合度为c(p)after＝1.0，若选择频谱块2来传输业务，路径A-B-C的剩余频谱聚合度为c(p)after＝1.17，相比较两个频谱块的SFD值，频谱块1的SFD＝c(p)before-c(p)after＝1.3-1.0＝0.3，频谱块2的SFD值为1.3-1.17＝0.13，由此可以看出频谱2更适合传输业务。下面将结合图5对本发明的基于时频联合碎片感知的资源均衡虚拟光网络映射方法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：
S1：虚拟业务到来，记录虚拟链路数L，令l表示第l条虚拟链路，l初始值为1，并按照每个虚拟节点所请求的计算资源将节点降序排序VR＝{vr1,vr2,...vrn}，vri表示第i个虚拟节点，i初始值为1；
S2：根据式(1)计算物理节点的资源可用性Rank，并将物理节点按照降序排序，记为集合VS＝{vs1,vs2,...,vsn}，vsi表示第i个物理节点，i初始值为1；
S3：判断物理节点vsi可用计算资源是否大于等于虚拟节点vri请求的计算资源，如大于等于则将vri映射在vsi上，转至步骤4；否则标记业务阻塞；
S4：将vri从集合VR删除，vri从集合VR删除，判断集合VR是否为空，若是，则转至步骤5，否则将i+1，转至步骤3；
S5：对第l虚拟链路(其中，l∈[1,L])，根据虚拟节点映射的情况，根据Dijkstra算法计算找到对应映射的物理节点对之间的K条最短路径，调用式(2)分别计算K条路径的平均聚合程度avc(p)，按照路径的平均聚合程度avc(p)对k条候选路径进行降序排序，令k表示第k条传输路径，k初始值取1，转至步骤6；
S6：若k>K，标记业务阻塞转至步骤1；否则转至步骤7；
S7：检查第k条(k∈[1,K])光路上各链路的频谱资源使用情况，再根据业务所需的频隙数，选出大小等于业务所需频隙数的空闲频谱块，作为可用频谱块，加入到可用频谱块集合中，记作ASBk＝{asb1,asb2,...,asbn}，表示第k条路径上的可用频谱资源集合，asbm(m∈[1,n])表示集合中第m个可用频谱块，并调用式(5)计算连续被占用的频谱块的剩余时间方差，选择剩余时间方差小的频谱块asbm分配业务，若ASBk为空，转步骤8；
S8：检查第k条(其中，k∈[1,K])光路上各链路的频谱资源使用情况，再根据业务所需的频隙数，选出大小大于业务所需频隙数的空闲频谱块，作为可用频谱块，加入到可用频谱块集合中，记作BSBk＝{bsb1,bsb2,...,bsbn}，表示第k条路径上的可用频谱资源集合，bsbm(m∈[1,n])表示集合中第m个可用频谱块，并调用式(8)计算路径上的频谱碎片差值，选择聚频谱碎片差值小的频谱块bsbm分配该虚拟链路，若集合ASBk和BSBk都为空，将k加1，转至步骤6；否则转至步骤9；
S9：判断虚拟链路数l是否等于L，若等于则标记业务成功传输，转至步骤1；否则将l加1，转至步骤5；
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。