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摘 要 ：网络虚拟化技术是未来网络结构中的重要技术,是在现有物理设施的基础上,对不同资源进行整合,按需提供一 种更为高效、独立的网络业务环境。本文针对网络虚拟化技术中存在的虚拟网络映射问题进行了分析,找到现有虚拟网映射算 法中的不足,提出基于虚拟节点迁移的虚拟网映射优化算法。基于虚拟节点迁移的虚拟网映射算法就是将资源竞争相似的节点 划分为一个组,从而实现虚拟网折射结果全局最优,可以最大化地节省底层网络资源开销,有着更高的接收率与利用率。
关键词 ：虚拟网 ；节点迁移 ；虚拟网映射 ；优化算法
Virtual Network Mapping Optimization Algorithm Based on Virtual Network Node Migration
RUAN Jiashuai, ZHAO Xiaogang
(College of Information Engineering, Zhengzhou Institute of Industrial Application Technology, Xinzheng Henan 451100)
【Abstract】：Network virtualization technology is an important technology in future network architecture, which integrates different resources based on existing physical facilities and provides a more efficient and independent network business environment as needed. This article analyzes the virtual network mapping problem in network virtualization technology, identifies the shortcomings of existing virtual network mapping algorithms, and proposes a virtual network mapping optimization algorithm based on virtual node migration. The virtual network mapping algorithm based on virtual node migration is to divide nodes with similar resource competition into a group, in order to achieve global optimization of virtual network refraction results, which can maximize the savings of underlying network resource costs and have higher reception and utilization rates.
【Key words】：virtual network;node migration;virtual network mapping;optimization algorithm
0 引言
网络虚拟化技术允许在底层网络基础设施上同时运 行多个异构的虚拟网,各个虚拟网络相互独立且并存。 虚拟网映射是网络虚拟化研究的关键,它的主要作用是 处理虚拟网请求映射到底层网络空闲资源上的任务,因 此它的底层拓扑结构是动态变化的。虚拟网节点迁移技 术可以根据迁移触发的原因,动态调整虚拟网络在物理 网络上的映射关系,运营商可以根据实际情况来对物理 资源和流量进行规划管理,提高设施和流量的利用率。
1 网络虚拟化与虚拟网络映射技术概述
1.1 网络虚拟化
网络虚拟化 (Network Virtualization, NV) 是底层 物理网络和用户之间增加的一个抽象层,利用该层分割物理网络资源并提供虚拟网络。每一个虚拟网络相互独 立,都可以独自部署管理自己的网络,网络虚拟化概念 的出现丰富了网络结构,可以更好地应对网络僵化的主 要问题。然而,这个概念体系庞大,涉及到社会的多个 领域,人们对于它的认知并不多,这就需要对其进行高 度关注。如何保证在虚拟网正常运行过程中,合理分配 虚拟网资源,提高物理网络资源利用率,成为当前的研 究热点。
1.2 虚拟网络映射技术
虚拟网络映射技术是构建虚拟网的重要技术,它的 关键是解决虚拟网络请求映射到基础设施网络上。具体 的工作流程就是将基础设施网络中的物理节点和物理路 径作为虚拟节点和虚拟链路的依托,然后满足虚拟网络请求中对容量、位置等资源的约束。映射算法可以对需 求与资源进行匹配,从而将最佳的网络资源分配方案进 行嵌入。网络虚拟化环境中的资源分配方式有很多,而带 有资源约束的虚拟网映射问题就成为学者讨论的重点 [1]。
2 虚拟网络映射模型及问题分析
2.1 虚拟网络映射模型
虚拟网络映射就是在满足资源约束的前提下,将多 个虚拟网络拓扑图嵌入到底层物理网络拓扑图的过程。 如图 1 所示为虚拟网映射例图。
可以将底层物理网络拓扑建模成加权无向图 GS(NS,ES), nS ∈ NS ，eS ∈ ES ；将底层虚拟网络拓扑建 模成加权无向图 GV(NV,EV), nV ∈ NV ，eV ∈ EV。
NS 表示底层节点集合, ES 表示底层链路集合,每 个节点 nS 使用的 CPU 资源总数用 CPU(nS) 表示。每条 链路 eS 使用的宽带容量用 BW(eS) 表示。 NV 表示虚拟网 络请求中的结点集合, EV 表示虚拟网络请求中的链路集 合,每个虚拟结点 nV 请求 CPU 计算资源用 CPU(nV), 每条虚拟链路 eV 的请求宽带资源用 bw(eV) 表示。可以 根据如式（1）、式（2）所示的计算公式,可以得出每 个底层结点 nS 使用资源的剩余容量 RN(nS) 以及每个底 层宽带剩余容量 RE (eS)。
nv → ns 表示的是虚拟结点 nv 映射到底层结点 ns 上, 并按照虚拟节点请求来分配底层结点资源 ；ev → es 表示 虚拟链路 ev 映射到底层路径中包含底层链路 es[2]。
2.2 虚拟网络映射的影响因素
虚拟网络映射的定义很简单, 一般来说就是利用有 限的资源进行高效的虚拟网络底层映射,使其满足更多 的约束条件。影响虚拟网络映射的因素有四点 ：（1）虚 拟网络请求节点和链路约束,虚拟网络映射受到特定物 理资源,比如, CPU、节点地理位置的约束,还有带宽、传输时延等方面的约束。就算是同一个请求,不同的网 络环境下,要求也各不相同。（2）接入控制,接入控制 是为底层网络预留映射的节点和链路,网络请求却有很 多,要将这些网络请求全部映射到底层网络中是不现实 的,这就需要对其进行接入控制,预留出底层有限的资 源,先执行高优先级的请求,其他的放入等待队列中。 （3）在线请求,请求信息是随机不可控的,比如虚拟网 络到来的时间、离开的时间、在网络中的生存时间以及 请求资源占用空间等都不可控,这就使得虚拟网络映射 很难实现不确定虚拟网络请求的最优资源分配。（4）拓 扑多样性,现阶段的网络环境庞大而又复杂,拓扑结构 也是多元化,不同的拓扑结构需要设计不同的算法,因 此,没有一个算法能适用于任意形式的拓扑结构,这就 给虚拟网络映射算法提出了挑战。
2.3 虚拟网络映射的求解目标
虚拟网络映射的目的是为了实现资源使用效率最大 化、收益最大化,即映射虚拟网络数量最多、成本最 小、负载均衡、收益最大。假定虚拟网络请求源源不断 到达,如何在固定的底层网络中处理最多数量的虚拟网 络,就是实现映射虚拟网络数量最多目标 ；成本最小就 是使用最少的物理底层设施去完成虚拟网络请求映射, 这就保证了虚拟网络请求映射的时候花费的成本最小 ； 负载均衡的依据是木桶效应,在映射的过程中,映射是 否能够顺利完成取决于资源最少的那个 ；收益最大化指 的是基础设施供应商在分配资源给服务供应商完成虚拟 网映射过程中,服务供应商要向基础设施供应商支付费 用,基础设施供应商在分配资源的时候,要保证自己收 益最大化目标 [3]。
3 基于虚拟网节点迁移的虚拟网映射优化算法
3.1 算法设计思想
虚拟网节点迁移是网络虚拟化的重要技术,通过虚 拟网节点迁移技术,可以动态调整网络上的映射关系, 运营商也可以根据实际需求动态规划物理资源和流量管理,根据物理网络状态变化,提高虚拟网络节点部署的 动态性,能够达到降低无效物理损耗、提高物理设施资 源利用率的目的 [4]。虚拟网节点迁移的原因有内外部两 个,外部因素主要是业务需求发生变化时,新的虚拟网 络无法满足这种变化,请求到达时,现有的物理网络中 物理设施利用率高,不能满足需求网络的映射需求,这 就需要重新规划虚拟网络的映射情况,保证空闲的物理 网络资源达到新虚拟网络请求,合理化物理网络资源利 用率。内部因素有系统突发性宕机引发的虚拟网节点迁 移,链路损坏引发的虚拟网链路迁移,设备升级引起的 迁移以及负载均衡引发的虚拟网迁移。现有技术中,当 物理节点需要进行迁移时,首先要获取该节点的虚拟节 点,然后在原有的物理节点的附近寻找新的物理节点, 并在源物理节点和新物理节点之间建立虚拟链路,进行 节点迁移。这种迁移方式没有考虑到节点资源的占用 率,如果占用率很大,就会导致迁移失败,如果资源占 用率很小,就会导致资源分配不均,影响网络运营效 率。为了合理、有效地对虚拟网络进行迁移,提出基于 虚拟节点迁移的虚拟网映射优化算法,即网络划分算 法。网络划分算法,顾名思义就是有效划分多个虚拟请 求组成的虚拟网络,保证同一个组内节点竞争最大化, 实现优化全局映射节点地目的。在划分完毕后,还需要 对这些组的节点和链路进行独立迁移 [5]。
3.2 网络划分算法模型
在使用网络划分算法来划分虚拟网络的时候,首先要将其抽象为模型,假设模型为
, Giv表示划分后的第 i 组, i 是一个不小于 1,不大于网络划 分总组数的一个常量。Niv 表示第 i 组的节点集合, Liv 表示第 i 组中的链路集合。用 wmn 表示 m、n 两个虚拟 节点的权值,划分在同一组内的权值都比较小,如果权 值较大,就不会被划分在同一个组内。网络划分算法过 程如下所示 ：
3.3 网络划分算法的数学计算
节点和链路使用的是线性计算,使用网络迁移算法 来计算节点迁移和链路迁移的时间开销,用 n 表示虚拟 节点个数,用 m 表示物理节点个数, a ≥ 1, N 表示线 性变量的个数, O(Na) 表示迁移时间复杂度, T(n) 表示 划分算法时间复杂度,其计算算法如下 ：
4 算法仿真模拟
使用 GT-ITM 拓扑生成器来进行仿真模拟,用拓扑 生成器随机生成 100×100 规模的底层物理网络节点。物理节点的资源数和物理链路资源数是随机的, 一般来 说不超过 100,不小于 50。生成器所生成的虚拟请求按 照柏松分布进行,每两个相邻的虚拟请求到达时间的平 均间隔都是一定的,虚拟请求的节点个数在 2 ～ 10 之 间,随机生成,虚拟请求节点的 CPU 资源数在 1 ～ 20 之间随机生成,虚拟链路宽带资源数在 1 ～ 50 之间, 在算法的实现过程中,需要解决节点和链路映射问题, 这就可以借助线性规划库 GUN 线性规划工具集来进 行操作 [6]。根据实际运行结果可以看出,划分组数在 3 ～ 6 之间,虚拟请求节点个数不超过 50,算法复杂度 变化不大,因此,网络划分迁移算法与整体迁移不划分 算法相比有着明显的优势,需要迁移的总数越多,划分 迁移算法的优势越发明显。
5 总结
综上所述,网络虚拟化是未来计算机网络体系结构 的发展方向,资源分配作为网络发展的核心,成为网络 体系结构研究的关键。本文提出基于虚拟节点迁移的虚 拟网映射优化算法,节省底层资源开销,保证算法有着更高的接收率与收益。
参考文献
[1] 王志明,汪斌强,王保进.基于拓扑影响度和回溯迁移的虚 拟网可靠性映射方案[J].电子与信息学报,2012,34(12):2898- 2904.
[2] 郭贺彬.基于虚拟网节点迁移的虚拟网映射优化算法[J].计 算机科学,2014,41(B11):224-227.
[3] 任新新.基于结构优化的虚拟网映射算法研究[D].济南:山东 师范大学,2015.
[4] 张琦佳.虚拟网络映射模型及优化算法研究[D].济南:山东大 学,2018.
[5] 刘祥宇.基于注意力机制和强化学习策略的虚拟网络嵌入算 法[J].信息与电脑(理论版),2022(3):55-58.
[6] 郑伟军,徐宏,王征,等.基于电力业务时延敏感度和服务可 靠性的虚拟网络映射方法[J].南京邮电大学学报(自然科学版), 2021(6):10-17.
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