在SDON中面向成本優(yōu)化的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射方法

陳伯文　王曉玲　沈綱祥

摘要：結(jié)合軟件定義光網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的技術(shù)背景，對虛擬光網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化問題進行了深入研究。在軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中采用軟件定義光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)資源抽象的虛擬光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)，通過引入虛擬光網(wǎng)絡(luò)的映射模型，提出了虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射策略和虛擬光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同映射規(guī)劃方法，解決了面向成本優(yōu)化的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射方法，可為未來光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)；虛擬光網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化；映射方法

Abstract： In order to address cost optimization problems of virtual optical network （VON） mapping， software-defined optical network （SDON） architecture and VON mapping architecture are proposed. With the VON mapping model， the VON mapping strategies and the coordinated virtual nodes and virtual links mapping approaches are proposed to reduce the network cost. Network cost optimization problems are solved by the proposed VON mapping approaches. Therefore， some important technical supports will be provided by employing the proposed VON mapping models and approaches in the future.

Key words： SDON； VON； network cost optimization； mapping approach

隨著超高清視頻業(yè)務(wù)、移動業(yè)務(wù)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)的快速增長，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與應(yīng)用呈現(xiàn)出巨大帶寬增長態(tài)勢，正推動光網(wǎng)絡(luò)資源向著開放性方向發(fā)展。在大規(guī)模光組網(wǎng)和多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的背景下，不同網(wǎng)絡(luò)資源之間相互耦合與疊加，形成了多種網(wǎng)絡(luò)的運營環(huán)境，加劇了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)運營成本控制的難度，特別是在大規(guī)模組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)資源效率問題。針對這一難題，可以根據(jù)用戶實際需求出發(fā)，通過軟件定義光網(wǎng)絡(luò)組件可編程技術(shù)，充分運用網(wǎng)絡(luò)功能與網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化技術(shù)，通過業(yè)務(wù)統(tǒng)一控制、管理、分發(fā)，采用網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化抽象功能，提高網(wǎng)絡(luò)靈活控制與管理能力。為了適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，通過把軟件定義光網(wǎng)絡(luò)資源抽象方式，用戶能夠靈活自由配置所需的網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)運營商能夠最大程度地利用網(wǎng)絡(luò)資源，并能夠保證光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。因此，研究光網(wǎng)絡(luò)虛擬化優(yōu)化技術(shù)將成為關(guān)鍵問題。

在虛擬光網(wǎng)絡(luò)（VON）的服務(wù)需求驅(qū)動下，光網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以消除光網(wǎng)絡(luò)的資源分配與調(diào)度僵化，促進光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)的創(chuàng)新[1-5]。虛擬光網(wǎng)絡(luò)能夠使用戶在同一個物理光網(wǎng)絡(luò)配置需要的帶寬資源，以滿足用戶動態(tài)可配置光層的網(wǎng)絡(luò)資源要求。同時，在虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射到物理光網(wǎng)絡(luò)中，需要考慮虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射的生存性[6-9]，以保證網(wǎng)絡(luò)高可靠近的服務(wù)質(zhì)量。用戶通過網(wǎng)絡(luò)運營商提供標(biāo)準(zhǔn)接口運行不同的網(wǎng)絡(luò)資源，以降低網(wǎng)絡(luò)成本、節(jié)省能量消耗、提高頻譜效率。為了使虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射到軟件定義光網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)不同優(yōu)化目標(biāo)，提出相應(yīng)的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射算法，從而解決虛擬光網(wǎng)絡(luò)[10-13]的映射問題。在軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中，為了提高網(wǎng)絡(luò)的管理和運營能力，通過恰當(dāng)選擇承載業(yè)務(wù)的線速率和相應(yīng)調(diào)制格式，提出多目標(biāo)成本和頻譜優(yōu)化方法[14]，保證網(wǎng)絡(luò)的成本和頻譜效率最優(yōu)化。從多層網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化設(shè)計入手，通過多流光轉(zhuǎn)發(fā)器的切片化，采用了網(wǎng)絡(luò)成本效率評估模型，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)的成本[15]。然而，這些文獻都缺乏對虛擬光網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化問題的研究。

一般地，為了滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置需求，軟件定義光網(wǎng)絡(luò)通過資源虛擬化的服務(wù)方式，使不同用戶能夠通過規(guī)范的接口，在同一個軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中靈活配置與調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足用戶或網(wǎng)絡(luò)運營商的服務(wù)需求。然而，如何把虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射到軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中，是提高光網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率、降低網(wǎng)絡(luò)成本、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗的關(guān)鍵問題。本文主要介紹軟件定義光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)架構(gòu)，討論基于網(wǎng)絡(luò)資源抽象化的虛擬光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)，通過引入虛擬光網(wǎng)絡(luò)的映射模型，提出虛擬光網(wǎng)絡(luò)的映射策略和虛擬光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同映射規(guī)劃方法。

1 基于軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的

虛擬光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)

1.1 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)

軟件定義光網(wǎng)絡(luò) （SDON）是指光網(wǎng)絡(luò)的物理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能可以根據(jù)用戶或運營商需求，利用軟件編程的方式進行動態(tài)接入、管理、控制、調(diào)度。圖1展示了軟件定義光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)，主要包含軟件定義光網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、物理光層控管平面、網(wǎng)絡(luò)資源控管平面、應(yīng)用服務(wù)控管平面。首先，軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件是基于開放流（OpenFlow）協(xié)議控制器。它擁有全局的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、進行全網(wǎng)拓撲信息獲取與維護；可以獲取全網(wǎng)資源信息狀態(tài)，并進行網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化抽象，集中網(wǎng)絡(luò)資源信息，以及統(tǒng)一分配與調(diào)度資源；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量服務(wù)需求，對業(yè)務(wù)進行路由計算、控制網(wǎng)絡(luò)流量、記錄業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。其次，網(wǎng)絡(luò)控制器一方面通過OpenFlow控制協(xié)議對物理光層信號質(zhì)量監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)資源虛擬與抽象，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行智能軟件編程控管；另一方面，通過擴展網(wǎng)絡(luò)虛擬資源協(xié)議，采用網(wǎng)絡(luò)層控制器與應(yīng)用層控制器協(xié)同聯(lián)動控管技術(shù)，應(yīng)用層控制器通過對應(yīng)用服務(wù)請求的接入功能進行調(diào)控，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置與節(jié)省網(wǎng)絡(luò)運營成本等。最后，基于OpenFlow協(xié)議控制器的核心功能在于光網(wǎng)絡(luò)組件的可編程性，包括網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)處理方式可編程、控制與管理方法可編程、傳輸設(shè)備功能可編程等，并且具備業(yè)務(wù)動態(tài)靈活配置與開放式控制接口的最佳適配能力。根據(jù)設(shè)計不同的目標(biāo)函數(shù)，通過引入不同的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射模型，按照預(yù)先設(shè)定的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射策略與算法，運行不同的虛擬光網(wǎng)絡(luò)映射方法，提高軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率和降低網(wǎng)絡(luò)運營成本。