一种动态需求下节能的虚拟网络映射方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机网络虚拟化技术领域，应用于解决网络虚拟化环境中虚拟网络 映射问题，具体是指一种动态需求下节能的虚拟网络映射方法。
【背景技术】
[0002] 近几年来，网络虚拟化技术，作为未来互联网应用本身所具备的关键特性之一，越 来越受到工业界和学术界的广泛关注。在该技术中，其核屯、思想是将基础设施提供商和服 务提供商两个角色予W解禪：由基础设施提供商管理物理网络，由服务提供商向基础设施 提供商提出租赁虚拟网络的请求，创建个性化应用W提供给终端用户。该虚拟网络请求往 往包含节点需求和链路需求。将此种虚拟网络请求映射到物理网络上的问题，被称为虚拟 网络映射问题。
[0003]虚拟网络映射问题在学术界和工业界引起了广泛的关注。但是，现有的虚拟网络 映射解决方案往往具有W下不足：（1)只关注于提高物理网络映射虚拟网络请求所获得的 收益，而忽略了物理网络的电能问题。然而，据统计，电能开销在网络运营商的运营成本中 的比例已经达到50% (参见参考文献[1 ] :B.Qiun，G.Iannaccone，G.Iannaccone,R.KatZ， G.Lee，andL.Niccol-ini，('Anenergycaseforhybriddatacenters，，'ACMSIGOPS OperatingSystemsReview，vo1.44，no.I,PP.76-80,2010.); (2)往往假设虚拟网络请求 上的节点需求和链路需求是静态的，但实际情况下，这两种需求往往是动态变化的（参见参 考文献[2-6]:参考文献[2]6.511〇，山￥11，1.^，￥.六〇3〇(1，￥.〔31，3〇(1山01，"目邱1〇^打容 onlinevirtualnetworksmappingwithstochasticbandwidthdemandinmultidatacenterPhotonicNetworkCommunications，vol. 23，no. 2，pp. 109-122,2012.参考 文南犬[3]B.HelIer，S.Seetharaman，P.Mahadevan，Y.YiakoumiS，P.Sharma，S.Banerjee,and N.McKeown, "ElasticTree:Savingenergyindatacenternetworks，，，inProceedings of化e7thNSDI.U沈NIXAssociation,2010，pp.249-264?参考文献[4]X.Wang，Y.Yao， X.Wang,K.Lu,andQ.Cao，('Carpo:Correlation-awarepoweroptimizationindata centernetworks，，'inINFOCOM.I邸E,2012，pp. 1125-1133?参考文献[5]L.Wang，F.Zhang, J.A.Aroca，A.V.Vasilakos，K.Zheng，C.Hou，D.Li,andZ.Liu，（'Greendcn:ageneral frameworkforachievingenergyefficiencyindatacenternetworks，，，Selected AreasinCommunications，IEEEJournalon，vol. 32，no.I，pp.4 - 15，2014.参^文南犬[6] M.Wang,X.Meng,andL.Zhang,''Consolidatingvirtualmachineswithdynamic bandwidthdemandindatacenters，，'inINFOCOM.IEEE,2011 ,pp.71-75.) 〇
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种动态需求下节能的虚拟网 络映射方法，在虚拟网络映射的过程中，针对节点需求和链路需求动态变化的虚拟请求，设 计高效的虚拟网络映射方法，W使得在保持物理网络长期运营收益的同时，降化物理网络 的电能开销。
[0005]所述的一种动态需求下节能的虚拟网络映射方法，包括动态虚拟节点映射方法和 动态虚拟链路的映射方法两部分，对于所述的动态虚拟节点的映射方法，具体包括如下步 骤：
[0006]步骤1、设置时间窗的数量为W。
[0007]步骤2、重置每个在虚拟网络Gv中的虚拟节点的有色向量。
[0008]步骤3、依据虚拟节点的CPU计算能力的大小按照非减排序，并将排序后的虚拟节 点放入队列Qv。
[0009]步骤4、将队列Qv中的所有虚拟节点U放入一系列的超级节点中最小化超级节点的 数量，同时不影响颜色和大小的限制。
[0010] 步骤5、依据每个超级节点的CP听十算能力大小按照非减排序，并将排序后的超级 节点放入队列Qs。
[001。 步骤6、对于队列Qs中的每个超级节点SEQs，依据方法1将超级节点映射到物理节 点上。
[0012] 对于所述的动态虚拟链路的映射方法，采用动态需求下的能耗感知的链路映射， 对于每个待映射虚拟链路Iuv，执行W下步骤：
[0013] 步骤1、构建候选物理链路列表P，路径长度<LEN并且该物理链路列表中所有的物 理链路均能满足虚拟链路的映射需求。LEN为虚拟链路映射阶段所映射到的无环物理路径 所能接受的最大的跳数。
[0014] 步骤2、如果物理链路列表P没有物理链路，则结束链路映射。
[0015]步骤3、计算所有在物理链路列表P中候选路径的分值score。
[0016]score(pa) =riilen(pa)巧2NF(pa)巧：3r(luv,pa)，
[0017]其中len(pa)是物理路径的长度，NF(pa)是物理路径上需要新开启的作为转发物 理节点的数量，r(Iuv,pa)是虚拟链路Iuv和映射的物理链路pa的皮尔逊系数，n州2巧3 = 1且 111、112、113均在0到1之间；
[001引步骤4、映射虚拟链路Iuv到分值score最低的物理路径。
[0019]步骤5、虚拟链路映射成功。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] 1、更加充分有效地利用了物理节点的资源。
[0022] 2、开启的物理节点数更少，更加节能。
【附图说明】
[0023]图IA为不同算法下物理网络电能开销；
[0024] 图IB为不同算法下物理网络收益；
[0025]图IC为不同算法下物理网络开启节点数；
[00%]图2为超级节点实例。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 首先对虚拟网络映射问题中设及到的物理网络、虚拟网络和虚拟网络映射=个概 念或定义进行描述：
[0029] (1)物理网络:本发明将物理网络标记为带权无向图Gp=(Np，Lp)，其中Np表示物理 网络中所有物理节点P的集合，Lp表示物理网络中所有物理链路的集合。对于物理节点P，其 可W提供CP听十算能力;对于物理链路，其可W提供带宽能力。
[0030] (2)虚拟网络:本发明将虚拟网络标记为带权无向图Gv=(Nv，Lv)，其中Nv表示所有 虚拟节点U的集合，Lv表示所有虚拟链路Iuv的集合。在每个虚拟节点U上，存在CPU计算能力 需求的约束，用Cu表示;在每个虚拟链路Iuv上，存在带宽能力需求的约束，用Buv表示。根据已 有研究(参见参考文献[2]~[6])，在现实应用中，CP听十算能力的需求和带宽能力的需求往 往是动态变化的，且满足高斯分布，即：C,,~公斯(片,。.，巧^,.)，其中，iiu，〇u分别 表示CPU计算能力需求的约束Cu的均值和方差，iw，〇uv分别表示宽带能力需求的约束Buv的 均值和方差。另外，CPU计算能力的需求和带宽能力的需求往往还满足其它的一定的规律 (参见参考文献[3]~[4]): (I)W天为一个时间单位呈现周期性的变化；（2)在每个时间单 位中，存在波峰和波谷两个时刻；（3)不同虚拟节点或不同虚拟链路的需求的波峰和波谷往 往是不重合的。在本发明的设计过程中，将会利用到上述规律W达到高效节能的目的。由于 虚拟网络可W动态地到达和离开，本发明用ta和te分别表示虚拟网络到达和离开物理网络 的时间。
[0031]注:每个虚拟请求包含一个虚拟网络。
[0032] (3)虚拟网络映射:给定一个虚拟网络的带权无向图Gv和物理网络的带权无向图 Gp，在虚拟网络映射M:Gv一Gp映射中，包含两个映射:Mn和化。
[0033] (3.1)映射Mn是指从集合Nv到集合Np的单射函数。在此单射函数中，对于任意虚拟 节点UENv和物理节点Mn(U)ENp,Mn(U)需要满足W下两个条件：（1)满足虚拟节点U的位置 约束：（2)W-定的概率满足虚拟节点U的CP听十算能力需求，即违反虚拟节点U的CP听十算能 力需求的概率需在给定值〇(〇如<1)W内。Mn(U)为所有物理节点中能够与虚拟节点U映射的 物理节点，即满足要求的物理节点。
[0034] (3.2)映射化表示从集合Lv到集合Pp的单射函数，其中，Pp表示由所有物理链路的 集合Lp组成的无环物理路径的集合。在此单射函数中，对于任意虚拟链路luveLv，Mi(luv)E Pp路径上所有的物理链路都需要W-定的概率满足虚拟链路Iuv的带宽需求，即：违反虚拟 链路Iuv的带宽能力需求的概率同样在给定值a(0<a<l)W内。Mi(Iuv)表示虚拟链路Iuv映射 到的那段物理链路，即满足虚拟链路带宽需求的物理链路所在的物理路径。
[0035] 根据现有的虚拟网络提供平台，本发明采用物理节点能耗和转换能耗两种模型。
[0036] (1)物理节点能耗；
[0037] 由于物理节点的功耗几乎和CPU的负载呈现线性关系（参见参考文献[7]: S.民ivoire，P.民anganathan,andC.Kozyrakis，"Acomparisonofhigh-levelfull-systempowermodels/^inProceedingsofthe2008conferenceonPoweraware