宋華茂+++馬玉玲+++劉梁寶

【 摘 要 】 針對支持靈活帶寬數據中心業(yè)務驅動下的光網絡面臨的新需求，研究故障發(fā)生的可能性，針對應用需求場景，建立網絡模型，研究一種基于模糊優(yōu)化度的可區(qū)分最大共享能力的生存性虛擬網絡映射方法。該方法擬采用共享鏈路保護方式，并且區(qū)分頻譜間隙的最大共享能力，克服已有方法的局限性，減少備用資源對故障恢復的約束，增加虛擬網絡重映射的成功率。

【 關鍵詞 】 網絡虛擬化；最大共享能力；生存性；彈性光網絡

【 中圖分類號 】 TP393

【 文獻標識碼 】 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

隨著大數據時代的到來，越來越多的高性能互聯網應用需要通過一個大容量的動態(tài)光網絡來承載，尤其是數據中心業(yè)務。但是傳統(tǒng)光網絡靈活性較差，配置周期較長，難以滿足不同用戶的靈活多變的業(yè)務需求且整體資源利用率較低，彈性光網絡EON光網絡應運而生。

同時，持續(xù)快速增長的光網絡業(yè)務必然導致頻譜靈活光網絡規(guī)?；?、層次化和復雜化的問題產生。因此，如何部署一套高速、高帶寬動態(tài)的光網絡基礎設施用來支撐這些應用，由此網絡虛擬化技術獲得國內外學者的熱衷。網絡虛擬化技術可以屏蔽物理網絡的復雜關系與限制，向用戶提供靈活易于管理的邏輯網絡資源。但是，由于不同租戶共享底層網絡資源，該技術也帶來了嚴重的生存性問題，例如物理單鏈路故障、單節(jié)點故障、區(qū)域性故障（光纖切斷、設備斷電、系統(tǒng)崩潰等）引起的大量租戶業(yè)務不能被提供服務。

因此，本文重點研究基于單鏈路故障場景下虛擬網租戶業(yè)務及資源的部署問題，并提出了一種區(qū)分最大共享能力的虛擬網絡生存性映射策略。仿真驗證，該方法可以對網絡資源進行高效合理的映射分配，提高業(yè)務接受比、降低網絡阻塞率，滿足用戶的需求。

2 相關工作

針對光傳送網所面臨的控制不靈活和資源利用低效等問題，國內外已展開了對軟件定義光網絡的控制理論研究和網絡實驗，其標準化工作以及相關算法的研究已成為重要的研究領域熱點之一。

2.1 數據中心光互聯體系架構

為了能夠解決數據中心內網互聯的種種挑戰(zhàn)，目前采用彈性光網絡的技術來實現數據中心的互聯，彈性光網絡技術的核心思想是根據業(yè)務所需的帶寬來靈活分配大小相符的頻譜資源進行業(yè)務的傳送?；趶椥怨饩W絡的架構，超波長、子波長以及混合傳輸速率的流量模式可以在底層的物理網絡中共存，從而實現了低能耗、高可靠性、高效率的光傳輸通道[1]。為了能夠支持多終端的云平臺以及物理硬件設備的共享，并提高頻譜的利用率，虛擬化技術被越來越多的科研人員所重視。文獻[2]中詳細介紹了一種業(yè)務感知的虛擬數據中心架構，將光網絡的網絡資源和數據中心IT資源的虛擬化結合起來。

2.2 網絡虛擬化技術

隨著網絡虛擬化技術的成熟和光網絡技術優(yōu)勢的明顯，光網絡虛擬化也日漸受到更多學者重視。國內外學者們分別從整體架構、應用場景、算法設計等角度對光網絡虛擬化技術進行了深入研究，推動了光網絡虛擬化的發(fā)展。文獻[3]站在數據中心應用的角度，對光網絡虛擬化技術進行了研究。文獻[4]站在算法的角度，提出了光網絡虛擬化映射的ILP模型和啟發(fā)式算法。由上可見，隨著越來越多的光器件具有可編程能力，光網絡的虛擬化成為了可能。通過光網絡整體架構和映射策略的不斷完善，光網絡虛擬化將很好地支持面向數據中心網絡應用。

2.3 生存性技術

為了提高網絡的可靠度，降低網絡因為故障所遭受的損失，光網絡引入了生存性的概念。光網絡生存性主要分為保護和恢復機制。端到端保護分為專有路徑保護和共享路徑保護，文獻[5]根據鏈路的共享程度將頻譜隙設定相應的費用，用以提高最大共享能力。隨著光網絡規(guī)模的增加，網絡的聯結度增加，保護方式發(fā)展到利用預置保護圈（p-Cycle）[6]、保護球（p-Ball）[7]的保護機制。還有一些學者通過概率的角度對并發(fā)多故障進行研究，把每條光鏈路的故障事件認為是獨立事件，計算端到端路徑的故障概率，并建立了鏈路不相交的主備用路徑的故障概率等于主備用故障概率之積的模型[8]。

3 問題描述

雖然網絡虛擬化技術使得物理設備資源可共享化，但是資源的總數是一定且有限的。在數據中心光網絡互聯場景中，備份資源的有效分配是最關鍵的。

在實際網絡中，一個物理鏈路故障，會尋找它的備份鏈路資源對其進行保護，若保護資源在同一條物理鏈路頻譜間隙中共享，則在該受損物理鏈路同時部署了多個虛擬業(yè)務網請求情況時，至少有一個虛擬網業(yè)務因保護資源被占用而受損。其次，進行一個物理鏈路故障可能導致一個區(qū)域的物理鏈路在相對集中的時間內發(fā)生故障，并且恢復一個物理鏈路需要花費一定時間，在這段時間內，其他鏈路也可能故障。此時，如果先后收到影響的虛擬網絡A和B共享了同一備份資源，則備份資源會用于恢復A，B將因備份資源無效而無法恢復。同時，在頻譜靈活光網絡中，網絡資源的本質，從波長到頻譜轉化。因此對資源的管控變得復雜。在路由選擇和資源分配中，要考慮到兩個約束，波長一致性和頻譜連續(xù)性。因此，鏈路故障場景下，本課題擬提出一種基于模糊優(yōu)化度的可區(qū)分最大共享能力的生存性虛擬網絡映射方法，該方法采用共享鏈路保護方式，并且區(qū)分頻譜間隙（Frequency Slot，FS）的最大共享能力，以減少受損業(yè)務對保護頻譜資源的競爭性。該算法對共享相同的保護頻譜間隙的連接請求數量進行限制，從而提高業(yè)務恢復能力。

4 區(qū)分最大共享能力的虛擬網絡模型

虛擬光子網的映射過程是指在滿足底層物理網絡資源容量約束的前提下，將多個具有不同拓撲結構的虛擬光子網同時映射到共享的基礎架構中，并且保證物理網絡資源以及數據中心服務器的應用資源得到充分的利用。虛擬網絡架構如圖1所示。

頻譜靈活光網絡中的虛擬化動態(tài)映射是一個NP問題，為了更好地描述映射的過程以及虛擬光子網與物理網絡的映射關系，本文將采用表1中的符號。

4.1 優(yōu)化目標

a. 業(yè)務阻塞率？鬃：虛擬網業(yè)務未成功映射的比率；

b. 資源利用率？漬：已分配的節(jié)點鏈路資源總量與總資源數量的比率，（1）式中？琢為權重因子；

c. 資源冗余度？酌：已分配的路由上保護頻譜資源與工作頻譜資源的比重；

d. 保護成功率？濁：故障發(fā)生時，成功恢復的虛擬業(yè)務與受影響的虛擬網絡總數的比重；

e. 模糊優(yōu)化度：

（2）式中？籽代表模糊優(yōu)化度，也可理解為優(yōu)化難度。Fi（i=1，2，3，4）表示阻塞率？鬃，資源利用率？漬， 頻譜冗余度？酌，和成功保護率？濁。低的？鬃和？酌，高的？漬和？酌是我們需要的。Fbest和Fworst表示相對于我們期待的最好的最壞的結果。？駐為不確定因子。N 表示參與評估的參數數量。仿真結果最接近理想值，？籽的值也就越小。（3）式中參數E是最終的權衡分數。參數？茲i為參數間的權重因子。我們設計的方案是為了找到一個恰當的算法得到一個最小的E值。

4.2 模型及變量約束條件

a. 節(jié)點映射

（4）

一個物理節(jié)點最多承載一個虛擬節(jié)點，即不同的兩個虛擬節(jié)點不能映射到同一個物理節(jié)點上。（4）式說明實際映射的物理節(jié)點的空閑資源需要大于等于虛擬節(jié)點請求所需的資源容量，才能夠完成映射。

b. 鏈路映射

（5）

（6）

要確保給任一虛擬光子網請求分配的連續(xù)空閑頻譜段均能夠滿足帶寬需求。式（5）表明映射的物理路由頻域上的可用連續(xù)頻譜段的容量比分配的空閑連續(xù)頻譜段要多。式（6）強調了物理路由頻域上l第kth的起始子載波如果能映射到物理路徑l的fth子載波位置上，必須保證備份子載波數目小于等于該頻譜隙的最大共享能力。

4.3 網絡模型

創(chuàng)新方法同樣區(qū)分了保護頻譜隙的最大共享能力如圖2。假設？著= 5， 則如果一個頻譜隙的保護連接數目超過5，那么與它鄰接的子載波將嘗試分配。另外，不難看出傳統(tǒng)方式的？著為1是一個特例，而最大共享方式也可被理解為其？著沒有限制，甚至為∞。

5 區(qū)分最大共享能力的虛擬網絡生存性映射算法的設計

傳統(tǒng)方法——專有保護映射算法（Dedicated Link Protection，DLP）

每條工作路徑都有一條相應的保護路徑。有算法沒有采用任何優(yōu)化的措施，但是計算復雜度很低，執(zhí)行速度很快，成功恢復率很高。因此，當資源優(yōu)化和保護成功率相比并不是特別重要的時候，可以采用專有保護映射算法。

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

多條虛擬路徑共享一個保護路徑。該方法主要為了節(jié)約頻譜資源，降低業(yè)務阻塞率。但是多個虛擬網絡備份資源的無限共享，會在故障發(fā)生時大大降低業(yè)務的恢復效率。同時相比DLP算法資源利用率也有所下降。

創(chuàng)新方法——優(yōu)化共享映射算法（Optimum Shared Protection Mapping，OSPM）

本文提出了適用于鏈路故障場景下虛擬網絡業(yè)務的資源映射的算法——區(qū)分最大共享能力的虛擬網絡生存性映射算法，并實現應用資源和帶寬資源的協同虛擬化。該方法相對于DLP算法降低了業(yè)務阻塞率和資源冗余度，同時相比MSPM提高了業(yè)務保護成功率和資源利用率，獲得了很好的權衡優(yōu)化效果。OSPM算法可以分為兩個步驟。

節(jié)點映射：每個虛擬節(jié)點在滿足地理位置和交換能力的條件下映射到對應的物理節(jié)點上鏈路映射。當一個虛擬子網請求到達，按所需計算資源的大小逆序排列。然后尋找一組滿足計算資源需求的物理節(jié)點集合，用來作為所選虛擬鏈路兩端的虛擬節(jié)點。映射原則為帶有較大需求的虛擬業(yè)務節(jié)點映射到空閑較大容量的物理光節(jié)點中。在整個過程中，首先考慮的是網絡負載的均衡，這樣可以很好的確保網絡資源的利用率。

鏈路映射：每條虛擬鏈路的映射過程中，在保護FSs資源的分配上不能超出頻譜隙上最大連接數？著的限制。如果保護連接數目超出了該鏈路本身的最大共享度，那么將會嘗試分配與它鄰接的連續(xù)空閑頻譜塊資源。具體算法描述如下：對于每個虛擬鏈路的工作路徑映射，在滿足一定頻譜寬度的條件下，通過采用D算法映射到物理路徑上，并檢測該路徑上每個物理鏈路是否滿足波長一致性和頻譜連續(xù)性。之后，為了提高映射的成功率與簡化算法，采取兩個階段的保護路徑映射過程。在第一階段，在物理拓撲GP上構造輔助結構圖GA。在GA上計算工作路徑PW的保護路徑PB，頻譜資源的分配采取首次命中方法（First Fit，FF）。在1st備份資源分配中，根據保護共享，我們優(yōu)先選擇保護拓撲G中已分配的備份資源進行映射。如果第一階段的映射失敗，第二階段的映射才會啟動。第二階段是在GP上尋找最短路由并進行2nd保護資源分配。在保護拓撲G中，空閑和已占用的子載波將同時被查詢和映射。如果第二階段映射失敗，這意味著沒有一條合法的保護路徑被找到，該虛擬鏈路的映射失敗，從而導致該虛擬網路請求的阻塞。如果第一階段與第二階段之一成功分配，我們就在輔助圖GA中更新路徑（lV→PB）的權重為0，同時更新保護拓撲，G=G ∪PB。同樣的方式一致循環(huán)直到全部虛擬網業(yè)務請求結束。算法流程如圖3所示。

6 仿真與實驗

將本文提出的優(yōu)化共享映射算法與傳統(tǒng)的DLP和OSPM算法比較。仿真中采用14個節(jié)點的NSFNET拓撲。假設每段物理鏈路的容量為5000GHz，子載波的粒度為12.5GHz，每個節(jié)點的CPU容量為2000。虛擬光網絡的業(yè)務請求隨機產生，業(yè)務的到達和故障的到達均服從泊松分布。其中虛擬節(jié)點的個數設定為3或4，每個節(jié)點請求的CPU資源占節(jié)點資源比例的0.5%到1.0%之間均勻分布，每根虛擬鏈路請求的帶寬在{12.5，25，50，100} Gbps中隨機分布。節(jié)點連接概率為50%， 75%， 100%。OSPM算法中最大能力為？著=3或？著=5。

從圖4中看出，相比DLP算法，OSPM和MSPM在業(yè)務阻塞率上均有明顯的下降，這是因為DLP方法對每一條工作路徑都預留一份專有的保護資源，這不可避免的引起資源的大量占用，從而導致阻塞率增加。同時隨著最大共享度的增加，阻塞率減少。圖5為三種映射算法在虛擬網請求節(jié)點數目為3或4情況下的頻譜資源冗余度對比，對于DLP，冗余度在1.67左右固定。對于OSPM和MSPM，由于高的節(jié)點連接概率意味著更多的虛擬鏈路需要被部署，大的共享能力意味著可共享的備份連接子載波數目更多，所以冗余度隨著請求網絡規(guī)模以及最大共享能力的增長而降低。

圖6為三種映射算法的資源利用率對比結果。備份子載波的共享能力越小，資源利用率也就越高。其中MSPM資源利用率最低。并且，還可以發(fā)現節(jié)點連接概率越高的利用率也越高，特別是當業(yè)務量很大時。圖12描述了有故障發(fā)生時的虛擬網路請求的保護成功率。我們可以發(fā)現DLP由于專有保護，在任何情況下都是最優(yōu)的。同時MSPM的回復率最低，特別當故障數目為3時，相比之下降低迅速，為了節(jié)約資源可恢復率甚至達到了11.6%的下降趨勢。OSPM方案可以得到一定程度的緩解，并且在共享度為3時相比DLP恢復率只是有輕微的減小。

通過以上分析，OSPM方法相對于DLP算法降低了業(yè)務阻塞率和資源冗余度，同時相比MSPM提高了業(yè)務保護成功率和資源利用率，獲得了很好的權衡優(yōu)化效果。為了進一步驗證提出算法的優(yōu)化能力，我們提出模糊優(yōu)化度作為衡量標準（公式-2）。把四個仿真結果作為輸入參數，得到模糊優(yōu)化度如表2。其中，{？籽1-？鬃，？籽2-？漬，？籽3-？酌，？籽4-？濁}，{？茲1，？茲2，？茲3，？茲4= 0.25}。

基于區(qū)分最大共享能力的OSPM算法目標是找到一個最優(yōu)的共享度，得到較權衡的結果?？梢钥吹?，當我們四個仿真參數權重因子要求一致時，OSPM算法當？著=3時，分數最低，效果最好。如果我們希望提高保護成功率而不關注資源的浪費，在故障頻發(fā)場景，OLP方法將是好的選擇。如果我僅僅希望降低阻塞，節(jié)約頻譜，MSPM是最好的選擇。但是現實中，我們更多的需要一個更權衡的方式，這時我們提出的算法顯然有著明顯的優(yōu)勢。

7 結束語

結合頻譜靈活光網絡的特性和快速發(fā)展的光網絡對生存性的要求，在鏈路故障場景中的虛擬網絡映射下提出自己的算法，重點解決了多虛擬光網絡租戶共享同一套光網絡資源的場景下，備份資源的最大共享無法對已有虛擬網絡業(yè)務請求快速恢復的問題?；谧畲蠊蚕砟芰Φ奶摂M網絡映射算法的研究，采用區(qū)分頻譜間隙的最大共享能力的方式，克服已有方法的局限性，減少備用資源對故障恢復的約束，增加虛擬網重映射的成功率，提高物理網絡資源的利用率。

參考文獻

[1] 張杰.支持靈活譜利用的超大容量全光網體系結構研究[J].中興通訊技術，17（6）， 2011.

[2] Padhi L，Kartikeya S，Sivalingam K M，et al. Multi-path routing in optical WDM networks： Even versus uneven split bandwidth allocation [C].//2010 International Conference on Signal Processing and Communications （SPCOM）， 2010： 1-5.

[3] Velasco L， Asensio A， Berral J L， et al. Towards a carrier SDN： an example for elastic inter-datacenter connectivity [J]. // Optics express， 2014， 22（1）： 55-61.

[4] Patel A N， Ji P N， Wang T. Qos-aware optical burst switching in Openflow based software-defined optical networks [C]. // 2013 17th International Conference on Optical Network Design and Modeling （ONDM）， 2013： 275-280.

[5] Wang C， Shen G， Sanjay K. Bose，Distance Adaptive Dynamic Routing and Spectrum Allocation in Elastic Optical Networks with Shared Backup Path Protection [J]， Journal of Lightwave Technology， 2015.

[6] F. Ji， X. Chen， W. Lu， J. J. P. C. Rodrigues， and Z. Zhu， Dynamic p-Cycle protection in spectrum-sliced elastic optical networks [J]， J. Lightw Technol.， vol. 32， no. 6， pp. 1190-1199， Mar. 2014.

[7] Ma C， Zhang J， Zhao Y， Yuan J， Shi Y， Huang S， and Gu W. Pre-Configured Ball （p-Ball） Protection Method with Minimizing Backup Links for Dual-Link Failure in Optical Mesh Networks [J]， Communication Letters， 19（3）， 363-366， 2015.

[8] B. Chen， J. Zhang， Y. Zhao， J. P. Jue， J. Liu， S. Huang， and W. Gu， Spectrum-block consumption for shared-path protection with joint failure probability in flexible bandwidth optical networks [J]， Opt. Switch. and Netw.， vol. 13， pp. 49-62， Jul. 2013.

作者簡介：

宋華茂（1976-），男，漢族，安徽歙縣人，畢業(yè)于河海大學，本科，國網六安供電公司信通公司，經理，高級工程師，從事電力信息通信管理工作；主要研究方向和關注領域：電力信息通信網絡安全、運行技術。

馬玉玲（1977-），女，漢族，安徽馬鞍山人，畢業(yè)于上海電力學院，本科，工學學士，國網六安供電公司信通分公司，黨支部副書記，政工師，從事電力信息通信管理工作；主要研究方向和關注領域：電力信息通信網絡安全、運行技術。

劉梁寶（1974-），男，漢族，安徽六安人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，本科，通信運維班長，工程師，從事電力通信設備維護檢修和運行管理；主要研究方向和關注領域：電力通信設備和網絡安全、運行技術。