网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题及其研究现状

吴烈勇

摘要：目前，随着网络需求与规模的不断增大以及网络流量的快速增加，传统网络的运营模式很难满足日益增长的网络需求，这给未来互联网技术的发展与革新造成了一定的障碍。近年来，网络虚拟化作为一种有效解决互联网僵化问题的技术方式，目前已经受到了国内外相关领域的广泛关注。网络虚拟化以其自身的优势给互联网技术带来了一定的积极影响外，也在一定程度上给网络资源的管理提出了较大的挑战。该文就网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题及其研究现状对网络虚拟化及分层服务提供模型进行了阐述，分析了当前虚拟网映射算法存在的不足及研究现状，并提出了一种基于路径集多商品流问题模型的虚拟网映射算法。关键词：网络虚拟化；虚拟映射；研究现状

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)12-2708-03

当下，随着我国互联网业务开展的类型越来越多样化，互联网应用的规模也随之扩大，因此互联网技术需要不断地发展变化才能适应新兴互联网业务发展的需要。以往的网络运营与建设模式将逐渐不能够满足新形势下网络融合的需求，新的应用模式与网络协议不断出现，网络虚拟化就是在这种形势下产生的。网络虚拟化主要通过抽象、分配及隔离机制实现在一个物理网络上独立运营多个虚拟网络，以有选择性地开展资源的调度与分配，从而实现物理网络资源利用率的最大化，同时提高网络服务的质量并降低维护与运营成本。该文就网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题及其研究现状问题主要介绍了以下几个方面的内容。

1网络虚拟化及分层服务提供模型概述

作为一种有效应对克服当下互联网刚性问题的方法及技术手段，网络虚拟化技术可以被看作是互联网这几年发展与革新的主要趋势。网络虚拟化思想主要是将互联网划分成多个虚拟网络，实现互联网架构的多样化，每个虚拟网络都可以享用同样底层的物理网络资源，但能够实现不同的服务、应用于架构，这样就能达到多样化技术的应用与部署的目的。虚拟网络由虚链路连接的虚节点组成，并且虚节点与虚链路都处于物理网络的映射中。虚拟网络映射通过为不同需求的虚拟网络分配对应的物理资源来实现网络虚拟化，虚拟网络映射作为虚拟网络的基础还包括链路资源与节点资源。合理科学的映射算法既可以实现虚拟网的高效映射，也可以使物理网承载更多的虚拟网。

在网络虚拟化的服务环境中，主要应用分层的模式，通过建构虚拟网来实现各种业务服务。分层模型主要有三层，即应用层模式、服务层模式和资源层模式三层。在三层模式下，每一层的结构与功能彼此影响。SP（服务提供商）主要通过InP（基础设施提供商）提供的借口来管理虚拟网，并能够接入终端用户的虚拟网。在网络虚拟化的服务环境中，终端用户及传统的互联网终端用户一样，只是在虚拟化服务的环境中，每一个终端用户可以通过映射代理的方式来和多个SP同时建立不同的连接，从而来实现随不同的业务需求获得不同服务的目的。网络虚拟化分层服务所提供的模型如下（图1）所示。

2虚拟网映射问题与研究现状分析

作为构建虚拟网的一个比较重要的过程，虚拟网映射是映射代理较核心的功能。虚拟网映射主要依据SP的构建需求结合InP的资源状况，通过一定的映射算法在网络资源与构建需求间进行匹配，获取较科学合理的分配方案以进行嵌入，从而形成虚拟网。所以，在虚拟网映射过程中，映射代理主要实现的三大功能分别是接受并描述InP发布的资源信息、SP的虚拟网构建请求以及执行映射算法。在此，笔者就虚拟网映射与研究现状问题主要分析了以下几点内容。

1）网络资源概述。对InP发布的网络信息资源一般能够通过INSADL、NDI、NML等来描述。在对网络资源的描述过程中，任一网络元素就可以代表一个基本组件，例如链路、路径、节点和接口等。每一网络元素还有一个与之相对应的标示符、功能性或者非功能性属性、可用性参数。功能属性主要决定其属性、特征和网络元素的具体功能，非功能属性则主要决定了在虚拟网络中各个网络元素的限制及应满足的标准。节点可分为虚拟节点与物理节点两种，物理节点包含多个虚拟节点，同时一个物理或者虚拟节点可以拥有多个物理或者虚拟接口。其中接口的类型主要包括ATM接口、以太网接口及无线接口等。由于一个物理链路就可以支持一个或多个虚拟链路，因此每一个物理链路包含QoS参数及连接类型两个附加特征。

2）虚拟网的构建需求描述。虚拟网的构建需求与物理网络规划的需求很相似，主要关注的是网络拓扑结构、虚链路的带宽、虚节点的位置、路径的跳数限制、端口的类型以及QoS参数的配置等。虚拟网的构建与拆除，实质上主要是依据业务的需求对物理网络资源进行动态的分配和释放的过程。因此，虚拟网运行的生命周期也是虚拟网在构建需求上的主要参数。

3）虚拟网映射问题模型的描述。对于虚拟网的构建需求中操作系统OS及端口port类型等需求完全可以通过在映射前预先筛选InP所提供的各类资源。虚拟网映射问题的难点是怎样最大程度地实现InP利益。因为虚拟网映射要满足虚拟网构建需求中各个链路和节点资源的要求，而且还要充分地、高效地应用物理网络资源，达到在有限的物理网络资源上形成更多虚拟网，最大程度实现InP利益的目标。但是，虚拟网的物理网络资源有一自身的局限性、虚拟网的构建必须要求呈现出多样化的个性特征和虚拟网的构建请求动态化、即时处理化等特征。这样，虚拟网的映射问题实际的应用中还面对很对急需解决的问题与挑战。

4）映射算法中的各项评价指标。虚拟网映射算法要通过有效地采用提供商所提供的物理网络资源来满足服务提供商提出的构建要求。同时，映射算法的各项评价指标必须要通过网络资源利用率及虚拟网映射成功率等指标的计算来科学衡量。虚拟网映射的成功率是在构建申请中映射成功的虚拟网数，提高虚拟网的映射成功率就是要提高映射成功的虚拟网数。而提高物理网络资源利用率，关键在于如何在满足当下构建需求的前提下，更合理地为后续的虚拟网构建提供资源分布空间，为后续虚拟网的构建提供便利。

5）映射算法研究现状。目前来看，资源分布相对较均衡的物理网络逐渐成为虚拟网映射问题研究的方向。因为这样的物理网络可以提高网络资源的利用率和虚拟网构建的成功率。所以，当下对于映射算法的研究现状主要有以下几种情况：（1）Yong Zhu等研究人员把互联网资源假定为无限的，因此在构建虚拟网时，要综合考虑满足各个构建的具体要求，以便最大化的实现预定目标以最小化的链路承受最大量的负荷。（2）Robert Ricci等研究人员则通过避开物理网络中的各种瓶颈链路的方式来映射虚链路，不断提高虚拟网构建的成功率。（3）Jens Lischka等研究人员利用子图同构检测和回溯的技术把虚链路及虚节点同步映射到物理网络中，以此来提高构建虚拟网的成功率。（4）在虚拟网的映射中，一种W szeto基于多商品流问题而提出的对资源进行预分配的方法技术逐渐被提出来，该方式采用线性规划的方法来对映射问题进行建模求解。这种基于多商品流问题的模型很好地地解决了映射中资源分布均衡性的问题。（5）另外，MinlanYu等人提出了多径映射来提高网络资源的利用率。通过多径映射将虚拟链路映射到多条物理路径上，以此来提高物理网络的负载均衡，并利用多商品流问题的形式建模进行求解。多径映射法与多商品流问题模型的并用可以有效地解决映射中资源分布不均衡的问题，但是难以达到路径跳数的限制，所以一般只能通过单径映射的办法满足业务要求并有延时约束的构建需求。

3虚拟网络映射算法PBMC

1）PBMC算法的设计思路。众所周知，基于多商品流问题模型的虚拟网映射方法不能够解决路径跳数的约束要求问题，因此在多径映射时，虚链路的带宽很难通过路径的路径跳数来确定分配比。因此，在此基础上该文提出PBMC算法，即基于路径集多商品流问题模型的虚拟网映射算法。这种算法主要采用基于有效路径集的多商品流问题模型来规划和求解虚拟网映射问题的。在PBMC算法中，首先要结合各个物理链路的带宽需求和路径跳数的限制条件来计算出有效的物理路径集合。其次将路径的可用带宽视为决策变量，在符合虚链路带宽要求的前提下，运用多径映射的思想建立相应的数学规划，同时采用启发式的算法进行建模求解，最后实现链路的最大负载强度最小化。

2）建立数学规划。链路负载强度是链路上已占用带宽与链路带宽容量之比。PBMC算法的规划目标是建立链路的最大负载强度最小化。PBMC算法的约束条件有三个，分别为物理链路带宽容量约束、虚链路带宽需求约束及带宽占用的正则性要求约束等。

3）模型求解。在PBMC算法中，主要通过采用设计启发式的算法来求得近似最优解的方式进行求解。算法主要分为部分，首先要求证出初始的可行解；其次，对初始可行解迭代从而求解出近似最优解。在这种算法中，更多的考虑了局部的均衡问题，没有对整个虚拟网映射范围进行综合考虑，因此还需要做进一步的优化工作，对初始可行解进行优化。优化的思想主要是找出最大负载强度的链路，将该链路路径上的虚拟网迁移到其他的路径上，以此来降低链路的负载强度。

4）仿真实验。为了很好地与基于单径映射多商品流问题模型算法对比，可以采用基于Matlab的方式对PBMC算法进行仿真与模拟实验。在实验中，对虚拟网链路的带宽、构建请求的虚节点数、虚链路的带宽需求、跳数的限制、虚拟网申请的时间间隔均值以及生命周期均值等进行适当的设置。仿真实验中，要对比和分析的指标除了有构建成功率、资源、利用率外，还含有运营商收益及资源分布的均衡性两个指标。

5）仿真结果分析。

仿真实验中，将物理网络链路负荷的标准差、虚拟网构建的成功率、网络资源的利用率、物理网络运营商所收取的收益等进行综合分析，我们可以发现：基于单径映射多商品流问题模型算法，通过PBMC算法可以使得物理网络上各链路负载强度的标准差更小，因此物理网络资源的分布均衡性将得到更好的优化与实现。并且，通过更高的资源利用率及构建成功率，物理网络运营商才可以获得更多的收益。所以，本次仿真实验结果也说明相对于基于单径映射多商品流问题模型算法来说，PBMC算法不仅可以满足带路径跳数限制约束的虚拟网构建需求，还可以最大程度的优化网络资源分布的均衡性问题，不断提高网络资源的利用率。

4结束语

目前，网络虚拟化技术已经成为解决当下互联网僵化等问题的有效技术途径。在网络虚拟化技术中，虚拟网的映射实现网络虚拟化的基础。虽然对于网络虚拟化技术中的虚拟网映射问题国内外已经有了很大的突破，取得了较大的成绩，但在实际的运用过程中，仍然会出现这样那样的问题。因此，我们还需要不断引进新技术新方法，不断研究新的技术手段，更好地实现物理网络资源分布的均衡性，进一步提高网络资源的使用效率。

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