基于云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法研究

李 寧 王俊芳 盧 冀

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊050081)

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和服務(wù)類型的豐富，傳統(tǒng)的采用盡力而為機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)越來越無法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和新型業(yè)務(wù)的發(fā)展需求[1]，因此，研究人員提出了云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方案。云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為一種創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將控制與轉(zhuǎn)發(fā)層面進(jìn)行分離[2]，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺[3]。虛擬化網(wǎng)絡(luò)映射作為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)得到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的青睞，然而虛擬網(wǎng)絡(luò)映射方法尚未見針對云網(wǎng)絡(luò)下控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離機(jī)制的研究成果。

本文研究了云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組成及特點(diǎn),并提出基于云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法，驗(yàn)證同一底層網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行多種業(yè)務(wù)的資源分配和使用情況[4,5]。

2 云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是通過增加額外的計(jì)算資源（CE）處理路由協(xié)議，增強(qiáng)路由控制功能并優(yōu)化路由器對于分組的處理和轉(zhuǎn)發(fā)能力。云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)"平臺"的概念，通過融合計(jì)算資源和存儲資源，云路由器架構(gòu)將形成以交換技術(shù)為核心的系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)，具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力[6,7]，而云路由器在構(gòu)架設(shè)計(jì)和技術(shù)研究的各個方面都體現(xiàn)出了"資源池"的概念。從控制單元（CE）的設(shè)計(jì)來說，云路由器的參考模型都將單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的CE資源抽離并融合，形成集中式的控制單元（例如：云路由器），這種統(tǒng)一的"控制資源池"的思想也體現(xiàn)在以網(wǎng)絡(luò)互連方式引入計(jì)算資源的典型架構(gòu)中；從轉(zhuǎn)發(fā)單元(FE)的設(shè)計(jì)來說，現(xiàn)有"多虛一"技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)將同類交換設(shè)備整合為一臺具有更高容量和交換能力的邏輯設(shè)備。這種資源池化的能力，有效增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能，提高了網(wǎng)絡(luò)對于資源的利用效率。

基于上述特點(diǎn)，提出了云架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)原型，如圖1所示。原型以控制域?yàn)榛締卧M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的劃分，每個控制域包括一臺控制服務(wù)器和多臺瘦路由器。控制服務(wù)器為一個集中式的控制單元（CE）資源池，控制服務(wù)器通過管理接口連接域內(nèi)的所有瘦路由器，瘦路由器主要執(zhí)行數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)的功能(FE)，路由器之間通過轉(zhuǎn)發(fā)接口相互連接形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面。

圖1 云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原型

3 基于云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法模型

基本算法模型是根據(jù)ITU-T所提出的云路由器架構(gòu)抽象基本的資源約束條件，以物理網(wǎng)絡(luò)利用率最大化為優(yōu)化目標(biāo)建立的算法模型[8,9]，因?yàn)樵撍惴Ｐ偷募夹g(shù)要求條件最少，因此具有較大的適應(yīng)性。

(1)節(jié)點(diǎn)約束條件分析

在基本映射算法中，仍然使用傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)映射約束條件，即：映射算法必須保證單一的虛擬節(jié)點(diǎn)只能映射到底層物理網(wǎng)絡(luò)的單一物理節(jié)點(diǎn)上，同一虛擬網(wǎng)絡(luò)的不同虛擬節(jié)點(diǎn)不能映射到同一物理節(jié)點(diǎn)，但不同虛擬網(wǎng)絡(luò)的虛擬節(jié)點(diǎn)可以映射到同一物理節(jié)點(diǎn)。使用表示虛擬節(jié)點(diǎn)集合，使用表示物理節(jié)點(diǎn)集合，使用表示虛擬節(jié)點(diǎn)與物理節(jié)點(diǎn)之間的映射關(guān)系，表示虛擬節(jié)點(diǎn)映射到物理節(jié)點(diǎn)上，則表示虛擬節(jié)點(diǎn)未映射到物理節(jié)點(diǎn)，則上述限制條件可以描述為：

根據(jù)云路由器的參考模型，網(wǎng)絡(luò)控制平面從所有的路由節(jié)點(diǎn)中抽離并部署在集中控制的云路由服務(wù)器上，路由節(jié)點(diǎn)僅維持?jǐn)?shù)據(jù)平面的分組轉(zhuǎn)發(fā)功能。在云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，底層的物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為僅包含轉(zhuǎn)發(fā)（FE）資源的瘦路由器節(jié)點(diǎn)，云路由服務(wù)器節(jié)點(diǎn)為包含管理域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)控制資源（CE）的資源池節(jié)點(diǎn)。此時，單一虛擬節(jié)點(diǎn)的請求包括FE資源請求和CE資源請求兩部分。在云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，要求被映射物理節(jié)點(diǎn)剩余FE資源滿足虛擬節(jié)點(diǎn)FE要求，該虛擬節(jié)點(diǎn)所要求的CE資源從CE資源池中提取，定義為控制域的剩余CE資源，則節(jié)點(diǎn)的資源約束條件可以表示為：

(2)鏈路約束條件分析

在進(jìn)行虛擬鏈路映射時，虛擬節(jié)點(diǎn)之間的連接可能會映射至底層物理網(wǎng)絡(luò)的單一鏈路或者由多條鏈路組成的一條路徑，將這種映射關(guān)系表示為，則物理路徑上所有鏈路的剩余帶寬均應(yīng)滿足虛擬鏈路的帶寬要求，即：

(3)優(yōu)化目標(biāo)分析

為保證底層物理網(wǎng)絡(luò)的資源利用率最大，物理網(wǎng)絡(luò)需要盡可能多的容納虛擬網(wǎng)絡(luò)請求，而當(dāng)物理網(wǎng)絡(luò)的剩余資源量較多時，網(wǎng)絡(luò)對于后續(xù)虛擬請求的接收概率就會相應(yīng)升高。因此，物理資源利用率最大化的目標(biāo)又可以等價為最大化物理資源的剩余量。使用表示網(wǎng)絡(luò)的資源剩余量，其中為節(jié)點(diǎn)資源的集合，為鏈路資源的集合，分別表示節(jié)點(diǎn)資源和鏈路資源的價值轉(zhuǎn)換權(quán)重，則底層物理網(wǎng)絡(luò)的剩余資源量可以定義如下：

綜合上述分析，基于云架構(gòu)虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的基本算法模型建立如下：

在上述模型中，考慮了控制資源約束、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)資源約束和鏈路帶寬約束3個部分。其中，節(jié)點(diǎn)約束保證了單一的虛擬節(jié)點(diǎn)只能映射到底層物理網(wǎng)絡(luò)的單一物理節(jié)點(diǎn)上，同一虛擬網(wǎng)絡(luò)的不同虛擬節(jié)點(diǎn)不能映射到同一物理節(jié)點(diǎn)，但不同虛擬網(wǎng)絡(luò)的虛擬節(jié)點(diǎn)可以映射到同一物理節(jié)點(diǎn)，并且該物理節(jié)點(diǎn)必須滿足虛擬節(jié)點(diǎn)的資源需求，鏈路約束保證虛擬鏈路可以映射到一條或多條滿足其資源需求的物理鏈路。

4 仿真及性能分析

4.1 仿真參數(shù)配置

在仿真中，假設(shè)云網(wǎng)絡(luò)將承載語音、數(shù)據(jù)和視頻3種典型業(yè)務(wù)。由于語音業(yè)務(wù)多為點(diǎn)到點(diǎn)通信，因此該類虛擬請求所申請的建網(wǎng)規(guī)模較小，而其他2種業(yè)務(wù)所申請的建網(wǎng)規(guī)模將大于語音業(yè)務(wù)。仿真依然模擬了小規(guī)模云網(wǎng)絡(luò)和中等規(guī)模云網(wǎng)絡(luò)的虛擬請求映射過程，物理節(jié)點(diǎn)CE資源、FE資源服從VN節(jié)點(diǎn)CE資源、FE資源服從分布，物理鏈路帶寬服從分布，其他參數(shù)配置如表所示，仿真運(yùn)行時長為100個時間窗口，測量的性能參數(shù)具體包括：虛擬網(wǎng)絡(luò)接收率、節(jié)點(diǎn)FE資源利用率、節(jié)點(diǎn)CE資源利用率和鏈路資源利用率。

表1 云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)映射算法評估的仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及性能分析

一個時間窗內(nèi)虛擬網(wǎng)絡(luò)平均到達(dá)個數(shù)由4增加到8時，如圖2中的(a)、(b)和(d)所示。相對于小規(guī)模物理網(wǎng)絡(luò)下的控制資源利用率、轉(zhuǎn)發(fā)資源利用率和鏈路資源利用率,中規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的上述指標(biāo)都有增加的趨勢，其主要原因在于中等規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的虛擬請求接收率有所增加。圖(c)為虛擬網(wǎng)絡(luò)接收率，在100個物理節(jié)點(diǎn)和50個物理節(jié)點(diǎn)2種規(guī)模下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，也可以看出，規(guī)模大的接受率是規(guī)模小的接受率的2倍左右，在小規(guī)模物理中隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)在一個時間窗內(nèi)的平均到達(dá)數(shù)增大，由于物理網(wǎng)絡(luò)的總資源不變，所以虛擬網(wǎng)絡(luò)接收率會降低一些;但虛擬網(wǎng)絡(luò)在一個時間窗內(nèi)的平均到達(dá)個數(shù)不變時，隨著物理網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大虛擬網(wǎng)絡(luò)接收率也會增大，這是因?yàn)橐?guī)模大的物理網(wǎng)絡(luò)擁有更多大的資源可以供虛擬網(wǎng)絡(luò)使用，從而提高了其虛擬網(wǎng)絡(luò)接受率。

(a)控制資源(CE)利用率對比

(b)轉(zhuǎn)發(fā)資源(FE)利用率對比

(c)VN接收率對比

圖2 基于云架構(gòu)的虛擬映射性能對比

5 結(jié)束語

云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型將控制與轉(zhuǎn)發(fā)層面進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)發(fā)的靈活控制，滿足未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。本文在云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下提出了虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法，仿真中模擬了云網(wǎng)絡(luò)承載語音、數(shù)據(jù)和視頻3種典型業(yè)務(wù)的情況，仿真結(jié)果表明，隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)平均到達(dá)個的增加，提出的算法能提高網(wǎng)絡(luò)承載語音、數(shù)據(jù)和視頻3種業(yè)務(wù)時控制資源利用率、轉(zhuǎn)發(fā)資源利用率和鏈路資源利用率。

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