带有区分保护的虚拟化FiWi网络可靠传输机制

2019-03-28王汝言高毅爽陈霄

通信学报 2019年3期

王汝言，高毅爽，陈霄

王汝言1,2，高毅爽1,2，陈霄1,2

（1. 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065；2. 重庆邮电大学光通信与网络重点实验室，重庆 400065）

针对用户对网络服务的差异化可靠性需求，提出一种带有区分保护的虚拟化光无线融合网络可靠传输机制。以用户需求的保护质量及所能够支付的费用作为条件，通过恢复概率进行多等级保护质量的量化，灵活地分配备份保护资源；利用等级服务区分算法筛选满足业务保护质量等级的保护路径，降低业务阻塞以及不受保护的业务数量，提高业务保护质量。结果表明所提机制在平均收益开销比和底层网络资源开销等指标上具有较高优势，在满足用户可靠性需求的同时，能够为用户提供更灵活的虚拟网络数据传输。

光无线融合网络；网络虚拟化；可靠性；区分保护

1 引言

随着用户对高速数据和多媒体业务的需求日益增长，传统无线接入方式已无法满足用户不断增长的带宽需求，移动互联网、物联网等业务的迅速普及导致高容量的光纤接入方式无法保障接入的灵活性[1]。低成本、高带宽的光网络与高移动性、高灵活性的无线网络的有效结合为下一代接入网提供了合理可行的解决方案[2]。光无线（FiWi，fiber-wireless）融合接入网由前端无线网状网（WMN，wireless mesh network）和后端无源光网络（PON，passive optical network）组成[3]，具有PON的高带宽、低损耗、传输稳定和WMN的易部署、支持移动性等优点，能够以更加灵活的方式为用户提供更高质量的接入服务。然而，随着用户规模不断扩大，不同用户的身份背景、使用目的和经济状况不同，用户对网络服务的使用，尤其是服务可靠性保护方面呈现差异化的需求[4]。

根据文献[5]中对用户需求差异化的定义，可将网络中的用户分为3类。第一类用户对业务的实时性要求较高，需要服务提供商（SP，service provider）提供高质量的服务保护，同时愿意支付相应的报酬作为交换。第二类用户对业务实时性要求相对较低，在保证数据正确传输的情况下，可以接受一定的服务延迟。因此对服务的保护质量（QoP，quality of protection）没有第一类用户高，同时希望降低一定的支付费用。第三类用户由于业务不重要或经济不允许等原因，不想支付保护费用，且愿意忍受服务的数据损坏或中断。对于这3类用户的不同需求，SP如何将其同时映射到融合网络中，并为其分配合理的网络资源来满足不同用户的不同需求，成为FiWi融合接入网络可靠传输的一大研究热点。

网络虚拟化技术将数据传输功能和控制功能解耦合，使多个相互独立的虚拟网络可共存于相同基础设施，因此，利用虚拟化技术可在FiWi网络中将多等级业务映射在不同虚拟网络中，实现有效隔离。同时，利用网络虚拟化高效的资源分配机制，可以在保证服务质量的前提下，实现底层资源的最优化使用。网络虚拟化中虚拟网络映射问题是网络虚拟化技术实现的一个关键步骤[6]。目前，虚拟网络可靠映射方法通常是基于冗余资源的保护。文献[7]提出了一种全备份保护方法，通过对链路采用全备份保护，使网络可靠性得到了保障。文献[8]提出了一种备份资源池共享机制，通过备份资源共享实现保障网络可靠，同时减少备份资源占用。文献[9]以最小资源消耗为目标提出一种节点和链路迁移与重映射算法。通过将故障节点和链路进行重映射保障网络的可靠性。以上机制在一定程度上提高了业务传输的可靠性，不足之处在于所提方案并未对业务进行区分，没有考虑到实际场景中不同业务间的差异性及对可靠性的不同要求。从充分利用网络可用资源的角度出发，文献[10]提出了QoP的概念，通过参数形式表示网络故障时业务需要提供的保护资源比例，然而其仅考虑了带宽约束，而虚拟网映射需要考虑节点和链路双重约束。文献[11]在虚拟网络基础上提出了区分业务等级的QoP，但只是将业务保护按比例进行区分，并没有对业务进行有效的划分。

目前，FiWi网络中的可靠传输机制主要依赖业务无差别的设备级备份方式，或从服务等级区分的角度考虑业务级的可靠传输，但服务等级区分相对粗糙，造成因备份资源分配不合理而导致的资源浪费问题。因此，FiWi网络中的传统可靠传输机制并不适用于虚拟化FiWi网络中，其主要原因在于，传统可靠传输机制无法利用虚拟化的资源集中管理优势对拓扑路径和节点资源进行最优分配，虽然生存性得到保障，但使备份资源在主链路无故障的情况下长期处于闲置状态，降低了资源利用率。

为解决以上问题，本文提出一种带有区分保护的虚拟化FiWi融合网络可靠传输机制。首先，根据用户需求的QoP及能够支付的费用，设计出基于恢复概率的灵活区分保护的策略。然后，提出一种灵活等级服务区分算法（FLSDA，flexible level service differentiated algorithm）选择满足业务QoP需求的保护路径，所提算法利用广度优先搜索树寻找映射节点。最后，利用带有灵活QoP策略的遗传算法求解链路映射方案，进而完成保护路径映射，最小化网络开销，为用户提供更灵活的虚拟网络故障恢复方案。

2 问题描述与网络模型

2.1 业务保护等级划分

近年来，针对链路故障的共享备份保护方案中，大多是针对全网业务提高资源利用率、网络可靠性的方案，忽略了业务多样性所引发的服务质量需求差异化问题。随着业务种类的增多，业务优先级的划分也成为一种必然的趋势。然而，目前针对业务优先级的划分大多将实时要求较高的语音、视频等业务定义为非弹性服务，设置为较高的优先级，将对时延不敏感的WWW/E-mail等业务定义为弹性服务，设置为较低优先级[12]，很少从用户角度根据所愿意支付的费用和对保护质量的需求对业务实现有效的区分保护。针对以上问题，本文从用户角度出发，利用网络虚拟化全局视角和资源集中管理的优势，根据业务要求的QoP，灵活地为业务提供不同等级的恢复概率，减小统一备份方案与差异化业务不适配造成的资源浪费。所提方案中首先利用多路径在WMN中并行传输业务数据，并将业务数据在光网络单元（ONU，optical network unit）处进行汇聚；其次，利用光域的高带宽及高可靠性，在PON侧进行单链路传输。WMN中主路径采用多路径传输，备份路径在考虑用户需求的QoP及所能够支付的费用的前提下，通过恢复概率进行多等级保护质量的量化，更加灵活地为其分配备份保护资源。所提策略的QoP等级通过传输链路的平均可恢复概率确定，不同业务的QoP方案如下。

通过以上灵活的等级划分，服务提供商可根据用户需求更加有效地分配保护资源，达到提高网络资源利用率进而提高收益的目的。

2.2 网络模型

FiWi网络虚拟化的过程就是将网络中的物理资源抽象成虚拟资源的过程，通过抽象物理节点和链路ID、位置、功能属性、非功能属性等资源，屏蔽FiWi网络中光域和无线域拓扑结构、链路带宽等网络性能的差异。图1为融合网络虚拟化的整体架构。为了屏蔽光域和无线域网络的异构性，本节将虚拟化FiWi分为3层：基础设施层（InF, infrastructure）、虚拟化管理层（VM, virtual manager）以及网络服务层（SP, service provider）。该模型把基础设施层中PON和WMN的物理资源抽象成虚拟资源，形成虚拟资源层，以便虚拟资源管理器（VRM，virtual resource manager）将抽象化的资源集中化管理。这些抽象的虚拟资源继承了底层设备的物理属性，包括带宽、容量、存储空间等资源。在虚拟化管理层，VRM根据服务提供商的虚拟请求对虚拟资源进行分配。SP在虚拟网络上为用户提供个性化的网络服务，用户需求的业务完成后，VRM释放该VN占用的网络资源，等待SP的再一次虚拟资源请求，进而完成FiWi网络的虚拟化。

图1 融合网络虚拟化模型

本文以满足业务不同QoP保护需求为目标，对区分QoP的虚拟网络映射问题进行混合规划建模。首先对虚拟网络请求及底层物理网络的模型和文中所用的符号、变量进行说明，如表1所示。

表1 符号及变量说明

由于虚拟网络共享底层物理网络，不同保护等级的业务对应的虚拟节点映射在同一个物理节点上，因此，物理节点剩余处理能力为该节点总处理能力与已经映射到该节点上的业务占用的处理能力之差，如式(2)所示。

进而，物理链路的可用带宽表示为

SP负责接收业务请求，当有业务到达时，SP根据业务特点及QoP需求生成面向虚拟化管理层的虚拟网络资源请求，虚拟网管理层根据虚拟网请求组建虚拟网络，然后将组建好的虚拟网络反馈给SP。最后，通过开放的编程接口将虚拟网络映射到物理网络进行传输。

3 带有区分保护的传输机制

3.1 路径QoP等级量化

本文在WMN中利用网状拓扑结构进行多路径传输，因此链路状态互相独立，由此可知，业务可恢复概率为各链路可恢复概率的期望值，如式(8)所示。

3.2 目标函数

3.3 基于路径恢复概率的QoP策略

对于规模较大的虚拟化FiWi网络，本文提出一种灵活的服务等级区分算法用于业务可靠传输。该算法通过构建广度优先搜索树[13]寻找映射节点，通过遗传算法寻找链路映射方案，给定底层物理网络拓扑和带有QoP保护需求的虚拟网络映射。当网络故障发生时，所提策略要能够保障不同用户的QoP需求，同时最小化网络开销。

算法1 多路径映射策略伪代码

10) end for

11) end for

15) end if

17) end for

20) end function

由于遗传算法采用种群搜索，可实现信息交互、全局解空间搜索，更符合网络虚拟化的全局化管理方式，并且，遗传算法中只考虑输入输出关系的黑箱式操作可简化虚拟网映射关系复杂度。本文利用遗传算法选择备份路径，提供满足业务QoP需求的备份资源，保证业务传输的可靠性。根据遗传算法的执行流程和业务区分保护设计映射的求解要求，本文通过如下步骤来实现算法得出优化方案。

1) 编码模式

2) 创建初始群体

图2 染色体结构

3) 确定适应值函数

4) 遗传操作

遗传操作的意义是通过遗传法则随机地改变群体中的个体，进而在可行解得范围中尽快地搜索到问题的最优解[16]。

图3 备份路径选择过程

本文所提算法FLSDA的区分QoP的备份链路映射策略的伪代码如算法2所示。

算法2 区分QoP备份链路选择策略伪代码

4) while stop condition do not meet do

10) else

14) else

16) end if

17) end if

19) end for

27) else

30) else

33) end if

34) end if

35) end if

36) end for

39) end while

3.4 算法复杂度分析

本文所提灵活等级服务区分算法主要由多路径映射及区分QoP备份链路选择算法组成，下面对算法复杂度进行具体分析。

在多路径映射过程中，首先，在节点分配过程中使用广度优先搜索算法，其算法时间复杂度为(+)，其中，为物理节点的数量，为节点间链路数量。根据处理能力将虚拟节点和物理节点进行模糊匹配，经典模糊匹配的最优时间复杂度为(lb)。因此，节点选择过程的整体时间复杂度为(lb)。其次，在链路映射过程中，使用计算最小开销的方法寻找满足条件的路径集合，经过分析可知，最其整体时间复杂度为((lb))。根据上述分析，可得本文多路径映射算法的整体时间复杂度为((lb) ((lb)))。

综上所述，本文所提灵活等级服务区分算法复杂度的最高指数形式为常值，即为多项式时间。

4 数值结果分析

网络拓扑由GT-ITM工具随机产生[19]，本文的主要仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数设置

4.1 不同QoP等级的网络资源开销

为验证本文所提算法FLSDA的性能，首先对FLSDA的网络资源开销进行验证。考虑到节点处理能力远远大于虚拟节点请求，且节点失效的概率较小，本文仿真中的网络资源开销以链路带宽资源开销为依据进行验证。在不同网络请求量U下，网络资源开销与QoP等级的关系如图4所示。可以看出当U一定时，随着QoP等级的增大，网络资源开销也随之增大。这是因为当QoP等级相同时，随着请求数量的增大网络拥塞导致故障的概率也会增大，因此需要更多的备份资源；QoP等级增大，备份资源的比例随之增大，因此带宽开销随之增大。

图4 不同QoP等级的网络资源开销

4.2 不同算法的网络资源开销

图5 不同算法的网络资源开销

4.3 虚拟网络故障修复率

图6 虚拟网络故障修复率

4.4 虚拟网络请求接受率

采用备份路径构造传输算法能够使虚拟网络获得较高的故障修复率，但由于备份资源占用了大量的网络可用资源，导致用于传输业务的网络资源减少。图7是3种算法的虚拟网络请求接受率对比。由图可知FLSDA的网络请求接受率相比PBPA平均高出7%，相比FBPA平均高出16%。这是因为FBPA采用全备份保护，由图5的网络资源开销可以看出对于相同的网络请求，FBPA需要的网络资源最多，因此，其接受率最小。相比于PBPA，FLSDA采用多路径传输，能更充分地利用网络可用资源，因此其网络请求接受率最大。

图7 虚拟网络请求接受率

4.5 平均收益开销比

为了分析算法的网络效益，本文分别对3种算法的收益开销比进行仿真分析，其中收益指用户所支付的费用，表示为

开销指网络分配给用户网络资源的开销，表示为

图8 平均收益开销比

5 结束语

本文针对网络用户不同QoP需求的网络虚拟化映射问题进行了研究，提出一种带有区分保护的FiWi网络可靠传输机制，并设计了一种基于恢复概率区分QoP的启发式算法对该问题进行求解。算法根据网络的可恢复概率定义链路的QoP等级，然后依据用户需求的QoP及所能够支付的费用，通过遗传算法为其灵活地分配备份保护资源。实验结果表明算法在平均收益开销比和底层网络资源开销等指标上具有较高优势，从而在满足用户QoP需求，提高网络资源利用率的同时，为用户提供更灵活的虚拟网络数据传输。

[1] WU D P, YAN J J, WANG H G. Social attribute aware incentive mechanism for device-to-device video distribution[J]. IEEE Transaction on Multimedia, 2017, 19(8): 1908-1920.

[2] 王汝言, 周超, 吴大鹏,等. 自适应延迟感知的光无线混合宽带接入网节能机制[J]. 上海交通大学学报, 2017, 51(1):105-112.WANG R Y, ZHOU C, WU D P, et al. Adaptive energy saving mechanism with delay aware in hybrid optical-wireless broadband access networks[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2017, 51(1):105-112.

[3] BEYRANVAND H, LIM W, MAIER M, et al. Backhaul-aware user association in FiWi enhanced LTE-a heterogeneous networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(6):2992-3003.

[4] WU D P, ZHANG H P, WANG H G, et al. Quality of protection (QoP)-driven data forwarding for intermittently connected wireless networks[J]. IEEE Wireless Communication, 2015, 22(4): 66-73.

[5] CHOWDHURY S R, AHMED R, KHAN M M A, et al. Dedicated protection for survivable virtual network embedding[J]. IEEE Transactions on Network & Service Management, 2016, PP(99):1.

[6] LIU J, GUO H, NISHIYAMA H, et al. New perspectives on future smart FiWi networks: scalability, reliability, and energy efficiency[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 18(2):1045-1072.

[7] RAHMAN M R, BOUTABA R. SVNE: survivable virtual network embedding algorithms for network virtualization[J]. IEEE Transactions on Network & Service Management, 2013, 10(2):105-118.

[8] YEOW W L, WESTPHAL C, KOZAT U C. Designing and embedding reliable virtual infrastructures[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2011, 41(2):57-64.

[9] CAI Z, LIU F, XIAO N, et al. Virtual network embedding for evolving networks[C]// Global Telecommunications Conference. IEEE, 2010:1-5.

[10] SASAKI G H. Quality of protection (QoP): a quantitative unifying paradigm to protection service grades[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2001, 3(10):12-23.

[11] 刘光远, 双锴, 苏森. 区分服务QoP的可生存虚拟网络映射算法研究[J]. 通信学报, 2013, 34(12):79-83. LIU G Y, SHUANG K, SU S. Survivable virtual network mapping with differentiated services QoP[J]. Journal on Communications, 2013, 34(12): 79-83.

[12] PUTRA E H, HIDAVAT R, WIDYAWAN, et al. Cross-layer design of wireless multimedia sensor network based on IEEE 802.11e EDCA and H.264/SVC[C]// International Conference on Science in Information Technology. IEEE, 2015:67-72.

[13] FU M, HE M, LE Z, et al. Performance evaluation of the survivability schemes in WOBAN: a quality of recovery (QoR) method[J]. International Journal of Communication Systems, 2015, 28(5):818-841.

[14] KHAN M M A, SHAHRIAR N, AHMED R, et al. Multi-path link embedding for survivability in virtual networks[J]. IEEE Transactions on Network & Service Management, 2016, 13(2):253-266.

[15] AURZADA F, LEVESQUE M, MAIER M, et al. FiWi access networks based on next-generation PON and gigabit-class WLAN technologies: a capacity and delay analysis[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2014, 22(4):1176-1189.

[16] SEBBAH S, JAUMARD B. Differentiated quality-of-recovery in survivable optical mesh networks using p -structures[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2012, 20(3):798-810.

[17] RAHMAN M R, AIB I, BOUTABA R. Survivable virtual network embedding[C]//International Conference on NETWORKING. IFIP 2014: 40-52.

[18] AYOUBI S, CHEN Y, ASSI C. Towards promoting backup-sharing in survivable virtual network design[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2016, 24(5):3218-3231.

[19] NANDI S K. Topology generators for software defined network testing[C]// International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques. IEEE, 2016:2984-2989.

Reliable transmission mechanism with differentiated protection in virtualized fiber-wireless access network

WANG Ruyan1,2, GAO Yishuang1,2, CHEN Xiao1,2

1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China 2. Key Laboratory of Optical Communication and Network, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

In view ofthe different reliability requirements of network service, a reliable transmission mechanism with differentiated protection was proposed in virtualized fiber-wireless access network. The quality of protection required by users and the fees that can be paid were used as a prerequisite. The backup protection resources were flexibly allocated by quantifying the multi-level protection quality with the probability of recovery. Then, for reducing traffic congestion and the unprotected services, the level service differentiation algorithm was used to choose protection link which was satisfied with the level of protection quality. The results show the proposed mechanism has more advantages in terms of long-term benefit-to-cost ratio and underlying network resource overhead, and provides users with a more flexible virtual network transmission while satisfying users’ reliability requirements.

integrated fiber-wireless access network, network virtualization, reliability, differentiated protection

TP393

10.11959/j.issn.1000−436x.2019069

2018−08−28；

2019−02−22

国家自然科学基金资助项目（No.61771082）；重庆市高校创新团队建设计划基金资助项目（No.CXTDX201601020）

The National Natural Science Foundation of China (No.61771082), Chongqing Funded Project of Chongqing University Innovation Team Construction (No.CXTDX201601020)

王汝言（1969−），男，湖北浠水人，博士，重庆邮电大学教授、博士生导师，主要研究方向为泛在网络多媒体信息处理等。