虛擬光網(wǎng)絡(luò)中NFV資源分布式調(diào)度設(shè)計

鄭愛媛

（福建商學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建 福州 350000）

信息科技時代，互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)大勢盛行于工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。由此引發(fā)的海量大數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成信息響應(yīng)度威脅。一種行之有效的方案是虛擬化光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)該網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用層提供多樣化的虛擬資源響應(yīng)服務(wù)。從虛擬光網(wǎng)絡(luò)（VON）視圖來看，整個網(wǎng)絡(luò)分化為兩個彼此獨(dú)立的服務(wù)提供商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商。其中，服務(wù)提供商通過計算光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中各類虛擬資源為應(yīng)用型業(yè)務(wù)承載提供響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商主要對光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的組網(wǎng)管理負(fù)責(zé)。同時定義發(fā)起不同計算請求的VON子網(wǎng)皆可共享同一個光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。然而即便在這樣的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）[1]布局下，VON的虛擬資源映射機(jī)制依舊是一個值得深思的問題，該問題直接關(guān)系到整個應(yīng)用層的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[2]就此問題提出了一種基于通道快速映射的NFV方案（NFV-P）。雖然該方案能夠在時間約束的情形下響應(yīng)計算請求但并未顧及通道相關(guān)性的若干問題，這降低了該方案的普適性。文獻(xiàn)[3]從基礎(chǔ)設(shè)施入手提出一種基于基礎(chǔ)設(shè)施快速映射的NFV方案（NFV-E）。該方案雖然克服了NFV-P中所忽略的通道代價問題，但對于虛擬計算請求的跳數(shù)問題卻未考慮。由此所引發(fā)的資源過載現(xiàn)象在一定程度上弱化了該方案的科學(xué)性?；诖耍疚臉?gòu)思通過統(tǒng)籌整個VON基礎(chǔ)設(shè)施來分布式調(diào)度各類NFV虛擬計算資源并將其映射至物理光網(wǎng)絡(luò)。所構(gòu)思的分布式調(diào)度方案（NFV-D）旨在兼顧通道代價和響應(yīng)率等一系列服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題。

1 NFV分布式調(diào)度模型

在物理光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通過嵌入NFV技術(shù)提供應(yīng)用服務(wù)可理解為是VON在向物理光網(wǎng)絡(luò)設(shè)施發(fā)起虛擬計算資源映射行為的過程。該分布式映射行為由兩個步驟組成。首先，在底層物理光網(wǎng)絡(luò)GP具有良好通道帶寬的前提下由虛擬光網(wǎng)絡(luò)VG中的虛擬通道L′向PG的物理通道L發(fā)起映射。其次，在GP具有充裕的計算資源前提下由VON中的虛擬網(wǎng)元E′向GP的物理網(wǎng)元E發(fā)起映射。NFV-D方案便是通過設(shè)計分布式調(diào)度模型為上述兩個映射行為提供科學(xué)的虛擬計算資源調(diào)度算法，最大化GP中網(wǎng)元提請的計算請求響應(yīng)度。

在調(diào)度虛擬資源期間，雖然不同的VON始終建立在同一個物理基礎(chǔ)設(shè)施之上，但在映射期間同一對物理網(wǎng)元之間的頻譜[4]資源不得向多個虛擬網(wǎng)元對之間的虛擬通道開放。對于單個VON而言，虛擬網(wǎng)元和物理網(wǎng)元之間是一對一的對應(yīng)關(guān)系，故對于VON中的計算資源而言，其響應(yīng)能力有限。而虛擬網(wǎng)元對之間的虛擬通道來源于物理網(wǎng)元的物理鏈路。當(dāng)物理鏈路發(fā)起海量業(yè)務(wù)響應(yīng)請求時將極有可能瞬間耗盡VON計算資源最終導(dǎo)致通道擁塞。假設(shè)虛擬網(wǎng)元對之間的虛擬通道途經(jīng)的鏈路跳數(shù)為N(l′)，則該虛擬通道在某個頻譜時隙需要的頻譜資源可表征為

由此不難看出，在帶寬資源恒定的前提下物理網(wǎng)絡(luò)中的資源規(guī)模取決于參量N(l′)。故提高業(yè)務(wù)請求響應(yīng)度降低擁塞可以考慮通過約束[5]虛擬網(wǎng)元對之間的虛擬通道上的頻譜來實現(xiàn)。具體而言，為權(quán)重度最高的虛擬網(wǎng)元配置一個權(quán)重度最低的物理網(wǎng)元供其映射。兩類網(wǎng)元的權(quán)重度描述如下：意為虛擬網(wǎng)元發(fā)起映射行為的重要性。

2 調(diào)度方案

首先，在VON發(fā)起映射[6]請求時根據(jù)式(3)獲取該VON內(nèi)虛擬網(wǎng)元的權(quán)重度。其次，根據(jù)權(quán)重度從高到低對所有虛擬網(wǎng)元節(jié)點進(jìn)行排序。隨后根據(jù)式(2)篩選出頻譜資源損耗最小的物理網(wǎng)元分配給虛擬網(wǎng)元節(jié)點。然后，分別為非關(guān)聯(lián)性虛擬網(wǎng)元和關(guān)聯(lián)性虛擬網(wǎng)元部署不同的映射策略。再判斷當(dāng)前虛擬網(wǎng)元和物理網(wǎng)元之間是否存在可供映射的鏈路來決定是否分配頻譜計算資源。實施映射策略要求網(wǎng)元及通道均應(yīng)同時具備足夠的開銷資源，否則將無法實施映射最終導(dǎo)致發(fā)起的請求遭遇擁塞乃至失效。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)GP由物理網(wǎng)元A、B、C、D組成，任意網(wǎng)元對之間均有6個頻譜時隙。網(wǎng)元對AB, AC, BC, BD,CD之間可以的頻譜時隙分別是4, 3, 2, 2, 3個。則VON中虛擬網(wǎng)元b相關(guān)聯(lián)的虛擬通道有ab和bc，其對頻譜的要求分別是4個和2個。故物理網(wǎng)元B和物理網(wǎng)元C不適合作為待映射的選項。故要從時效性方面改善物理網(wǎng)元和虛擬網(wǎng)元之間的映射匹配率應(yīng)首先篩選出符合條件的待選物理網(wǎng)元而后再為虛擬網(wǎng)元部署具體映射方案。

3 虛擬映射方案

但凡有一個與某虛擬網(wǎng)元相連接的相鄰網(wǎng)元已部署過映射機(jī)制，此處定義該虛擬網(wǎng)元為關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元。此類關(guān)聯(lián)性虛擬網(wǎng)元在實施映射時將關(guān)聯(lián)到和其建立連接的虛擬通道中的頻譜計算資源。正如前文所述的網(wǎng)絡(luò)GP中虛擬網(wǎng)元a便是關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元，因為在映射虛擬網(wǎng)元a時并未找到已經(jīng)實施過映射行為的相鄰網(wǎng)元。在網(wǎng)元a結(jié)束映射行為后開始對網(wǎng)元b實施映射行為。此時兩個網(wǎng)元互為鄰接，該相鄰網(wǎng)元對之間的虛擬鏈路跳數(shù)將受到影響。故通過減少已部署過映射行為的網(wǎng)元與關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元之間的間距，降低虛擬鏈路跳數(shù)[7]將會持續(xù)地增加物理網(wǎng)絡(luò)中各類物理資源的使用率進(jìn)而規(guī)避擁塞風(fēng)險。

在此基礎(chǔ)上將關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元的虛擬映射方案設(shè)計為：首先為e′分配集合H并判斷該集合是否為空集。若為空集則提請的計算請求將遭遇擁塞[8]；反之則執(zhí)行下一步。其次統(tǒng)計出那些和e′鄰接的同時已經(jīng)實施過映射行為的虛擬網(wǎng)元形成一個虛擬網(wǎng)元集X，并根據(jù)最優(yōu)橋接算法思路評估出待映射物理網(wǎng)元和集合X鄰接網(wǎng)元間的跳數(shù)。然后根據(jù)式(2)按照降序排序準(zhǔn)則為待映射物理網(wǎng)元評估出其到達(dá)集合X內(nèi)網(wǎng)元間的資源損耗程度。隨后鎖定集合H內(nèi)權(quán)重度最低的待選物理網(wǎng)元作為映射目標(biāo)，并根據(jù)最優(yōu)橋接算法來部署具體的映射方案。

倘若1e作為非關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元，那么整個虛擬映射方案的部署將極為簡化僅考慮該網(wǎng)元對各類資源的需求。整個映射過程只要采用貪婪[9]法則思想便可從集合H中篩選出鄰接資源最為豐富的待映射目標(biāo)實施映射行為。此方法可顯著改善網(wǎng)元對通道映射的精確度。

4 方案評估

NFV-D方案的主要思路是最小化映射網(wǎng)元關(guān)聯(lián)的通道資源損耗代價[10]來提高虛擬網(wǎng)元映射的匹配率。改善物理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對突發(fā)計算業(yè)務(wù)的能力進(jìn)而提升QoS。根據(jù)方案思路設(shè)計評估環(huán)境如下：在一個由30個節(jié)點組成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上來開展。模擬時先把120個目標(biāo)映射至此拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元中。為每一個節(jié)點對之間的通道均配置240個頻譜時隙資源，為每個網(wǎng)元容量設(shè)計240個物理計算資源。每一個VON網(wǎng)元規(guī)模最多不超過6個且均勻分布。任意VON內(nèi)的任意網(wǎng)元對計算資源的需求較為均勻，分布在25個到30個之間。任意VON內(nèi)的任意網(wǎng)元跨域建立通道的概率是1/2。統(tǒng)一設(shè)定通道頻譜資源間距規(guī)格為20 GHz，并定義網(wǎng)元對之間的頻譜資源要求較為均勻，分布在60～120個之間。

為客觀評估NFV-D方案的科學(xué)性，本次從平均通道跳數(shù)、頻譜計算資源平均使用度、平均響應(yīng)度等三個方面開展考察。平均通道跳數(shù)是用于評估NFV-D縮減通道跳數(shù)后的成效。表征為隨機(jī)突發(fā)響應(yīng)請求在被實際映射后所消耗的物理網(wǎng)絡(luò)通道跳數(shù)和VON中通道跳數(shù)比值；頻譜計算資源平均使用度用于評估NFV-D在通道資源使用程度上的收效。表征為隨機(jī)突發(fā)響應(yīng)請求在被實際映射后所消耗的物理網(wǎng)絡(luò)頻譜時隙資源規(guī)模和VON中頻譜時隙資源規(guī)模比值；平均響應(yīng)度是用于評估NFV-D中實際受理映射的響應(yīng)請求和提請的所有響應(yīng)請求的比值。同時，本次考察選用文獻(xiàn)[2]NFV-P和文獻(xiàn)[3]NFV-E作為對比，展示NFV-D的科學(xué)性。

圖1所示曲線描述了三種算法在響應(yīng)計算請求期間實施虛擬通道資源映射所對應(yīng)的平均跳數(shù)。不難看出NFV-D方案下的虛擬通道資源在部署映射行為時所產(chǎn)生的虛擬通道平均跳數(shù)最少。究其原因，NFV-D方案充分考慮了關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元對網(wǎng)元對之間通道的頻譜計算資源影響。該方案始終強(qiáng)調(diào)通過約束性縮減任意鄰接網(wǎng)元對間的通道跳數(shù)來改善物理通道的資源占用情況。這種優(yōu)勢恰好是NFV-P方案和NFV-E方案所不具備的。

圖1 平均映射跳數(shù)

圖2所示曲線描述了不同算法方案下網(wǎng)元對內(nèi)部通道頻譜計算資源平均占用情況。從曲線走勢不難看出NFV-D在部署映射行為期間所耗費(fèi)的平均通道頻譜資源最小。主要緣于在映射關(guān)聯(lián)性網(wǎng)元期間最優(yōu)橋接算法能夠較為精確地篩選出通道跳數(shù)最低的鏈路來實施映射方案。相應(yīng)地，所占用的鏈路內(nèi)部頻譜計算資源最低。這樣的優(yōu)勢恰好解決了NFV-P方案和NFV-E方案因缺乏科學(xué)選路而導(dǎo)致映射期間頻譜計算資源被非必要性的浪費(fèi)問題。

圖2 頻譜計算資源平均使用度

圖3所示曲線描述了3種映射方案下VON發(fā)起請求的平均響應(yīng)度。對比可見NFV-D映射方案平均響應(yīng)度最高。 這是因為NFV-D方案在部署映射行為前已事先對關(guān)聯(lián)通道的鏈路計算資源做了最小化約束處理。這樣的處理將直接降低虛擬通道的總頻譜規(guī)模進(jìn)而確保了VON提請的業(yè)務(wù)能夠得到良好的響應(yīng)。而NFV-P方案和NFV-E方案由于缺乏考慮通道跳數(shù)和關(guān)聯(lián)通道的資源占用情況，導(dǎo)致虛擬網(wǎng)元對之間的鏈路數(shù)量較多。在響應(yīng)資源有限的環(huán)境下，這樣的情形就很可能使得VON上提請的請求無法得到良好的響應(yīng)。

圖3 平均響應(yīng)度

5 結(jié)束語

本文圍繞VON業(yè)務(wù)請求響應(yīng)度問題提出一種分布式映射方案。該方案通過構(gòu)思虛擬資源調(diào)度模型為VON提請的業(yè)務(wù)設(shè)計出一個以QoS為中心的科學(xué)的資源調(diào)度方案。并針對此調(diào)度方案進(jìn)一步給出高效的映射機(jī)制從而成功地篩選出映射目標(biāo)?？疾旖Y(jié)果表明，NFV-D機(jī)制下的VON在映射目標(biāo)的響應(yīng)下能夠獲得良好的QoS。