弹性光网络中区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射方法

宋华茂+++马玉玲+++刘梁宝

【 摘 要 】 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，针对应用需求场景，建立网络模型，研究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。该方法拟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。

【 关键词 】 网络虚拟化；最大共享能力；生存性；弹性光网络

【 中图分类号 】 TP393

【 文献标识码 】 A

SurvivableVirtual Network Mapping with Share Ability in Elastic Optical Network

Song Hua-Mao Ma Yu-Ling Liu Liang-Bao

（State Grid Luan Power Supply Company AnhuiLuan 237006）

【 Abstract 】 For new requirements of data center service in flexible grid opticalnetwork， this paper researches a novel fuzzy optimization degree based survivablevirtual network mapping with share ability， considering the possibility offailure in view of the application scenario. The proposed method uses the way ofshared link protection to distinguish the spectrum interval of shared ability， andovercome the limitations of existing methods with reducing backup resourceconstraints for fault recovery， increasing the success rate of virtual network mapping.

【 Keywords 】 network virtualization；maximum share ability；survivability

1 引言

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。网络虚拟化技术可以屏蔽物理网络的复杂关系与限制，向用户提供灵活易于管理的逻辑网络资源。但是，由于不同租户共享底层网络资源，该技术也带来了严重的生存性问题，例如物理单链路故障、单节点故障、区域性故障（光纤切断、设备断电、系统崩溃等）引起的大量租户业务不能被提供服务。

因此，本文重点研究基于单链路故障场景下虚拟网租户业务及资源的部署问题，并提出了一种区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射策略。仿真验证，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。

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，国内外已展开了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。

2.1 数据中心光互联体系架构

为了能够解决数据中心内网互联的种种挑战，目前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。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，从而实现了低能耗、高可靠性、高效率的光传输通道[1]。为了能够支持多终端的云平台以及物理硬件设备的共享，并提高频谱的利用率，虚拟化技术被越来越多的科研人员所重视。文献[2]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。

2.2 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明显，光网络虚拟化也日渐受到更多学者重视。国内外学者们分别从整体架构、应用场景、算法设计等角度对光网络虚拟化技术进行了深入研究，推动了光网络虚拟化的发展。文献[3]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。文献[4]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。由上可见，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了可能。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网络应用。

2.3 生存性技术

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，文献[5]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（p-Cycle）[6]、保护球（p-Ball）[7]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[8]。

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。同时，在频谱灵活光网络中，网络资源的本质，从波长到频谱转化。因此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。因此，链路故障场景下，本课题拟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，该方法采用共享链路保护方式，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。该算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。

4 区分最大共享能力的虚拟网络模型

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的利用。虚拟网络架构如图1所示。

频谱灵活光网络中的虚拟化动态映射是一个NP问题，为了更好地描述映射的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。

4.1 优化目标

a. 业务阻塞率？鬃：虚拟网业务未成功映射的比率；

b. 资源利用率？渍：已分配的节点链路资源总量与总资源数量的比率，（1）式中？琢为权重因子；

c. 资源冗余度？酌：已分配的路由上保护频谱资源与工作频谱资源的比重；

d. 保护成功率？浊：故障发生时，成功恢复的虚拟业务与受影响的虚拟网络总数的比重；

e. 模糊优化度：

（2）式中？籽代表模糊优化度，也可理解为优化难度。Fi（i=1，2，3，4）表示阻塞率？鬃，资源利用率？渍， 频谱冗余度？酌，和成功保护率？浊。低的？鬃和？酌，高的？渍和？酌是我们需要的。Fbest和Fworst表示相对于我们期待的最好的最坏的结果。？驻为不确定因子。N 表示参与评估的参数数量。仿真结果最接近理想值，？籽的值也就越小。（3）式中参数E是最终的权衡分数。参数？兹i为参数间的权重因子。我们设计的方案是为了找到一个恰当的算法得到一个最小的E值。

4.2 模型及变量约束条件

a. 节点映射

（4）

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。（4）式说明实际映射的物理节点的空闲资源需要大于等于虚拟节点请求所需的资源容量，才能够完成映射。

b. 链路映射

（5）

（6）

要确保给任一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（5）表明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空闲连续频谱段要多。式（6）强调了物理路由频域上l第kth的起始子载波如果能映射到物理路径l的fth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。

4.3 网络模型

创新方法同样区分了保护频谱隙的最大共享能力如图2。假设？着= 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？着为1是一个特例，而最大共享方式也可被理解为其？着没有限制，甚至为∞。

5 区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射算法的设计

传统方法——专有保护映射算法（Dedicated Link Protection，DLP）

每条工作路径都有一条相应的保护路径。有算法没有采用任何优化的措施，但是计算复杂度很低，执行速度很快，成功恢复率很高。因此，当资源优化和保护成功率相比并不是特别重要的时候，可以采用专有保护映射算法。

传统方法——最大共享映射算法（Maximum Shared Protection Mapping，MSPM）

多条虚拟路径共享一个保护路径。该方法主要为了节约频谱资源，降低业务阻塞率。但是多个虚拟网络备份资源的无限共享，会在故障发生时大大降低业务的恢复效率。同时相比DLP算法资源利用率也有所下降。

创新方法——优化共享映射算法（Optimum Shared Protection Mapping，OSPM）

本文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算法——区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射算法，并实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化。该方法相对于DLP算法降低了业务阻塞率和资源冗余度，同时相比MSPM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。OSPM算法可以分为两个步骤。

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链路映射。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。

链路映射：每条虚拟链路的映射过程中，在保护FSs资源的分配上不能超出频谱隙上最大连接数？着的限制。如果保护连接数目超出了该链路本身的最大共享度，那么将会尝试分配与它邻接的连续空闲频谱块资源。具体算法描述如下：对于每个虚拟链路的工作路径映射，在满足一定频谱宽度的条件下，通过采用D算法映射到物理路径上，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。之后，为了提高映射的成功率与简化算法，采取两个阶段的保护路径映射过程。在第一阶段，在物理拓扑GP上构造辅助结构图GA。在GA上计算工作路径PW的保护路径PB，频谱资源的分配采取首次命中方法（First Fit，FF）。在1st备份资源分配中，根据保护共享，我们优先选择保护拓扑G中已分配的备份资源进行映射。如果第一阶段的映射失败，第二阶段的映射才会启动。第二阶段是在GP上寻找最短路由并进行2nd保护资源分配。在保护拓扑G中，空闲和已占用的子载波将同时被查询和映射。如果第二阶段映射失败，这意味着没有一条合法的保护路径被找到，该虚拟链路的映射失败，从而导致该虚拟网路请求的阻塞。如果第一阶段与第二阶段之一成功分配，我们就在辅助图GA中更新路径（lV→PB）的权重为0，同时更新保护拓扑，G=G ∪PB。同样的方式一致循环直到全部虚拟网业务请求结束。算法流程如图3所示。

6 仿真与实验

将本文提出的优化共享映射算法与传统的DLP和OSPM算法比较。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5000GHz，子载波的粒度为12.5GHz，每个节点的CPU容量为2000。虚拟光网络的业务请求随机产生，业务的到达和故障的到达均服从泊松分布。其中虚拟节点的个数设定为3或4，每个节点请求的CPU资源占节点资源比例的0.5%到1.0%之间均匀分布，每根虚拟链路请求的带宽在{12.5，25，50，100} Gbps中随机分布。节点连接概率为50%， 75%， 100%。OSPM算法中最大能力为？着=3或？着=5。

从图4中看出，相比DLP算法，OSPM和MSPM在业务阻塞率上均有明显的下降，这是因为DLP方法对每一条工作路径都预留一份专有的保护资源，这不可避免的引起资源的大量占用，从而导致阻塞率增加。同时随着最大共享度的增加，阻塞率减少。图5为三种映射算法在虚拟网请求节点数目为3或4情况下的频谱资源冗余度对比，对于DLP，冗余度在1.67左右固定。对于OSPM和MSPM，由于高的节点连接概率意味着更多的虚拟链路需要被部署，大的共享能力意味着可共享的备份连接子载波数目更多，所以冗余度随着请求网络规模以及最大共享能力的增长而降低。

图6为三种映射算法的资源利用率对比结果。备份子载波的共享能力越小，资源利用率也就越高。其中MSPM资源利用率最低。并且，还可以发现节点连接概率越高的利用率也越高，特别是当业务量很大时。图12描述了有故障发生时的虚拟网路请求的保护成功率。我们可以发现DLP由于专有保护，在任何情况下都是最优的。同时MSPM的回复率最低，特别当故障数目为3时，相比之下降低迅速，为了节约资源可恢复率甚至达到了11.6%的下降趋势。OSPM方案可以得到一定程度的缓解，并且在共享度为3时相比DLP恢复率只是有轻微的减小。

通过以上分析，OSPM方法相对于DLP算法降低了业务阻塞率和资源冗余度，同时相比MSPM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。为了进一步验证提出算法的优化能力，我们提出模糊优化度作为衡量标准（公式-2）。把四个仿真结果作为输入参数，得到模糊优化度如表2。其中，{？籽1-？鬃，？籽2-？渍，？籽3-？酌，？籽4-？浊}，{？兹1，？兹2，？兹3，？兹4= 0.25}。

基于区分最大共享能力的OSPM算法目标是找到一个最优的共享度，得到较权衡的结果。可以看到，当我们四个仿真参数权重因子要求一致时，OSPM算法当？着=3时，分数最低，效果最好。如果我们希望提高保护成功率而不关注资源的浪费，在故障频发场景，OLP方法将是好的选择。如果我仅仅希望降低阻塞，节约频谱，MSPM是最好的选择。但是现实中，我们更多的需要一个更权衡的方式，这时我们提出的算法显然有着明显的优势。

7 结束语

结合频谱灵活光网络的特性和快速发展的光网络对生存性的要求，在链路故障场景中的虚拟网络映射下提出自己的算法，重点解决了多虚拟光网络租户共享同一套光网络资源的场景下，备份资源的最大共享无法对已有虚拟网络业务请求快速恢复的问题。基于最大共享能力的虚拟网络映射算法的研究，采用区分频谱间隙的最大共享能力的方式，克服已有方法的局限性，减少备用资源对故障恢复的约束，增加虚拟网重映射的成功率，提高物理网络资源的利用率。

参考文献

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作者简介：

宋华茂（1976-），男，汉族，安徽歙县人，毕业于河海大学，本科，国网六安供电公司信通公司，经理，高级工程师，从事电力信息通信管理工作；主要研究方向和关注领域：电力信息通信网络安全、运行技术。

马玉玲（1977-），女，汉族，安徽马鞍山人，毕业于上海电力学院，本科，工学学士，国网六安供电公司信通分公司，党支部副书记，政工师，从事电力信息通信管理工作；主要研究方向和关注领域：电力信息通信网络安全、运行技术。

刘梁宝（1974-），男，汉族，安徽六安人，毕业于合肥工业大学，本科，通信运维班长，工程师，从事电力通信设备维护检修和运行管理；主要研究方向和关注领域：电力通信设备和网络安全、运行技术。