專利名稱：一種節點鏈路壓力權重自適應均衡的虛擬網絡映射方法
技術領域：
網絡虛擬化技術是推動互聯網體系架構發展的重要方法之一，其本質是通過抽象、分配、隔離機制在ー個公共物理網絡上獨立地運營多個虛擬子網，各虛擬子網可以使用相互獨立的協議體系，并能夠根據用戶動態變化的需求對整個網絡中節點和鏈路資源進行合理配置，從而增強網絡的靈活性與多祥性，實現網絡的可測可控性，最優化網絡資源的分配與調度，提高安全和服務質量、降低運營維護成本，以求根本性地解決互聯網現有的僵化、以補丁和更新為主的發展現狀。網絡虛擬化技術可以用于為新型網絡體系結構的研究提供共享物理實驗網絡的基礎，同時它還能夠將底層物理設施提供商與網絡服務運營商相分離，允許多個運營商的 網絡共享同一個公共的底層物理網絡基礎架構(鏈路、交換節點等)，每個網絡都在其中擁有既不受其他網絡影響又可以靈活調整的網絡資源份額，不同網絡運營商可以采用不同的網絡協議，提供創新的端到端服務，因此網絡虛擬化也很有希望成為ー種未來網絡的主流運營模式。
背景技術：
虛擬網絡映射問題則是網絡虛擬化技術中必不可少的環節，它的主要功能是將用戶的虛擬網絡請求(Virtual Request)合理地映射至運營商提供的底層物理網絡設施(Substrate Network),映射過程不僅要實現虛擬網絡之間的分_與互不影響，從而保證姆個虛擬網絡用戶的服務質量(QoS)，同時也要盡量合理地分配底層物理網絡資源，提高資源利用率。虛擬網絡映射問題可以進ー步細分為節點映射和鏈路映射兩部分，由于映射過程中對節點CPU容量和鏈路帶寬具有諸多限制條件，因此虛擬網絡映射問題是ー個NP-hard問題。為保證該問題的解決方法具有工程實踐性，國內外研究人員主要使用了次優的啟發式算法，并提出了基于時間窗的映射模型。時間窗模型是將映射問題以時間窗為単位在線處理虛網請求，在每個時間窗內統計當前所有的虛網映射請求，并使用映射算法進行映射，對映射成功的請求，相應更新底層物理網絡狀態；對映射失敗的請求，將請求放入等待隊列；或滿足一定條件后直接拒絕該請求。這ー過程如圖I所示。在虛網映射問題中，節點映射和鏈路映射一般按照先后次序分別進行，這樣可以使復雜度降低，但是由于兩步之間耦合不夠，也會帶來性能的降低。應對該問題的主流方法是通過在節點映射步驟中調整優化目標，照顧到后續鏈路映射的特點，從而有效地實現兩個映射步驟地耦合。本研究也將采用這ー出發點，通過靈活調整節點映射優化目標以實現虛擬化網絡的節點鏈路壓カ均衡這ー特定目標。網絡虛擬化映射中的負載均衡主要是指盡量降低虛網映射后節點和鏈路的最大壓力，從而減小網絡壓力的方差，使網絡各個部分的壓カ更加接近平均壓力。在對該問題的研究中，已有工作首先考慮了分別均衡節點壓力和鏈路壓力的方法在僅考慮節點壓力均衡的研究中，由于優先選擇壓力小的節點往往會導致節點間距離較遠，因此一條虛擬鏈路就需要多條物理鏈路來實現，因此鏈路壓カ增長較大，映射效率和成功率也比較低；在僅考慮鏈路壓力的研究中，同樣由于對沒有考慮節點壓力，可能導致節點壓カ過大或映射成功率低。因此，為了解決這個矛盾，應當綜合考慮節點鏈路壓カ兩個映射優化目標，基于該思路的研究結果包括ー是直接用求和或乘積的方式組合兩個優化目標的公式，這樣在優化過程中兩個因素都被考慮到，但是兩者的平衡關系并不明確，可能導致其中一個優化目標會始終占據主導地位，而另ー個優化目標的效果難以顯現；ニ是根據當前網絡壓力狀態動態地選擇使用節點或鏈路壓力作為優化目標，這樣做的問題是始終維持在單優化目標的狀態，因此綜合優化效果難以保障。
綜上所述，在實現節點鏈路壓力優化目標之間良好耦合的研究中，仍有很多問題值得探討，尤其是需要ー種高效穩定可調整的優化目標平衡策略，以實現整個網絡節點鏈路壓カ的均衡。

發明內容
本發明分析了虛網映射過程中同時以節點和鏈路壓力為優化目標的綜合優化情況，發現兩者之間存在折衷關系，即以節點壓カ降低為優化目標將會導致鏈路壓カ升高，反之亦然。因此，為了實現兩個優化目標之間的平衡關系，需要設計ー種權重可調節的綜合優化目標函數；同時，為了適應請求拓撲的多祥性和請求到達率的波動性，該參數的設置需要動態可調節；最后，為了保證系統的穩定性，需要一定的措施保證該動態可調節參數的收斂性。本發明根據該出發點，設計了一種節點鏈路壓力自適應均衡的虛擬網絡映射方法，該方法使用了均衡參數可調節的綜合優化目標，不僅可以實現針對節點壓力、鏈路壓力的綜合優化，還可以根據映射結果調節兩者之間的權重關系，使兩個優化目標充分耦合，從而實現全網壓カ的綜合均衡；另外，我們設計了ー個對可調參數收斂方向的判斷機制，以防止可調參數發散，實現快速收斂，從而保證系統的穩定性。本發明涉及的定義I)節點鏈路壓カ($,5；)K是指底層物理網絡節點i的壓力，由該節點總CPU容量與剰余CPU容量決定'S1j
是指底層物理網絡鏈路j的壓力，由該鏈路總帶寬容量與剰余帶寬容量決定SI =I-R^iq(I)S1J =J-R1jZCj(2)其中，及;1和Cf分別指該物理網節點i當前剰余的CPU容量和總CPU容量，<和分別指該物理網鏈路j當前剰余的帶寬容量和總帶寬容量。2)平均壓カ與最大壓カ(S", S1, Snmax, S1max )參照上面節點鏈路壓カ的定義，得到平均壓カ與最大壓カ的定義為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分別指物理網節點鏈路數量。3)虛網規模虛網規模主要描述了虛擬網絡(VN)的大小，由其節點CPU容量和鏈路帶寬決定Scale(VNk)=刃 CPU + BW1j (7)其中CPt/f是指節點i的CPU容量，是指鏈路j的帶寬。3)節點規模(Hn⑴)節點規模主要描述了節點在網絡中的重要程度，由該節點的CPU容量和連接帶寬決定Hn(i)=CPU X BW;(8)其中CPC /f是指節點i的CPU容量，是指鏈路j的帶寬，L(i)表示與節點i直接相連的鏈路集合。根據上述定義，本發明ー是提出了節點鏈路壓カ自適應均衡的虛擬網絡映射目標，該目標可以實現節點優化和鏈路優化的統籌協調，從而達到全局壓カ優化的作用；ニ是對目標函數中的可調參數進行設計，提出了一種自適應的參數預測模式，使權重參數根據網絡狀態變化及自身演進兩個因素逐漸優化調整；三是為了保證該自適應可調參數的穩定性，提出了ー種對可調參數收斂方向進行判斷的機制，該機制可以通過統計權重參數在取值范圍邊界停留的時間判斷系統是否進入發散狀態，并采用相應的策略使系統重新恢復均衡。(I)節點鏈路壓カ權重自適應均衡的虛網映射目標如上文所述，現有的以節點鏈路壓力均衡為目標的虛網映射算法使用了求和或求乘積的簡單組合優化目標，或是使用兩個優化目標按需求輪流調用的方法，這些方法都較為簡單，無法真正體現節點鏈路壓力之間的關系，從而使全網壓カ均衡的優化工作不夠徹底。因此本發明首先提出了一個節點鏈路壓カ權重自適應均衡的虛網映射優化目標，即最小化HstressO)- aS；+(l-a)X S；+ 1(9)
一jel(i) _ ueNA上式中，L(i)表示與節點i直接相連的鏈路集合，這樣，該優化目標就綜合考慮了節點i的壓力，以及與節點i相連接的鏈路壓力，a是權重調節參數，a G (0，I)。Na表示本虛網請求中已經映射成功的虛網節點所對應的物理網節點集合，d(i，u)表示i、u兩點之間的距離(跳數)，這樣，距離因素也成為該優化目標的主要影響因素之一，距離近將減少后續鏈路映射的難度。(2)權重參數a的自適應預測方法為了使節點壓力和鏈路壓力的權重可以達到均衡，井隨著虛網請求的數量、規模以及到達速率不斷調整優化，本發明提出了一種對權重參數a進行自適應預測的方法，即a=a~ \ + p(10)
上式中，a _表示上個時間窗的a值，@表示a的收斂速度，當虛網請求狀態變化較快時，可以增大P以加快a的收斂速度。S是大于0的實數，用于保證分母不為零，Snmax -S^m1max -i7 貝ボ:t 力 I 點、—力點、—力白勺胃{1，チ保證系統壓カ基準可以隨著虛網請求的變化而不斷調整。若最大節點壓力與平均節點壓力的差距比最大鏈路壓力與平均鏈路壓力的差距大，說明節點均衡較差，則a増大，導致(7)式中節點壓力V的權重較大，這樣節點壓力小的節點會優先得到選擇，因此降低了最大節點壓力，完成了系統的自適應均衡；反之亦然。a的初值設置為[1-(1/D)]，其中D表示物理網絡節點的平均連接度，P設置為0.1，以保證系統的穩定性。(3)系統狀態發散抑制機制在上一部分中，權重參數a的調節過程是ー個自適應的回歸過程，在系統正常運轉時，該參數的收斂性可以得到保障。但是映射問題是一個復雜系統，無論是物理網絡拓撲、狀態，還是虛擬網絡拓撲、狀態，都會對映射其到影響，為了避免在特殊情況下出現對a的調節未能及時帶來網絡壓力按照預期調節，即系統處于發散狀態的情況，本發明設計了一個系統狀態發散抑制機制，即當檢測到a <0或a > I的情況出現時，a被重置為初值，這樣就可以保證系統的正常運行。


圖I時間窗模式下的虛擬網絡映射流程圖2節點鏈路壓カ權重自適應均衡的分步映射方法實施方式本發明的具體操作流程是在每次節點映射前，對其優化目標作自適應均衡，從而實現在節點映射過程中充分考慮后續鏈路映射，達到物理網絡節點鏈路壓力的相互均衡。具體流程如圖2所示A.統計本時間窗內所有虛網請求，記為集合Rv。B.若Rv為空，進入步驟G。若Rv不為空，選取當前虛網規模最大的虛網請求VNk，統計VNk中所有虛網節點，記為集合Nv。C.若Nv為空，則節點映射結束，進入步驟E ;若Nv不為空，則選取節點規模最大的虛網節點<，從底層物理網絡中選出剩余CPU大于節點<的CPU的物理網絡節點集合，記為Ns。D.若Ns為空，則該虛網請求映射失敗，進入步驟F ;若Ns不為空，根據權重調節參數a的當前值計算Ns中每個物理網節點i的Hstass(i)，選取HstasJi)最小的物理網節點<，并將步驟C中選取的虛網節點<映射至該物理網節點<上。將n,vANv中刪除，返回步驟C0E.使用最短路徑算法完成鏈路映射，若映射失敗，則將該請求送入下個時間窗或直接拒絕；若映射成功，則更新底層物理網絡狀態，將VNk從Rv中刪除，返回步驟B。F.根據更新后的物理網絡狀態計算下ー個時間窗的a值，并應用判斷機制檢驗修正a值，該時間窗虛網映射結束。
權利要求
1.一種節點鏈路壓力權重自適應均衡的虛擬網絡映射方法，在一個時間窗內進行虛擬網絡映射的步驟包括 A.統計本時間窗內所有虛網請求,記為集合Rv。
B.若Rv為空，進入步驟G。若Rv不為空，選取當前虛網規模最大的虛網請求VNk，統計VNk中所有虛網節點，記為集合Nv。
C.若Nv為空，則節點映射結束，進入步驟E;若Nv不為空，則選取節點規模最大的虛網節點<，從底層物理網絡中選出剩余CPU大于節點<的CPU的物理網絡節點集合，記為Ns。
D.SNs為空，則該虛網請求映射失敗，進入步驟F ;SNS不為空，根據權重調節參數α的當前值計算Ns中每個物理網節點i的Hstress (i)，選取HstasJi)最小的物理網節點<，并將步驟C中選取的虛網節點<映射至該物理網節點<上。將<從^中刪除，返回步驟C。
E.使用最短路徑算法完成鏈路映射，若映射失敗，則將該請求送入下個時間窗或直接拒絕；若映射成功，則更新底層物理網絡狀態，將VNk從Rv中刪除，返回步驟B。
F.根據更新后的物理網絡狀態計算下一個時間窗的α值，并應用判斷機制檢驗修正α值,該時間窗虛網映射結束。
2.如權利要求I所述的方法，其中節點映射優化目標的定義為
3.如權利要求I或權利要求2所述的方法，其中權重參數α的定義為
4.如權利要求I所述的方法，其中步驟G的判斷機制是指當檢測到α<0或α > I的情況出現時，α被重置為初值。
全文摘要
本發明提供了一種節點鏈路壓力權重自適應均衡的虛擬網絡映射方法。該方法可以根據當前物理網絡節點鏈路壓力的狀態，對虛網節點映射的優化目標進行實時調整，使該優化目標中節點壓力和鏈路壓力的權重得到自適應均衡，并使用了檢測機制，以保證權重的自適應均衡不會發散，從而使虛網映射的結果具有節點鏈路壓力綜合最優的特性。該方法可以增強虛網運營的穩定性，對網絡虛擬化技術在網絡運營中的實踐應用具有重要意義。
文檔編號H04L12/46GK102664784SQ201210116239
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者劉江, 劉韻潔, 張巖, 王健, 王國卿, 陳建亞, 魏亮, 黃韜 申請人:北京郵電大學