劉世棟，王攀

（1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

基于SDN的多域光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)

劉世棟1，王攀2

（1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的信息流量開始急速增長，光網(wǎng)絡(luò)不僅需要大容量和長距離的傳輸，還需要?jiǎng)討B(tài)和靈活的管控，傳統(tǒng)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的通信模式很難滿足這一需求。 同時(shí)，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)訪問，需要擴(kuò)展性極強(qiáng)的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)面向數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的多域光網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于SDN 的跨域光網(wǎng)絡(luò)虛擬化服務(wù)的資源權(quán)衡策略。 實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行高效合理的映射分配，提高業(yè)務(wù)接受比、降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，滿足用戶的需求。

虛擬化光網(wǎng)絡(luò)；資源分配算法；OpenFlow 協(xié)議；基于 SDN 的光網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不同類型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源交織疊加在一起，形成了異構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境，加劇了全網(wǎng)業(yè)務(wù)控制與資源管理的實(shí)現(xiàn)難度。軟件定義光 網(wǎng) 絡(luò) （software defined optical network，SDON ）能 夠 統(tǒng) 一調(diào)度和控制各種光層資源，滿足業(yè)務(wù)多樣化、復(fù)雜化的需 求 ，實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 光 網(wǎng) 絡(luò) 智 能 化 的 延 伸 與 增 強(qiáng)［1］。 同 時(shí) ，流 量的急速增長，對(duì)未來光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展會(huì)造成一定的限制與約束，由于部署的光纖和終端非常昂貴，如何提高現(xiàn)有資源的利用率變得十分關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可以解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僵化問題，使得物理設(shè)備資源可共享化，是應(yīng)對(duì) 互 聯(lián) 網(wǎng) 爆 發(fā) 式 發(fā) 展 的 有 效 途 徑［2］。隨 著 云 計(jì) 算 、大 數(shù) 據(jù)的爆炸式出現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)以及計(jì)算資源作為大數(shù)據(jù) 的 最 終載體，已成為數(shù)據(jù)中心 IT 資源的基礎(chǔ)架構(gòu)。而隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，集中式存儲(chǔ)已不再是數(shù)據(jù)中心的主流架構(gòu)。海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)訪問，需要擴(kuò)展性、伸縮性極強(qiáng)的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因此，基于 SDN 的多域光網(wǎng)絡(luò)虛擬化 技 術(shù) 的 理 論 研 究 與 實(shí) 踐［3］，是 十 分 重 要 且 必 要 的 。

本文提出了針對(duì)虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射的資源權(quán)衡策略，并基于軟件定義的多域頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，植入了業(yè)務(wù)模型，完成了業(yè)務(wù)模型和分配算法的仿真。與傳統(tǒng)的隨機(jī)路由算法、負(fù)載均衡算法相比，本文算法有效降低了網(wǎng)絡(luò)阻塞率，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

2 相關(guān)工作

針對(duì)光傳送網(wǎng)所面臨的控制不靈活和資源利用低效等問題，國內(nèi)外已展開對(duì)軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的控制理論研究和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，其標(biāo)準(zhǔn)化工作以及相關(guān)算法的研究已成為重要的研究領(lǐng)域熱點(diǎn)之一。

（1）OpenFlow 協(xié)議擴(kuò)展

軟件定義光網(wǎng)絡(luò)通過將數(shù)據(jù)平面和管理平面解耦，使得網(wǎng)絡(luò)變得程序化、動(dòng)態(tài)化。作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)中主流的控制協(xié)議，OpenFlow 已經(jīng)具有基于流交換 層次的 開放 式標(biāo)準(zhǔn)接口，采用了集中式控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軟件定義路由、交換以及網(wǎng)絡(luò)管理等。目前，已經(jīng)有一些關(guān)于 OpenFlow 協(xié)議的擴(kuò)展，對(duì)基于光交換的上下路端口、光載波的中心頻率以及光傳輸帶寬等光數(shù)據(jù)流進(jìn)行了補(bǔ)充定義。通過這些擴(kuò)展，可以 將 OpenFlow 協(xié)議 引入 光 域，并 實(shí) 現(xiàn) 軟 件 定義 網(wǎng) 絡(luò)類型的光路建立和管理。

（2）數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)體系架構(gòu)

為了解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)的種種挑戰(zhàn)，采用彈性光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)，彈性光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心思想是根據(jù)業(yè)務(wù)所需的帶寬來靈活分配大小相符的頻譜資源進(jìn)行業(yè)務(wù)傳送?；趶椥怨饩W(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)中共存，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、高可靠性、高效 率 的 光 傳 輸 通 道［4］。為 了 支 持 多 終 端 的 云 平 臺(tái) 以 及 物 理硬件設(shè)備的共享，提高頻譜的利用率，虛擬化技術(shù)被越來越多的科研人員所重視。參考文獻(xiàn)［5］中詳細(xì)介紹了一種業(yè)務(wù)感知的虛擬數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，將光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源和數(shù)據(jù)中心 IT 資源 的虛 擬 化 結(jié)合 起 來 ，這一 部 分 還 未 有過 深 入研究。

（3）網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的成熟和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢的凸顯，光網(wǎng)絡(luò)虛擬化日漸受到更多學(xué)者重視。國內(nèi)外學(xué)者從整體架構(gòu)、應(yīng)用場景、算法設(shè)計(jì)等角度對(duì)光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)進(jìn)行深入研究，推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的發(fā)展。參考文 獻(xiàn) ［6］站 在 數(shù) 據(jù) 中 心 應(yīng) 用 的 角 度 ，對(duì) 光 網(wǎng) 絡(luò) 虛 擬 化 技 術(shù) 進(jìn)行 了 研 究 。參 考 文 獻(xiàn) ［7，8］站 在 算 法 的 角 度 ，提 出 了 光 網(wǎng) 絡(luò)虛擬化 映射 的 ILP 模 型和 啟發(fā)式 算法 ?？?見 ，隨 著越 來 越多的光器件具有可編程能力，光網(wǎng)絡(luò)的虛擬化成為可能。通過光網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)和映射策略的不斷完善，光網(wǎng)絡(luò)虛擬化將很好地支持面向數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3 問題描述

雖然網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)使得物理設(shè)備資源可共享化，但資源總量是一定且有限的。在多域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)場景中，資源分配是最關(guān)鍵的。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的平衡，基于數(shù)據(jù)中心資源負(fù)載均衡算法，將數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力考慮到虛擬化節(jié)點(diǎn)映射的策略中。在頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)資源的本質(zhì)從波長到頻譜轉(zhuǎn)化，對(duì)資源的管控變得復(fù)雜。在路由選擇和資源分配中，要考慮到兩個(gè)約束：波長一致性和頻譜連續(xù)性。同樣，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路徑的可用頻譜資源都可能存在碎片，要是碎片不能被清理，頻譜資源利用將會(huì)受到影響。

在不影響業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量的前提下，需要適當(dāng)對(duì)業(yè)務(wù)流經(jīng)頻繁的節(jié)點(diǎn)鏈路進(jìn)行部分流量疏導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用資源和帶寬資源的協(xié)同虛擬化，在部分流量被疏導(dǎo)后，進(jìn)行統(tǒng)一映射，從而可以有效減少阻塞率，提高業(yè)務(wù)接受比。

4 基于SDN的多域光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)模型

虛擬光子網(wǎng)的映射過程，是指在滿足底層物理網(wǎng)絡(luò)資源容量約束的前提下，將多個(gè)具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬光子網(wǎng)同時(shí)映射到共享的基礎(chǔ)架構(gòu)中，并且保證物理網(wǎng)絡(luò)資源以及數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用資源得到充分利用。

軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化靜態(tài)映射是一個(gè) NP問題，為了更好地描述映射過程以及虛擬光子網(wǎng)與物理網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系，本文將采用表 1中的符號(hào)。

表1 符號(hào)對(duì)照

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

·最小化虛擬光子網(wǎng)請(qǐng)求所使用的子載波總數(shù)；

·最小化分配的連續(xù)空閑頻譜段的起始子載波下標(biāo)。模型及變量約束條件具體如下。

（1）節(jié)點(diǎn)映射

其中，式（1）表示每一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)需要至少映射到一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上；式（2）表示一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)最多承載一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，即不同的兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)不能映射到同一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上；式（3）說明實(shí)際映射的物理節(jié)點(diǎn)的空閑資源需要大于或等于虛擬節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求所需的資源容量。

（2）鏈路映射

其中，式（4）為流守恒約束條件，以保證在每個(gè)非端點(diǎn)的物理節(jié)點(diǎn)上，數(shù)據(jù)流入等于流出；式（5）可保證所有的虛擬光鏈路在映射到物理拓?fù)鋾r(shí)都是鏈路分離的，即不會(huì)發(fā)生不同的虛擬鏈路映射到同一條物理鏈路上的情況；式（6）可確保給任意虛擬光子網(wǎng)請(qǐng)求分配的連續(xù)空閑頻譜段均能夠滿足帶寬需求。

式 （7）～ 式 （9）為 了 確 保 給 Gr（Vr，Er）分 配 的 連 續(xù) 空 閑 頻譜段是某一條物理鏈路上唯一的可用連續(xù)頻譜段，且該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。

（3）變量取值范圍

式（10）～式（12）用于約束變量的取值范圍。其中，式（10）表示虛擬節(jié)點(diǎn)和物理節(jié)點(diǎn)的關(guān)系只有兩種情況，即映射關(guān)系或者非映射關(guān)系，故變量的取值非 0即 1。

5 基于SDN的多域光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)算法

（1）傳統(tǒng)方法——隨機(jī)路由算法

由 最 短 路 由 （K shortest path，KSP ）計(jì) 算 映 射 后 物 理 網(wǎng)絡(luò)中，相應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)間的 K 條最短路由及分配路徑。在所分配的路徑中采用首次命中（FF）算法尋找鄰接可用的帶寬資源。若分配資源失敗，則尋找次短路徑再次確認(rèn)，直到第K條路徑。隨機(jī)算法沒有采用任何優(yōu)化措施，但計(jì)算復(fù)雜度很低，執(zhí)行速度很快。因此，當(dāng)資源優(yōu)化和運(yùn)行時(shí)間相比并不是特別重要時(shí)，可以采用隨機(jī)算法來節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。隨機(jī)路由算法通過一條隨機(jī)路徑來承載虛擬鏈路。

（2）傳統(tǒng)方法——負(fù)載均衡算法

該算法先映射鏈路，后映射節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)虛擬子網(wǎng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，按所需頻譜帶寬的大小逆序排列選擇一條虛擬鏈路。然后尋找一組滿足計(jì)算資源需求的物理節(jié)點(diǎn)集合，用來作為所選虛擬鏈路兩端的虛擬節(jié)點(diǎn)，且該集合需要排除已經(jīng)映射了同一個(gè)虛擬子網(wǎng)請(qǐng)求的虛擬節(jié)點(diǎn)的物理節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)過程中，首先考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，從而可以很好地確保網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

（3）創(chuàng)新方法——資源權(quán)衡算法

本文提出了適用于大規(guī)模虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的資源映射的算法——資源權(quán)衡映射算法，與隨機(jī)路由算法和負(fù)載均衡不同的是，資源權(quán)衡算法通過一條負(fù)載均衡路徑來承載虛擬鏈路，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用資源和帶寬資源的協(xié)同虛擬化。資源權(quán)衡算法可以分為如下兩個(gè)步驟。

①節(jié)點(diǎn)映射

每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)在滿足地理位置和交換能力的條件下，映射到對(duì)應(yīng)的物理節(jié)點(diǎn)上。映射原則為帶有較大需求的虛擬業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)映射到空閑較大容量的物理光節(jié)點(diǎn)中。

②鏈路映射

每個(gè)虛擬鏈路在滿足一定頻譜寬度的條件下，通過KSP 方法映射到物理路 徑上 。在找到對(duì)應(yīng)的 K 條路 由后 ，會(huì)檢測該路徑上每個(gè)物理鏈路是否滿足波長一致性和頻譜連續(xù)性。該方法需要判斷虛擬鏈路映射產(chǎn)生的集合中每一 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 對(duì) （us，υs）的 所 有 路 由 組 合 ，并 記 錄 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 對(duì) K 條路 由 的 映 射 概 率 ，記 為 P（us，υs）。在 所 有 候 選 的 K 條 鏈 路 中 ，選擇具有最高映射概率的路由，并在所選路由上采用一定的調(diào)制格式為虛擬鏈路分配頻譜資源。在整個(gè)過程中，考慮了網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的均衡，可以很好地確保網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

其中，映射概率的計(jì)算算法為：

具體算法描述如圖1所示。

6 仿真與實(shí)驗(yàn)

將本文提出的資源權(quán)衡算法與傳統(tǒng)的隨機(jī)映射算法和 負(fù) 載 權(quán) 衡 算 法 進(jìn) 行 比 較 。仿 真 中 采 用 14 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 的NSFNET 拓 撲 。 假 設(shè) 每 段 物 理 鏈 路 的 容 量 為 12.5 THz，子載 波 的 粒 度 為 12.5 GHz，每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 的 CPU 容 量 為 2 000。虛擬光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求隨機(jī)產(chǎn)生，業(yè)務(wù)的到達(dá)和離去均服從 泊 松 分 布 。其 中 虛 擬 節(jié) 點(diǎn) 的 個(gè) 數(shù) 設(shè) 定 為 3～5 的 隨 機(jī) 整數(shù) ，每 個(gè) 節(jié)點(diǎn) 請(qǐng) 求 的 CPU 資 源 占 節(jié)點(diǎn) 資源 比 例 在 0.5%～1.0%中 均 勻 分 布 ，每 根 虛 擬 鏈 路 請(qǐng) 求 的 帶 寬 在 ｛12.5 Gbit／s，25 Gbit／s，50 Gbit／s，100 Gbit／s｝中 隨 機(jī) 分 布 。

圖1 資源權(quán)衡算法流程

圖2 3種映射算法在不同業(yè)務(wù)總數(shù)下的阻塞率對(duì)比

圖2、圖 3 為 3 種啟 發(fā) 式映 射算 法 （隨 機(jī) 路由 、負(fù)載 均衡、資源權(quán)衡）業(yè)務(wù)映射阻塞概率的變化曲線?？梢钥闯?，3種算法的資源阻塞率隨著業(yè)務(wù)請(qǐng)求數(shù)量的增加均呈現(xiàn)上升趨勢。業(yè)務(wù)數(shù)量很少時(shí)，隨機(jī)路由算法初始阻塞率最低，但由于其沒有對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行任何優(yōu)化，隨著業(yè)務(wù)數(shù)目的增加而急速上升。資源權(quán)衡算法和負(fù)載均衡算法性能基本持平，運(yùn)行初始階段，負(fù)載均衡算法的平均性能要優(yōu)于資源權(quán)衡算法，這是因?yàn)樨?fù)載均衡算法對(duì)核心節(jié)點(diǎn)的流量分配采用疏導(dǎo)策略，使得網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)的流量分布相對(duì)平衡；但當(dāng)仿真運(yùn)行進(jìn)入平穩(wěn)階段時(shí)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對(duì)飽和，資源權(quán)衡算法的阻塞率低于負(fù)載均衡算法，這是因?yàn)橘Y源權(quán)衡算法既能夠進(jìn)行流量疏導(dǎo)，又能夠合理利用節(jié)點(diǎn)容量和鏈路頻譜，從而降低了虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠成潆y度，提高了映射的成功率。

資源接受比隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯觯Y源權(quán)衡算法的映射成功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了隨機(jī)映射算法，具有明顯的優(yōu)勢。

圖3 3種映射算法在不同業(yè)務(wù)量下的阻塞率對(duì)比

圖4 資源接受比隨時(shí)間的變化曲線

7 結(jié)束語

在 SDN 多 域 頻 譜 靈 活光 網(wǎng)絡(luò) 架 構(gòu)下，針 對(duì) 虛 擬 光 網(wǎng)絡(luò)映射的資源選擇策略，創(chuàng)新性地提出資源權(quán)衡算法。資源權(quán)衡算法能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用資源和帶寬資源的協(xié)同虛擬化，在部分流量疏導(dǎo)后，進(jìn)行統(tǒng)一映射，有效地減少阻塞率，提高業(yè)務(wù)接受比。

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Multi-domain optical network virtual technology based on SDN

LIU Shidong1，WANG Pan2
1.State Grid Smart Grid Research Institute，Nanjing 210003，China 2.Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210003，China

With the development of information society，the information flow in the network began to grow rapidly，optical network requires not only large capacity and long distance transmission，but also the need for dynamic and flexible controls，the traditional automatic switching optical network architecture is very difficult to meet it.At the same time，storage access to massive amounts of data is a very high requirement for the scalability of the distributed storage architecture.A resource balancing strategy based on SDN for the inter-domain optical network virtualization service was proposed.Simulation results indicate that network resources can be allocated effectively，service acceptance ratio is improved，and network blocking probability is reduced.

virtualized optical network，resource allocation algorithm，OpenFlow protocol，SDN-based optical network

s：2013 Six Talent Peaks Project in Jiangsu Province（No.rld201303），2013 Information Security Special of National Development and Reform Commission（No.2013 外 79），2014 Science and Technology Projects of State Grid：Research and Application of Key Technologies of Network Traffic Prediction and Smart Pipeline for Electric Information Communication Network（No.XXN17201400030），2015 Prospective Joint Research Project of Jiangsu Province（No.BY2015011-02）

TN915.8

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016056

2015-11-20；

2016-01-07

2013 江蘇省六 大 人 才高峰 計(jì) 劃 基金 資 助 項(xiàng) 目 （No.rld201303）；2013 國 家 發(fā) 展 和 改革 委 員 會(huì) 信 息 安 全 專 項(xiàng)基 金 資 助 項(xiàng) 目（No.2013外 79）； 國 家 電 網(wǎng) 公 司 2014 年 科 技 項(xiàng) 目 “ 電 力 信 息 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 流 量 預(yù) 測 和 管 道 智 能 化 關(guān) 鍵 技 術(shù) 研 究 及 應(yīng) 用 ” （No.XXN17201400030）；2015 江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（No.BY2015011-02）

劉世棟（1971-），男，博士，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院信息通信研究所主任工程師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)。

王攀（1979-），男，博士，南京郵電大學(xué)副研究員，主要研究方向?yàn)樾畔⒕W(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)感知、DPI、大數(shù)據(jù)分析。