可重構柔性網絡資源管理與服務映射方法研究

王保進，汪斌強，王志明

（國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

1 引言

隨著互聯網業務類型的不斷豐富，網絡規模的不斷擴大，網絡技術必須不斷地進行革新，才能適應這些變化。傳統互聯網依靠設備升級、帶寬擴展以及增加新的協議算法等方式來滿足業務需求的變化，導致互聯網體系結構日趨復雜。根本原因在于當前互聯網體系結構是僵化的[1]，只能依靠升級與擴展來適應新業務。

目前，國內外都制定了具有前瞻性的新型互聯網研究建設計劃，核心思想都是探索一種能夠支持多業務融合的一體化網絡架構，以解決網絡用戶業務多樣性等急迫需求。國外對新一代互聯網體系結構的研究計劃主要有美國的GENI[2]和FIND[3]，歐盟的FIRE[4]和4WARD[5]，以及日本的AKARI[6]等。2005年8月，NSF(national science foundation)宣布了全球網絡創新環境(GENI, globa1 environmem for network innovations)計劃，GENI基于PlanetLab已建成的實驗床平臺，其核心目標是改變現有網絡和分布式系統設計的方式；未來因特網設計(FIND,future internet design)與GENI存在重要聯系，其研究方向基本被GENI涵蓋在內，只是其更側重未來互聯網體系框架的研究；作為歐盟FP7[7]在ICT領域的重要組成部分，未來因特網研究實驗(FIRE，future internet research and experimentation)是歐盟為應對未來互聯網研究、應用面臨的諸多挑戰而實施的大型研究計劃，其最終目標是通過逐步將現有和未來互聯網技術實驗床平臺聯合，建設一個動態、可持續、大規模的歐洲實驗基礎設施平臺，從而為歐盟互聯網技術發展提供多學科綜合的研究實驗環境；4WARD是FP7在網絡技術領域的代表性子項目，一方面通過創新，改造現有單個網絡架構，克服不足，提高其性能，另一方面研究一種總體網絡框架，用于實現各種不同網絡架構的協作運行，從而走出目前網絡僵化的窘境；AKARI是日本NICT(national institute of information and communications technology)2006年啟動的新一代網絡研究項目，其目標是在2015年前研究出一個全新的網絡構架，并完成基于此網絡架構的新一代網絡的設計。

國內具有代表性的研究主要有面向服務提供的可重構柔性網絡[8]（RFNet, reconfigurable flexible network），該網絡以可重構路由交換平臺[9]為支撐，通過構建多個可重構服務承載網（RSCN, reconfigurable service carrying networks）的方式實現多種異構網絡并存，從而提供一種解決網絡僵化問題且兼容現有網絡的創新思路。

可重構服務承載網的資源管理、分配和部署技術是柔性網絡理論體系的關鍵內容，目前國內外相關研究主要圍繞虛擬網[10]映射（又稱賦值、資源分配）算法展開。虛擬網映射算法大致分為2類[11]：靜態方式和動態方式。前者在虛擬網的活動周期中對映射方案不做任何調整；后者能根據物理網絡和虛擬網的當前狀態對映射方案進行適應性調整。對于靜態方式，Ricci等[12]最早提出了 Assign算法求解實驗床中的子網資源分配問題；隨后的研究大多將虛擬網映射問題分解為節點映射和鏈路映射2個步驟，并分別提出各種啟發式算法和線性規劃模型[13～15]；最近的研究正逐步試圖將節點映射和鏈路映射關聯起來，比如Chowdhury等[16]提出的D-ViNE和R-ViNE算法，以及Jens等[17]的子圖同構檢測算法 vnmFlib。對于動態方式，He等[18]提出了依據虛擬網性能動態調整鏈路帶寬分配的DaVinci算法；Rahman等[19]針對物理拓撲故障提出了一種保證虛擬網生存性的映射算法；Cai等[20]則針對物理拓撲變化的一般情況，提出一種基于代價最小原則的節點遷移與重映射算法。

上述研究的不足之處在于：大多數研究只限于發現新的虛擬網映射模型，缺乏一種有效支持大規模網絡的資源管理機制；在對虛擬網資源進行分配后，缺乏一種通用的網絡資源管理與部署機制，使得相關研究失去實際意義。針對這些不足，本文給出一種有效的可重構柔性網絡資源管理方法，并在此基礎上提出可重構服務承載網資源分配方法和網絡服務部署方法，最后針對可重構柔性網絡特性，實現了一種標準化的網絡資源管理與網絡服務部署機制。

2 可重構柔性網絡體系

2.1 關鍵概念

面向服務提供是RFNet的核心思想。由于網絡業務多樣性、差異化的趨勢，采用不變的網絡體系結構或服務模式支撐所有業務需求，即“one size fits all”在技術上是極難實現的，設計復雜度和設備成本也會很高；從用戶體驗質量（QoE）角度來說，針對不同業務匹配不同的網絡體系和服務模式，即“one size fits one”是最理想的，但如此細粒度地對業務進行適應會帶來管理復雜度和管理成本高等問題。RFNet綜合上述考慮，采用中等粒度的業務適應方式，針對不同業務類型提供不同的網絡服務（見本文定義1），即“one size fits group”模式。該模式既保持了對業務多樣性的適應，又能盡量減少網絡服務的更換頻率。

定義 1 網絡服務（RFNet service）是指服務提供者為滿足一類網絡業務需求而提供的一套運行在可重構路由交換平臺之上的服務單元（見定義2）集合。在可重構路由交換平臺的支持下，網絡服務可被服務提供商部署、重構和釋放。

定義2 服務單元（service unit）是網絡服務的基本組成部分，每一類業務需求都可以分解成若干功能的有機組合，本文把實現此種功能且具有重構特性的實體稱之為RFNet下的服務單元。

定義3 在RFNet中，重構（reconfiguration）是指通過構件級別的變更完成不同網絡服務之間的轉換，以及同種網絡服務不同配置之間的轉換。

定義4 構件（component）是服務單元的基本組成部分，是具有一定網絡處理能力的實體及其相關描述。在RFNet中，構件可以被明確識別、復用和重構，分為軟件構件和硬件構件2大類。構件是可重構柔性網絡中的重要資源。

定義 5 可重構服務承載網是針對用戶業務需求而抽象出來的邏輯網絡，該網絡在結構上能夠映射成為實際物理網絡的子圖，在資源上是實際物理平臺資源的一個分片（slice）。RFNet中，可重構服務承載網支持構建、重構、遷移和注銷等行為。

2.2 分層模型

RFNet采用4層結構的分層參考模型，如圖1所示，自頂向下4層結構分別是：應用層、業務層、服務層和資源層，各層所代表的含義如下。

圖1 可重構柔性網絡分層參考模型

應用層：可重構柔性網絡的應用層不同于傳統網絡應用層定義，它包含了現有及未來可能出現的各種用戶應用，可用來描述用戶終端業務。通過對目前用戶應用需求的分析，定義用戶業務的產生均可以使用應用終端、應用軟件和應用規模來確定，應用終端包括話機、移動終端、計算機等，應用軟件指的是終端中具體執行人機交互的應用程序，應用規模指明了業務規模的大小。上述應用層定義從用戶業務生成源出發，為下層的業務層提取業務特征確定服務質量參數提供了便利。

業務層：業務層主要完成通信承載業務，提取應用層生成業務的特征并且將用戶業務聚類，按照業務特性、服務質量和承載媒體分別確定相應的參數。該層完成的功能包括媒體網關功能，信令網關功能，邊界路由節點執行的分類、整形、標記等接入控制功能。該層描述了用戶業務的特征，為可重構柔性網絡構建服務承載網提供參考標準。

服務層：該層是可重構柔性網絡的核心層，基于資源共享層提供的物理資源，通過構建可重構服務承載網的形式為業務層提供所需的網絡服務。按照服務的屬性和特征，根據松散耦合和簡化的原則，把網絡服務分為服務能力、服務特征和承載技術3種屬性。根據上層業務層提供的參數分別確定相應的網絡服務能力和服務特征，選擇合適的承載技術，與傳統網絡服務相比，可重構柔性網絡可以根據用戶需求構建網絡，按照業務特性提供服務能力，從業務需求出發保證服務質量。

資源層：資源層是一種資源可共享、節點可重構，能夠提供底層網絡資源的物理網絡，資源共享層由可重構路由節點、光傳輸設備等組成，為可重構柔性網絡提供共享的物理網絡資源和光傳輸資源。

2.3 組網架構

RFNet的組網架構如圖2所示，包括6種元素：可重構管理平臺（RFNet controller，以下簡稱管理平臺）、構件庫系統、可重構路由交換平臺、可重構光網絡設備、媒體網關以及用戶終端。各元素的特點如下。

1) 可重構管理平臺。該平臺負責感知和管理全網資源：發現可重構路由交換平臺的服務能力并對其進行組合以支撐相應的用戶業務；將用戶的業務特性參數轉換為RSCN構建請求，并根據當前網絡資源狀況及可重構路由交換平臺服務能力構建RSCN；根據構建指令，從構件庫中下載相關構件并加載運行從而重構出新的節點服務能力，支撐新的網絡服務。可重構管理平臺在RFNet中扮演了服務提供商和控制代理的角色。

2) 構件庫系統。該系統存儲有包括第三方廠商開發的標準構件。構件存儲的形式為源代碼、二進制碼以及相關描述文檔和配置腳本等多種物理形態，文檔遵從一定的格式標準。可重構路由交換平臺根據管理平臺的指令，通過從構件庫中下載相關構件并加載運行從而重構出新的網絡服務，提供新的業務承載能力。構件庫系統在RFNet中扮演了構件提供商的角色。

圖2 可重構柔性網絡組網架構

3) 可重構路由交換平臺。該平臺為各種網絡服務的運行提供鏈路帶寬、交換、緩存、CPU、FPGA器件等物理資源；提供構件運行及相關功能處理、生成網絡服務的支撐環境；提供資源代理（resource agent）和重構代理（reconfiguration agent）等管理模塊，以支持資源管理和設備級重構。可重構路由交換平臺在RFNet中扮演了設施提供商的角色。

4) 可重構光網絡設備。可重構路由交換平臺既可以直接互聯又可以通過可重構光網絡設備進行互聯。利用可重構光網絡設備的重構特性可以方便地實現可重構柔性網絡的拓撲可變。

5) 媒體網關。媒體網關對不同的應用需求編碼進行聚類，并將對應的業務特性、服務質量和承載媒體參數發送至可重構管理平臺。

6) 用戶終端。用戶終端產生應用需求，并將應用需求參數進行編碼發送至媒體網關。應用需求參數包含終端類型、應用軟件和應用規模等重要信息。

3 可重構柔性網絡的資源管理機制

為了提高網絡的可擴展性，將RFNet的資源管理分層和分域，通過構建較小的資源管理域，能有效地控制由于網絡規模擴大帶來的復雜度和相應開銷的增加。RFNet的資源管理主要包括預置信令網（PSN, pre-existed signaling network）的構建、資源感知和資源分配。

3.1 預置信令網

預置信令網是一種特殊的可重構服務承載網，在RFNet初始化時就被部署到所有節點上，主要用于傳遞資源代理層內部以及資源代理層與資源管理層之間的交互信令，為構建其他可重構服務承載網提供管理環境支持。預置信令網從功能角度分為資源代理層（resource agent layer）和資源管理層（resource manage layer），從地域上又分為各個資源管理域，其整體結構如圖3所示。

資源代理層由可重構路由交換平臺組成，可重構路由交換平臺原則上是可以被多個服務提供商所管轄的，所以不應再根據服務提供商進行分域。在RFNet中，同一服務提供商的路由交換平臺是根據網絡所處地理位置及其規模進行分域的，不同服務提供商所轄的路由交換平臺可以存在重疊?？芍貥嬄酚山粨Q平臺的主控設計中有資源代理模塊，該模塊負責感知路由器節點的剩余資源情況，以及鄰接鏈路的狀態信息等，并周期性地將其反饋給資源管理層。

資源管理層由可重構柔性網絡管理平臺組成，每個管理平臺負責指定域的資源管理，包括：接受用戶的可重構服務承載網構建請求，對域內資源進行感知，構建滿足用戶業務需求的可重構服務承載網，管理不同可重構服務承載網的資源分配使用情況等。資源管理層之間還存在域間資源管理邏輯，包括域間資源感知和域間資源分配。

預置信令網的構建可分為域內和域間 2個范圍。域內構建是指管理平臺與其所管控的可重構路由交換平臺間構建一個可重構服務承載網，采用的是最小生成樹算法，即以管理平臺為根，可重構路由交換平臺為中間節點和葉子節點，最小化管理平臺到路由節點間的傳輸延時與網絡資源開銷（如圖3中所示的虛線部分）。域間構建是指為管理平臺間傳遞信令而構建的可重構服務承載網，管理平臺間的拓撲連接關系可以是全連接（如圖3中所示的加粗虛線部分）、環狀或者共享樹結構，不同的拓撲連接關系在網絡資源開銷、信令傳遞的實時性、可靠性上會有所不同，如果采用環狀連接，則路徑規劃將轉化為旅行商問題（TSP, travel salesman problem）。

3.2 資源感知

管理平臺在進行可重構服務承載網構建時，需要根據重構網策略進行規劃，只有充分掌握可重構路由交換平臺的資源使用情況，才能進行最優的規劃。由于可重構服務承載網構建請求可以是跨域的，所以RFNet的資源感知分為：域內資源感知和域間資源感知。

RFNet的資源感知是通過域內網元控制（NEC，network element control）協議和域間狀態公告（DSA， inter-domain status announcement）協議進行的。這2種協議都是基于web service通信，在域內資源感知時，管理平臺與可重構路由交換平臺之間通過 NEC協議進行通信，從而使管理平臺感知域內路由節點的拓撲連接情況、鄰接鏈路情況、節點性能、節點功能以及節點狀態等信息；在域間資源感知時，管理平臺之間通過 DSA協議維護域間狀態的同步。例如，當進行資源感知時，管理平臺通過 NEC協議將資源感知請求發送到所轄域的可重構路由交換平臺，可重構路由交換平臺把該節點的拓撲結構、鄰接鏈路狀態、節點性能、功能以及狀態返回給管理平臺。當涉及到跨域構網時，管理平臺還需要將所轄域內的整體資源信息通過DSA協議通告給其他所有管理平臺。通常情況下，管理平臺周期性地感知資源，但當節點狀態（如鄰接狀態）發生變化時，節點通過NEC協議將新的資源信息發送給管理平臺，從而縮短資源感知的更新時間。

圖3 RFNet的資源管理框架

3.3 資源分配

可重構服務承載網的構建過程實際上就是底層可重構路由交換平臺的資源分配過程，管理平臺在完成對資源的感知之后，就可以根據構網策略進行資源的最優分配。可重構服務承載網的構建請求可以是跨域的，所以RFNet的資源分配分為：域內資源分配和域間資源分配。

RFNet的資源分配是通過域內可重構服務承載網元控制（VEC, intra-domain virtual element control）協議和域間可重構服務承載網控制（VNC，inter-domain virtual network control）協議進行的。與資源感知協議類似，資源分配協議也是基于web service通信的。當管理平臺進行可重構服務承載網構建時，管理平臺根據資源感知情況以及構網策略作出規劃，如果涉及到跨域構網，管理平臺將所需的其余域的構網需求通過 VNC協議發送到所對應的管理平臺中，這些管理平臺再規劃出本域內的構網方案。這樣，無論域內或域間請求，管理平臺只需將構網指令通過 VEC協議發送至相關可重構路由交換平臺的重構代理模塊中，并在收到其重構成功響應后完成可重構服務承載網的構建。

4 可重構服務承載網映射算法與機制

映射是構建可重構服務承載網的重要過程，是可重構柔性網絡管理平臺的重要功能。所謂可重構服務承載網映射，即根據用戶的構建需求及物理網絡當前的資源狀況和服務能力，通過映射算法在構建需求與網絡資源之間進行匹配，以獲得最優的網絡資源分配方案進行網絡服務的部署，生成可重構服務承載網。

4.1 映射模型

一個簡單的可重構服務承載網映射實例如圖 4所示，該可重構服務承載網請求有3個虛擬節點a、b、c以及虛擬鏈接ab、ac組成，物理網絡由A、B、C、D、E、F節點及其相應物理鏈接組成。經過映射，得到滿足節點約束和鏈路約束的最優匹配結果，即虛擬鏈路(a,b)對應物理路徑(A,B,C,D)，虛擬鏈路(a,c)對應物理路徑(A,B,F)。

圖4 可重構服務承載網映射實例

上述實例反映出可重構服務承載網映射本質上是一個關于圖的最優問題，所以本文將可重構服務承載網映射抽象成一個圖模型，并在此基礎上根據目標函數求最優解?？芍貥嫹粘休d網映射模型的建立如下。

可重構服務承載網請求模型。將可重構服務承載網構建請求用無向圖表示，其中 Nv和Lv代表可重構服務承載網的虛節點集合和虛邊集合，代表可重構服務承載網請求對虛節點和虛鏈路的約束條件，比如對虛節點的CPU資源、地理位置等的約束，以及對虛鏈路的帶寬、延遲等的約束。

可重構服務承載網映射模型。可重構服務承載網映射問題可以描述為從Gυ到 GS子集的一個滿足 Gv中約束條件的映射行為，表示形式如下：

節點映射：

鏈路映射：

目標函數。為了使底層物理網絡能夠承載更多的可重構服務承載網映射請求，本文基于負載均衡策略制定目標函數。首先，定義t時刻底層物理網絡 GS的各節點負載 Nload(t, u)和鏈路負載 Lload(t, e)，其中u∈NS，e∈LS?？芍貥嫹粘休d網映射模型對節點和鏈路的資源屬性進行了抽象化描述，本文將著重關注其中的鏈路帶寬資源和節點CPU計算資源，進而得到對節點負載和鏈路負載的具體定義。

節點負載：

鏈路負載：

其中， C PU( t, u)表示t時刻節點u的CPU資源使用量， C PU( u)表示節點 u的 CPU資源總量；BW( t, e)表示t時刻鏈路e的帶寬使用量，B W ( e)表示鏈路e的帶寬總量。通過式（1）和式（2）的定義，可以進而得出節點均衡度和鏈路均衡度。

節點均衡度：

鏈路均衡度：

將節點均衡度和鏈路均衡度線性組合，就可以得到可重構服務承載網映射的目標函數：

其中，α，β分別代表節點均衡度和鏈路均衡度的權重，多數情況下節點均衡度和鏈路均衡度是不會同時達到的，所以本文采用對二者加權組合的形式來評價整個底層物理網絡的負載均衡性；tk表示第 k個可重構服務承載網映射請求到達后的時刻。可重構服務承載網映射的目標就是使式（5）達到最小，也即讓整個物理網絡始終處于負載均衡的狀態。

可重構服務承載網映射請求是在線的，可以看成是M/M/1排隊過程，所以無法提前預知。在這種情況下，對節點負載和鏈路負載進行遞推。

當第k個請求到達時：

根據省耕地質量監測實施方案的要求，堅持“四統一”原則進行耕地質量監測點的建設。監測點選擇在生產管理方法及水平與當地大面積生產相同或相似的地方，省級監測點設4個處理小區，即：長期無肥區、當季無肥區、常規施肥區、測土配方施肥區。常規施肥區面積不小于333.4 m2，長期無肥區、當年無肥區、測土配方施肥區面積為66.7 m2。長期無肥區和測土施肥區用水泥做成永久性隔離小區，小區進水口位于進水渠上游。其余小區用塑料薄膜嵌入地下做成防滲漏的田埂來隔離。當年無肥區在監測點田塊內活動輪換，5年以上輪換一次[1]。

其中，t和t-分別代表第 k個可重構服務承載網請求到達、注銷、重構之后的時刻和之前的時刻；u和v為該承載網請求所對應的任意物理節點，e和 e'為該承載網請求所對應的任意物理鏈路；Δ C PUK(u)表示物理節點u分配給該承載網請求的CPU資源，ΔB Wk( e)表示物理鏈路e分配給該承載網請求的帶寬資源； MkN， MkL分別代表該承載網節點映射和鏈路映射；，分別代表該承載網映射被重構之后新的節點映射和鏈路映射。此外，請求重構是指原有節點/鏈路映射方案發生改變，其只會發生在請求達到與注銷的時間段之內。

4.2 映射算法與機制

基于前述模型，得到RFNet下可重構服務承載網映射算法，如圖5所示。

圖5 RFNet下可重構服務承載網映射算法

該算法分為節點映射和鏈路映射2部分。其中，節點映射的基本思想是將節點資源需求大的虛擬節點映射到節點負載小的物理節點，其前提是該物理節點的剩余資源滿足需求；鏈路映射的基本思想是在滿足鏈路約束的所有最短路徑中選擇可以使整體均衡度指標最小的路徑，并將其作為當前虛擬鏈路所對應的物理路徑。

此外，如果映射請求對虛擬節點做地理位置的限制，那么虛擬節點映射將可能會跨越多個管理域（如圖6所示），映射算法也需要進行相應的擴展，從而產生域間可重構服務承載網映射算法，如圖 7所示。

圖6 跨域可重構服務承載網請求的映射

圖7 域間可重構服務承載網映射算法

該算法的基本思想是：首先將可重構服務承載網請求根據地理位置約束分割為若干子可重構服務承載網，以及連接不同子可重構服務承載網的虛擬連接；針對每個子可重構服務承載網請求，在相應管理域內施行域內可重構服務承載網映射算法；針對域間虛擬連接，利用最短路徑算法得到跨域的物理路徑，完成域間虛擬鏈路的映射。

可重構服務承載網映射是RFNet進行網絡級重構的關鍵環節，通過可重構柔性網絡管理平臺完成，其執行過程如圖8所示。

圖8 可重構服務承載網構建過程

從圖中可以看出，管理平臺通過資源感知模塊收集各可重構路由交換平臺資源代理模塊所反饋的資源使用情況；當有可重構服務承載網構建請求到來時，管理平臺結合當前資源情況，分析可重構服務承載網請求，通過可重構服務承載網映射算法和網絡服務映射算法得到資源分配策略；之后，通過資源分配模塊將資源分配策略轉成重構命令，并發送至各可重構路由交換平臺的重構代理模塊，由其負責對路由器進行實際的重構操作。

5 網絡服務映射機制

網絡服務映射就是將用戶的業務需求映射為構件的過程，即業務—服務—構件的映射過程。網絡服務映射過程分為2個階段：拓撲映射和構件組合。拓撲映射階段主要完成將用戶業務類型映射為處理流程圖（PFG，process-flow graph）；構件組合階段主要是根據處理流程圖，搜索出最優的構件組合方案，使其滿足總體的業務性能需求。

5.1 拓撲映射

拓撲映射的過程包括業務映射、服務映射和構件映射。

業務映射是對用戶提供的業務特性 Tf=(p1,p2,· · ·,pn)進行分類，分類的依據是業務庫（TDB， traffic database）中存儲的各業務類型的聚類中心 Ci=(c1, c2,···,cn)。聚類中心ci是預先得到的，根據ATM、DiffServ等業務聚類標準，對當前網絡業務進行聚類，從而得到聚類中心。然后，通過業務分類模塊可以得到業務特征 Tf所屬的業務類型索引（TID, traffic type identification）：

服務映射是根據業務類型索引查詢該業務類型的服務拓撲 Gserv。服務映射庫（SMDB， service mapping database）存儲了不同業務類型的服務拓撲結構，記為 (TID, Gserv)，其中， Gserv= ( Sr, Eserv)，Sr = { Si|Si= ( SID, N ame, D escription), i = 1 ,2,… ,k }為服務單元的集合， Eserv為服務單元間的連接關系。整個SMDB相當于專家知識庫，每種業務類型在功能上可以分解為由若干服務單元組成的拓撲結構，這些結構作為專家知識被存儲和管理。服務映射代理的作用是根據業務類型索引對 SMDB進行查詢，返回相應的服務拓撲結構。

構件映射是根據服務單元索引（SID， service unit identification）查詢該服務單元所對應的處理流程（process-flow），從而將服務拓撲 Gserv映射為處理流程圖 Gproc。構件映射庫（CMDB， component mapping database）存儲了不同服務單元所對應的處理流程，記為 ( S ID, G 'proc)，其中：

為構件處理集合， Eproc為構件處理間的連接關系，PIDsource為該處理流程圖的源節點索引， P IDsink為該處理流程圖的末節點索引。服務單元分解成處理流程的方案作為一種專家知識被 CMDB存儲和管理，從而使得 CMDB成為一個專家知識庫。構件映射代理則根據服務單元索引SID對CMDB進行查詢，得到各自對應的處理流程圖 G 'proc，最后將之組合成整個業務類型的處理流程圖 Gproc。

5.2 構件組合

拓撲映射階段生成了處理流程圖procG ，其每個節點均為一個處理單元iP，根據iP的描述信息Description對構件庫進行基于關鍵字的檢索操作，可以得到滿足iP處理能力的候選構件集合。構件組合階段就是從每個候選構件集合i中挑選出第j個構件ijC，從而形成構件組裝圖compG 。

構件組合的依據是性能。由于RFNet下的網絡服務在運行時需要滿足一定的性能要求 Capreq=[p1,p2,…,pn]，所以候選構件都具備性能模型。候選構件ijC的性能模型可以描述為

構件組合問題建立在整數線性規劃模型基礎上，其復雜性為NP-hard問題。如果采用枚舉算法，則計算時間復雜度為 O ( Mnn)，所以僅適用于小規模構件組合。對于大規模構件組合，本文采用模擬退火算法進行近似求解。

5.3 節點重構機制

可重構路由交換平臺的體系結構基于開放式、轉發與控制相分離的思想實現，支持路由交換節點級的重構，并定義了軟硬件方面的完整重構模型?？芍貥嬄酚山粨Q平臺的重構包括硬件重構和軟件重構，其中軟件重構過程如圖9中A箭頭所示，硬件重構過程如B箭頭所示。

當主控部件接收到來自可重構柔性網絡管理平臺的重構命令時，重構代理模塊負責檢測并解析命令，如果涉及到軟件重構，則交由軟件構件代理來處理，反之則交由硬件構件代理。對于前者，軟件構件代理進行如下操作：1）接收軟件重構描述文件，并提取相關信息；2）判斷所需的構件在構件庫系統中是否齊全，并提取其描述信息；3）判斷可重構路由交換平臺的資源是否足夠此次重構；4）從構件庫系統中下載所需的軟件構件；5）將軟件構件部署到軟件構件運行環境中，并啟動構件；6）返回重構結果。對于后者，硬件構件代理進行如下操作：1）接收硬件重構描述文件，并提取相關信息；2）判斷所需的構件在構件庫系統中是否齊全，并提取其描述信息；3）根據單板資源管控模塊提供的信息，判斷單板資源是否足夠此次硬件重構；4）從構件庫系統中下載所需的硬件構件；5）將硬件構件發送至相應的單板部件中，再通過單板資源管控模塊將其部署到硬件構件運行環境中；6）返回重構結果。

圖9 可重構路由交換平臺的重構過程

主控部件（CE）是可重構路由交換平臺的控制核心，主要負責路由平臺的業務配置、運行管理、資源監控、路由計算、路由下發、軟硬件構件管理等工作，其軟件架構如圖 10所示，包括：管理接口、構件運行環境與構件、構件管理與監控、服務映射層、設備抽象層、ForCES協議中間件、Linux操作系統。

其中，管理接口為外界提供資源代理和重構代理等模塊，使可重構柔性網絡管理平臺能對可重構路由交換平臺進行資源管理和重構；構件運行環境為軟件構件提供生命周期內所需的各類資源，如CPU、內存等資源；主控部件中的構件包括路由協議構件、基本協議棧構件、管理構件、網絡安全構件、QoS構件等；構件管理與監控模塊主要完成構件的動態加載/卸載、實例化、析構、綁定和解除綁定接口，以及在此基礎上建立和約束動態重構的環境等工作；服務映射層與各路由協議構件交互，獲得路由更新信息，并與操作系統內核交互路由信息，進行路由更新、重發布等；設備抽象層將各種線卡物理設備和接口映射到主控部件，創建主控部件本地虛擬接口，并保存所有資源的抽象信息和屬性信息；ForCES協議中間件包括ForCES管理控制、ForCES協議層和傳輸映射層，主要完成ForCES協議消息的封裝、解封裝、收發與管理等操作。

圖10 主控部件的軟件架構

6 實驗評估

通過上述的描述，可以看出RFNet在網絡管控和可擴展性上具有突出的特點，本節從網絡層面對RFNet的可重構服務承載網構建性能進行評估。

6.1 環境設置

仿真環境為Intel(R) Core(TM) i7 CPU 2.67GHz，RAM 2GB的PC上，通過C++編程實現RSCN映射算法。使用GT-ITM[22]隨機產生50個節點組成的RFNet底層拓撲，以及1 000個RSCN拓撲。RFNet的節點和鏈路資源在50到100間均勻分布，節點連接概率為0.5。RSCN節點數在2到10之間均勻分布，節點和鏈路資源約束在0到50之間均勻分布，節點連接概率為0.5。RSCN請求的到達過程服從以100時間單位均值為5(單位：個)作為參數的泊松過程，每個 RSCN的生存時間服從參數為μ= 1 000的指數分布。此外，在對式(5)的全網負載均衡性計算中，取 α =β=0.5。

6.2 評價尺度

可重構服務承載網構建目的是研究承載網的服務提供能力。本算法通過引入負載強度，對網絡資源利用及網絡負載分布是否均衡進行衡量，進而影響承載網絡的服務提供能力。因此，本文使用以下4種尺度對算法的性能加以評價討論。

1) 構建成功率

根據前文分析，增強承載網絡服務能力的體現是構建盡可能多的RSCN。因此，類似于虛擬網研究中的接受比(acceptance ratio)，定義網絡構建成功率這個重要的評價網絡構建算法是否有效的尺度。網絡構建成功率是一段時間內算法構建成功的RSCN數占總構建請求數的百分比。即

2) 最大節點強度

最大節點強度是衡量物理網內路由交換節點承載的服務承載網所造成的節點強度nS的最大值。為比較算法對節點強度影響，還定義了平均節點強度。平均節點強度是衡量物理網內路由交換節點承載的服務承載網所造成的節點強度nS的數學期望，即

其中， VLCN為RSCN節點， Vs為物理網節點，N為物理網絡節點數，在這里， N ≤ 5 0。

3) 平均鏈路利用率

平均鏈路利用率是衡量利用算法所構建的服務承載網絡所占鏈路帶寬之和與物理網絡分配的所有鏈路資源帶寬之和的比值。

該式所定義的平均鏈路利用率可以衡量算法對整網鏈路資源的均衡利用情況。

4) 構建平均收益

構建RSCN是服務提供商通過“批發”物理網絡資源，“零售”給各業務提供商。因此，應該定義指標來衡量構建算法帶來的收益。本文所定義的構建收益是服務提供商構建RSCN后，形成服務能力賣給業務提供商所獲得的收益，與業務提供商所需的RSCN帶寬bwi（ lv） 成正比。

而構建平均收益定義為

表示一段時間內網絡構建收益的平均值。

6.3 結果討論

1) 構建成功率

圖 11橫軸表示的請求數為從仿真起始時刻開始到本時刻，累計到達的所有請求的個數。由仿真結果可以看出，當建網請求到達數不多時，幾種算法的構建成功率都可以接近或等于 100%，但隨著請求數逐漸增加，由于各種算法資源分配方法的不同，使構建成功率出現了不同的變化，接近線性的下降過程。而隨著請求數的進一步增加，原來存在的RSCN達到生存時間，不斷有網絡資源釋放，因此，構建成功率會逐漸達到一種統計上的穩態。在比較的 4種算法中，文獻[14]中的 basic-VN和sub-VN算法采用啟發式方法進行節點映射，且假設資源是無限的，為性能比較，改動為適合本文仿真環境。由仿真結果發現，構建成功率基本為50%左右，并沒有RSCNM算法的構建成功率高。這是因為 basic-VN，sub-VN雖然考慮了節點可用資源及最大負載強度，但鏈路映射仍然采用與文獻[13]相似的最短路徑選路算法SPF，容易產生瓶頸鏈路；RSCNM構建成功率高于60%，由于RSCNM算法不使用最短路徑進行選路，并且在資源分配過程中均衡了負載強度，使每一次的分配給后續的構建造成的影響相對都是均衡的，使構建成功率明顯要高；可以看出 RSCNM 構建成功率比其他算法有10%以上的提高。

圖11 構建成功率

2) 平均鏈路利用率

由圖12可以看出，請求數較少時，幾種算法所帶來的平均鏈路利用率都是快速上升的，隨著請求次數增加到170次左右，在每個時間窗內不斷有RSCN到達生存期，釋放資源，使平均鏈路利用率達到一種統計上的穩態。由于RSCNM算法引入了負載強度控制，剛開始鏈路負載分布較均衡，平均鏈路利用率并不高，當其他算法已經出現較高平均鏈路利用率后，RSCNM 算法在請求次數達到200次才開始升高，并且均衡分布負載，構建成功率要高于其他算法，當達到統計穩態后，平均鏈路利用率比其他算法都要高。從圖12還可以看出，由于RSCNM算法根據物理網絡狀態自適應選擇偏重鏈路強度均衡的路徑或者節點強度均衡的路徑，可以看出不管是偏重于哪個指標，對鏈路利用率的影響都是積極的，使得鏈路資源使用均衡，因此最終得到的平均鏈路利用率是相對較高的。

3) 最大節點強度

由圖13可以看出，對于到達的請求，RSCNM 、basic-VN、sub-VN算法穩態的最大節點強度接近45%，靠近平均節點強度40%，比起SPF (55%)來說，有了較大的改善。這是因為RSCNM算法包含了根據路徑平均節點強度進行計算的步驟，而basic-VN、sub-VN在節點映射時采用了最小化最大節點強度的算法。同時，從圖 13還可以看出，一定的到達請求次數內，RSCNM 的最大節點強度略比 basic-VN，sub-VN要好，但有時受到算法調整鏈路強度影響而發生變化。這是因為RSCNM算法強調網絡資源分配的均衡性，使每個節點上分布的RSCN個數相對均衡，并不會為某次資源分配而造成網絡負載失衡；并且采取自適應調整，有時會根據鏈路強度進行調整，因此會對它的最大節點強度性能有所影響。

圖12 平均鏈路利用率

圖13 最大節點強度

4) 構建平均收益

由圖14可以看出，根據RSCN構建平均收益的定義，隨著請求數增加，由于能夠構建的RSCN數目增加，收益呈遞增的趨勢。當請求數到達一定數量后，由于網絡可用資源逐漸減少(釋放資源相對構建請求所需資源，還遠遠不夠)，構建成功率的降低并呈穩態，能夠構建的RSCN數目也呈穩態趨勢，構建平均收益也呈穩態分布(由于每隔一段時間釋放一些資源，因此，盡管構建成功率降低，但存在的RSCN數目及所用資源基本成穩態趨勢)。

圖14 構建平均收益

7 結束語

本文在可重構柔性網絡體系結構背景下，對“資源管理—承載網映射—網絡服務映射”機制進行了詳細論述。首先，介紹了可重構柔性網絡的體系結構；其次，闡述了可重構柔性網絡的資源管理機制；然后，闡述了可重構服務承載網映射機制，并著重提出一種基于負載均衡的可重構服務承載網域內、域間構建算法；最后，根據可重構服務承載網的資源映射方案，提出一種基于構件化可重構路由交換平臺的網絡服務部署機制。通過仿真實驗驗證了本文提出的可重構服務承載網映射算法在網絡構建成功率、最大節點強度、平均鏈路利用率和構建平均收益上具有明顯的優勢。

本文提出的可重構柔性網絡“資源管理—承載網映射—網絡服務映射”流程機制已成功應用在建成的“可重構柔性實驗網”之上。未來將通過部署更多的業務應用來測試、驗證和完善所提出的關鍵機制。

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