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网络虚拟化中的虚拟网络映射技术研究

丁健  
【摘要】:互联网已经成为人类社会最重要的信息交互渠道,时刻影响着人们生活和工作的方方面面。然而,在网络规模不断增长和新兴业务应用飞速发展的过程中,传统互联网在数据安全、可扩展性、网络管控能力以及服务质量保证等方面的不足正为其带来越来越多的挑战。为了应对上述问题,研究者通过构建网络虚拟化环境下的试验平台推动网络架构、技术的创新研究。网络虚拟化的核心思想是:利用虚拟化技术将网络进行逻辑抽象,从而在共享的底层物理网络基础设施上同时创建和运行多个不同的虚拟网络。虚拟网络映射问题是网络虚拟化技术研究中的核心问题之一,它的主要研究目标是在满足节点和链路约束条件的基础上,将虚拟网络请求映射到基础网络设施上,利用已有的物理网络资源获得尽可能多的业务收益。本文在对虚拟网络映射问题进行系统学习和深入研究的基础上,对现有工作中存在不足的虚拟网络请求映射效率、映射成功率以及面向不同需求虚拟网络请求的优化处理三个方面的内容展开研究。在进行虚拟网络映射算法设计的同时,对虚拟网络映射过程中一些具有共性的特征进行总结梳理,进而对虚拟网络映射问题进行全面的梳理,并形成一套高效、灵活、可扩展的虚拟网络映射解决方案。本文的主要创新工作包括以下三个方面:(1)围绕提高虚拟网络映射效率的目标,提出了基于节点连通性的虚拟网络映射算法。已有的研究工作常常基于节点自身的资源属性(例如,节点计算能力、出口带宽能力)或邻居节点的计算资源进行启发式算法设计来解决虚拟网络请求的映射问题,忽略了节点间的拓扑特征(例如,节点间建立连接的能力)。本文针对这一问题,首先基于节点间连接距离、可用链路带宽等因素提出了节点连通性评价模型,然后通过综合考量节点自身属性、虚拟节点之间的连接关系、物理节点之间的连通性提出了一种两步式映射算法。仿真结果表明,基于节点连通性的虚拟网络映射算法在获得更好的虚拟网络请求接受率和网络收益开销比的基础上,降低了算法的运行时间,整体上显著提高了虚拟网络映射效率(2)围绕提高虚拟网络映射成功率的目标,提出了基于实时拓扑属性的虚拟网络映射算法。已有的研究工作往往采用相同的标准衡量虚拟网络请求和底层物理网络中的节点,并没有根据虚拟网络请求和底层物理网络在映射系统中不同的拓扑特征进行针对性的分析,不利于映射成功率的提高。本文针对这一问题,将已经广泛应用于社交网络研究的节点中心性理论引入虚拟网络映射问题,结合虚拟网络映射问题的背景重新定义了节点中心性度量模型,然后通过分析虚拟网络请求和底层网络中节点在映射系统中不同的实时拓扑属性对映射过程中节点的优先性进行度量,在此基础上设计了基于实时拓扑属性的虚拟网络映射算法。该方法不仅能够体现节点自身的资源状态,而且能够反映出在映射过程中节点在网络中中心性的实时状态,因此,可以在虚拟节点映射阶段选择更优的物理节点,有效降低了底层物理网络的负载,从而提高虚拟网络请求映射的成功率。仿真结果表明,在不同虚拟网络资源需求条件下,基于实时拓扑属性的虚拟网络映射算法均实现了更高的虚拟网映射成功率,并获得了较好的网络收益开销比和较低的算法运行时间。(3)围绕不同虚拟网络需求条件下网络映射的优化问题,提出了面向多种拓扑类型请求的虚拟网络映射算法研究。在网络虚拟化的业务系统中,为了提供定制化的互联网服务,服务提供商则根据业务情况和应用需求构建不同拓扑结构的虚拟网络请求。为了更加贴近真实的业务系统,同时根据虚拟网络请求的不同拓扑特征采用针对性的处理方法以实现更优的虚拟网络映射方案,本文首先给出了面向多种拓扑类型请求的映射算法设计思路,用以指导不同拓扑类型条件下虚拟网络映射算法的设计。然后通过综合考量网络中可用物理资源情况和节点问拓扑连接关系等因素,提出了一种通用的物理节点评价模型,并以此为指导原则进行物理节点的重要性度量,从而为虚拟节点选择更优的物理。在以上工作的基础上,提出了一种面向多种拓扑类型请求的复合型虚拟网络映射算法,通过感知虚拟网络请求的拓扑特征类型采用针对性的子算法进行处理。在仿真实验中,本文提出的复合型虚拟网络映射算法在多拓扑环境中提高了虚拟网络请求接受率和网络收益开销比,整体上显著提高了虚拟网络映射性能。


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