基于SDN的多域光网络虚拟化技术

刘世栋，王攀

（1.国网智能电网研究院，江苏 南京 210003；2.南京邮电大学，江苏 南京 210003）

基于SDN的多域光网络虚拟化技术

刘世栋1，王攀2

（1.国网智能电网研究院，江苏 南京 210003；2.南京邮电大学，江苏 南京 210003）

随着信息社会的发展，网络中的信息流量开始急速增长，光网络不仅需要大容量和长距离的传输，还需要动态和灵活的管控，传统自动交换光网络架构的通信模式很难满足这一需求。 同时，海量数据的存储访问，需要扩展性极强的分布式存储架构来实现。 针对面向数据中心之间互联的多域光网络，提出了一种基于SDN 的跨域光网络虚拟化服务的资源权衡策略。 实验证明，该方法可以对网络资源进行高效合理的映射分配，提高业务接受比、降低网络阻塞率，满足用户的需求。

虚拟化光网络；资源分配算法；OpenFlow 协议；基于 SDN 的光网络

1 引言

随着融合网络技术的发展，不同类型的业务和网络资源交织叠加在一起，形成了异构化的网络互联环境，加剧了全网业务控制与资源管理的实现难度。软件定义光 网 络 （software defined optical network，SDON ）能 够 统 一调度和控制各种光层资源，满足业务多样化、复杂化的需 求 ，实 现 对 光 网 络 智 能 化 的 延 伸 与 增 强［1］。 同 时 ，流 量的急速增长，对未来光网络的扩展会造成一定的限制与约束，由于部署的光纤和终端非常昂贵，如何提高现有资源的利用率变得十分关键。网络虚拟化技术可以解决网络设备僵化问题，使得物理设备资源可共享化，是应对 互 联 网 爆 发 式 发 展 的 有 效 途 径［2］。随 着 云 计 算 、大 数 据的爆炸式出现，数据中心的存储以及计算资源作为大数据 的 最 终载体，已成为数据中心 IT 资源的基础架构。而随着存储技术的发展，集中式存储已不再是数据中心的主流架构。海量数据的存储访问，需要扩展性、伸缩性极强的分布式存储架构来实现。因此，基于 SDN 的多域光网络虚拟化 技 术 的 理 论 研 究 与 实 践［3］，是 十 分 重 要 且 必 要 的 。

本文提出了针对虚拟光网络映射的资源权衡策略，并基于软件定义的多域频谱灵活光网络实验平台，植入了业务模型，完成了业务模型和分配算法的仿真。与传统的随机路由算法、负载均衡算法相比，本文算法有效降低了网络阻塞率，提高了网络性能。

2 相关工作

针对光传送网所面临的控制不灵活和资源利用低效等问题，国内外已展开对软件定义光网络的控制理论研究和网络实验，其标准化工作以及相关算法的研究已成为重要的研究领域热点之一。

（1）OpenFlow 协议扩展

软件定义光网络通过将数据平面和管理平面解耦，使得网络变得程序化、动态化。作为软件定义网络中主流的控制协议，OpenFlow 已经具有基于流交换 层次的 开放 式标准接口，采用了集中式控制架构，实现了软件定义路由、交换以及网络管理等。目前，已经有一些关于 OpenFlow 协议的扩展，对基于光交换的上下路端口、光载波的中心频率以及光传输带宽等光数据流进行了补充定义。通过这些扩展，可以 将 OpenFlow 协议 引入 光 域，并 实 现 软 件 定义 网 络类型的光路建立和管理。

（2）数据中心光互联体系架构

为了解决数据中心内网互联的种种挑战，采用弹性光网络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传送。基于弹性光网络的架构，超波长、子波长以及混合传输速率的流量模式可以在底层的物理网络中共存，从而实现低能耗、高可靠性、高效 率 的 光 传 输 通 道［4］。为 了 支 持 多 终 端 的 云 平 台 以 及 物 理硬件设备的共享，提高频谱的利用率，虚拟化技术被越来越多的科研人员所重视。参考文献［5］中详细介绍了一种业务感知的虚拟数据中心架构，将光网络的网络资源和数据中心 IT 资源 的虚 拟 化 结合 起 来 ，这一 部 分 还 未 有过 深 入研究。

（3）网络虚拟化技术

随着网络虚拟化技术的成熟和光网络技术优势的凸显，光网络虚拟化日渐受到更多学者重视。国内外学者从整体架构、应用场景、算法设计等角度对光网络虚拟化技术进行深入研究，推动了光网络虚拟化技术的发展。参考文 献 ［6］站 在 数 据 中 心 应 用 的 角 度 ，对 光 网 络 虚 拟 化 技 术 进行 了 研 究 。参 考 文 献 ［7，8］站 在 算 法 的 角 度 ，提 出 了 光 网 络虚拟化 映射 的 ILP 模 型和 启发式 算法 。可 见 ，随 着越 来 越多的光器件具有可编程能力，光网络的虚拟化成为可能。通过光网络整体架构和映射策略的不断完善，光网络虚拟化将很好地支持面向数据中心的网络应用。

3 问题描述

虽然网络虚拟化技术使得物理设备资源可共享化，但资源总量是一定且有限的。在多域网络互联场景中，资源分配是最关键的。为了实现数据中心网络的平衡，基于数据中心资源负载均衡算法，将数据中心的计算能力考虑到虚拟化节点映射的策略中。在频谱灵活光网络中，网络资源的本质从波长到频谱转化，对资源的管控变得复杂。在路由选择和资源分配中，要考虑到两个约束：波长一致性和频谱连续性。同样，频谱灵活光网络中每个路径的可用频谱资源都可能存在碎片，要是碎片不能被清理，频谱资源利用将会受到影响。

在不影响业务传输质量的前提下，需要适当对业务流经频繁的节点链路进行部分流量疏导，实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量被疏导后，进行统一映射，从而可以有效减少阻塞率，提高业务接受比。

4 基于SDN的多域光网络虚拟化技术模型

虚拟光子网的映射过程，是指在满足底层物理网络资源容量约束的前提下，将多个具有不同拓扑结构的虚拟光子网同时映射到共享的基础架构中，并且保证物理网络资源以及数据中心服务器的应用资源得到充分利用。

软件定义光网络中的虚拟化静态映射是一个 NP问题，为了更好地描述映射过程以及虚拟光子网与物理网络的映射关系，本文将采用表 1中的符号。

表1 符号对照

优化目标函数如下：

·最小化虚拟光子网请求所使用的子载波总数；

·最小化分配的连续空闲频谱段的起始子载波下标。模型及变量约束条件具体如下。

（1）节点映射

其中，式（1）表示每一个虚拟节点需要至少映射到一个物理节点上；式（2）表示一个物理节点最多承载一个虚拟节点，即不同的两个虚拟节点不能映射到同一个物理节点上；式（3）说明实际映射的物理节点的空闲资源需要大于或等于虚拟节点请求所需的资源容量。

（2）链路映射

其中，式（4）为流守恒约束条件，以保证在每个非端点的物理节点上，数据流入等于流出；式（5）可保证所有的虚拟光链路在映射到物理拓扑时都是链路分离的，即不会发生不同的虚拟链路映射到同一条物理链路上的情况；式（6）可确保给任意虚拟光子网请求分配的连续空闲频谱段均能够满足带宽需求。

式 （7）～ 式 （9）为 了 确 保 给 Gr（Vr，Er）分 配 的 连 续 空 闲 频谱段是某一条物理链路上唯一的可用连续频谱段，且该路由频域上的可用连续频谱段的容量比分配的空闲连续频谱段要多。

（3）变量取值范围

式（10）～式（12）用于约束变量的取值范围。其中，式（10）表示虚拟节点和物理节点的关系只有两种情况，即映射关系或者非映射关系，故变量的取值非 0即 1。

5 基于SDN的多域光网络虚拟化技术算法

（1）传统方法——随机路由算法

由 最 短 路 由 （K shortest path，KSP ）计 算 映 射 后 物 理 网络中，相应两节点间的 K 条最短路由及分配路径。在所分配的路径中采用首次命中（FF）算法寻找邻接可用的带宽资源。若分配资源失败，则寻找次短路径再次确认，直到第K条路径。随机算法没有采用任何优化措施，但计算复杂度很低，执行速度很快。因此，当资源优化和运行时间相比并不是特别重要时，可以采用随机算法来节省运算时间。随机路由算法通过一条随机路径来承载虚拟链路。

（2）传统方法——负载均衡算法

该算法先映射链路，后映射节点。当一个虚拟子网请求到达时，按所需频谱带宽的大小逆序排列选择一条虚拟链路。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，且该集合需要排除已经映射了同一个虚拟子网请求的虚拟节点的物理节点。在整个过程中，首先考虑网络负载均衡，从而可以很好地确保网络资源的利用率。

（3）创新方法——资源权衡算法

本文提出了适用于大规模虚拟网络业务的资源映射的算法——资源权衡映射算法，与随机路由算法和负载均衡不同的是，资源权衡算法通过一条负载均衡路径来承载虚拟链路，并实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化。资源权衡算法可以分为如下两个步骤。

①节点映射

每个虚拟节点在满足地理位置和交换能力的条件下，映射到对应的物理节点上。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。

②链路映射

每个虚拟链路在满足一定频谱宽度的条件下，通过KSP 方法映射到物理路 径上 。在找到对应的 K 条路 由后 ，会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。该方法需要判断虚拟链路映射产生的集合中每一 个 节 点 对 （us，υs）的 所 有 路 由 组 合 ，并 记 录 每 个 节 点 对 K 条路 由 的 映 射 概 率 ，记 为 P（us，υs）。在 所 有 候 选 的 K 条 链 路 中 ，选择具有最高映射概率的路由，并在所选路由上采用一定的调制格式为虚拟链路分配频谱资源。在整个过程中，考虑了网络频谱资源的均衡，可以很好地确保网络资源的利用率。

其中，映射概率的计算算法为：

具体算法描述如图1所示。

6 仿真与实验

将本文提出的资源权衡算法与传统的随机映射算法和 负 载 权 衡 算 法 进 行 比 较 。仿 真 中 采 用 14 个 节 点 的NSFNET 拓 扑 。 假 设 每 段 物 理 链 路 的 容 量 为 12.5 THz，子载 波 的 粒 度 为 12.5 GHz，每 个 节 点 的 CPU 容 量 为 2 000。虚拟光网络的业务请求随机产生，业务的到达和离去均服从 泊 松 分 布 。其 中 虚 拟 节 点 的 个 数 设 定 为 3～5 的 随 机 整数 ，每 个 节点 请 求 的 CPU 资 源 占 节点 资源 比 例 在 0.5%～1.0%中 均 匀 分 布 ，每 根 虚 拟 链 路 请 求 的 带 宽 在 ｛12.5 Gbit／s，25 Gbit／s，50 Gbit／s，100 Gbit／s｝中 随 机 分 布 。

图1 资源权衡算法流程

图2 3种映射算法在不同业务总数下的阻塞率对比

图2、图 3 为 3 种启 发 式映 射算 法 （随 机 路由 、负载 均衡、资源权衡）业务映射阻塞概率的变化曲线。可以看出，3种算法的资源阻塞率随着业务请求数量的增加均呈现上升趋势。业务数量很少时，随机路由算法初始阻塞率最低，但由于其没有对网络状态进行任何优化，随着业务数目的增加而急速上升。资源权衡算法和负载均衡算法性能基本持平，运行初始阶段，负载均衡算法的平均性能要优于资源权衡算法，这是因为负载均衡算法对核心节点的流量分配采用疏导策略，使得网络中各业务的流量分布相对平衡；但当仿真运行进入平稳阶段时，网络状态相对饱和，资源权衡算法的阻塞率低于负载均衡算法，这是因为资源权衡算法既能够进行流量疏导，又能够合理利用节点容量和链路频谱，从而降低了虚拟网络拓扑的映射难度，提高了映射的成功率。

资源接受比随时间的变化曲线如图4所示。可以看出，资源权衡算法的映射成功率远远超过了随机映射算法，具有明显的优势。

图3 3种映射算法在不同业务量下的阻塞率对比

图4 资源接受比随时间的变化曲线

7 结束语

在 SDN 多 域 频 谱 灵 活光 网络 架 构下，针 对 虚 拟 光 网络映射的资源选择策略，创新性地提出资源权衡算法。资源权衡算法能够实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化，在部分流量疏导后，进行统一映射，有效地减少阻塞率，提高业务接受比。

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Multi-domain optical network virtual technology based on SDN

LIU Shidong1，WANG Pan2
1.State Grid Smart Grid Research Institute，Nanjing 210003，China 2.Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210003，China

With the development of information society，the information flow in the network began to grow rapidly，optical network requires not only large capacity and long distance transmission，but also the need for dynamic and flexible controls，the traditional automatic switching optical network architecture is very difficult to meet it.At the same time，storage access to massive amounts of data is a very high requirement for the scalability of the distributed storage architecture.A resource balancing strategy based on SDN for the inter-domain optical network virtualization service was proposed.Simulation results indicate that network resources can be allocated effectively，service acceptance ratio is improved，and network blocking probability is reduced.

virtualized optical network，resource allocation algorithm，OpenFlow protocol，SDN-based optical network

s：2013 Six Talent Peaks Project in Jiangsu Province（No.rld201303），2013 Information Security Special of National Development and Reform Commission（No.2013 外 79），2014 Science and Technology Projects of State Grid：Research and Application of Key Technologies of Network Traffic Prediction and Smart Pipeline for Electric Information Communication Network（No.XXN17201400030），2015 Prospective Joint Research Project of Jiangsu Province（No.BY2015011-02）

TN915.8

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016056

2015-11-20；

2016-01-07

2013 江苏省六 大 人 才高峰 计 划 基金 资 助 项 目 （No.rld201303）；2013 国 家 发 展 和 改革 委 员 会 信 息 安 全 专 项基 金 资 助 项 目（No.2013外 79）； 国 家 电 网 公 司 2014 年 科 技 项 目 “ 电 力 信 息 通 信 网 络 流 量 预 测 和 管 道 智 能 化 关 键 技 术 研 究 及 应 用 ” （No.XXN17201400030）；2015 江苏省产学研前瞻性联合研究项目（No.BY2015011-02）

刘世栋（1971-），男，博士，国网智能电网研究院信息通信研究所主任工程师，主要研究方向为电力通信网。

王攀（1979-），男，博士，南京邮电大学副研究员，主要研究方向为信息网络、业务感知、DPI、大数据分析。