帶有區分保護的虛擬化FiWi網絡可靠傳輸機制

王汝言，高毅爽，陳霄

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帶有區分保護的虛擬化FiWi網絡可靠傳輸機制

王汝言1,2，高毅爽1,2，陳霄1,2

（1. 重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2. 重慶郵電大學光通信與網絡重點實驗室，重慶 400065）

針對用戶對網絡服務的差異化可靠性需求，提出一種帶有區分保護的虛擬化光無線融合網絡可靠傳輸機制。以用戶需求的保護質量及所能夠支付的費用作為條件，通過恢復概率進行多等級保護質量的量化，靈活地分配備份保護資源；利用等級服務區分算法篩選滿足業務保護質量等級的保護路徑，降低業務阻塞以及不受保護的業務數量，提高業務保護質量。結果表明所提機制在平均收益開銷比和底層網絡資源開銷等指標上具有較高優勢，在滿足用戶可靠性需求的同時，能夠為用戶提供更靈活的虛擬網絡數據傳輸。

光無線融合網絡；網絡虛擬化；可靠性；區分保護

1 引言

隨著用戶對高速數據和多媒體業務的需求日益增長，傳統無線接入方式已無法滿足用戶不斷增長的帶寬需求，移動互聯網、物聯網等業務的迅速普及導致高容量的光纖接入方式無法保障接入的靈活性[1]。低成本、高帶寬的光網絡與高移動性、高靈活性的無線網絡的有效結合為下一代接入網提供了合理可行的解決方案[2]。光無線（FiWi，fiber-wireless）融合接入網由前端無線網狀網（WMN，wireless mesh network）和后端無源光網絡（PON，passive optical network）組成[3]，具有PON的高帶寬、低損耗、傳輸穩定和WMN的易部署、支持移動性等優點，能夠以更加靈活的方式為用戶提供更高質量的接入服務。然而，隨著用戶規模不斷擴大，不同用戶的身份背景、使用目的和經濟狀況不同，用戶對網絡服務的使用，尤其是服務可靠性保護方面呈現差異化的需求[4]。

根據文獻[5]中對用戶需求差異化的定義，可將網絡中的用戶分為3類。第一類用戶對業務的實時性要求較高，需要服務提供商（SP，service provider）提供高質量的服務保護，同時愿意支付相應的報酬作為交換。第二類用戶對業務實時性要求相對較低，在保證數據正確傳輸的情況下，可以接受一定的服務延遲。因此對服務的保護質量（QoP，quality of protection）沒有第一類用戶高，同時希望降低一定的支付費用。第三類用戶由于業務不重要或經濟不允許等原因，不想支付保護費用，且愿意忍受服務的數據損壞或中斷。對于這3類用戶的不同需求，SP如何將其同時映射到融合網絡中，并為其分配合理的網絡資源來滿足不同用戶的不同需求，成為FiWi融合接入網絡可靠傳輸的一大研究熱點。

網絡虛擬化技術將數據傳輸功能和控制功能解耦合，使多個相互獨立的虛擬網絡可共存于相同基礎設施，因此，利用虛擬化技術可在FiWi網絡中將多等級業務映射在不同虛擬網絡中，實現有效隔離。同時，利用網絡虛擬化高效的資源分配機制，可以在保證服務質量的前提下，實現底層資源的最優化使用。網絡虛擬化中虛擬網絡映射問題是網絡虛擬化技術實現的一個關鍵步驟[6]。目前，虛擬網絡可靠映射方法通常是基于冗余資源的保護。文獻[7]提出了一種全備份保護方法，通過對鏈路采用全備份保護，使網絡可靠性得到了保障。文獻[8]提出了一種備份資源池共享機制，通過備份資源共享實現保障網絡可靠，同時減少備份資源占用。文獻[9]以最小資源消耗為目標提出一種節點和鏈路遷移與重映射算法。通過將故障節點和鏈路進行重映射保障網絡的可靠性。以上機制在一定程度上提高了業務傳輸的可靠性，不足之處在于所提方案并未對業務進行區分，沒有考慮到實際場景中不同業務間的差異性及對可靠性的不同要求。從充分利用網絡可用資源的角度出發，文獻[10]提出了QoP的概念，通過參數形式表示網絡故障時業務需要提供的保護資源比例，然而其僅考慮了帶寬約束，而虛擬網映射需要考慮節點和鏈路雙重約束。文獻[11]在虛擬網絡基礎上提出了區分業務等級的QoP，但只是將業務保護按比例進行區分，并沒有對業務進行有效的劃分。

目前，FiWi網絡中的可靠傳輸機制主要依賴業務無差別的設備級備份方式，或從服務等級區分的角度考慮業務級的可靠傳輸，但服務等級區分相對粗糙，造成因備份資源分配不合理而導致的資源浪費問題。因此，FiWi網絡中的傳統可靠傳輸機制并不適用于虛擬化FiWi網絡中，其主要原因在于，傳統可靠傳輸機制無法利用虛擬化的資源集中管理優勢對拓撲路徑和節點資源進行最優分配，雖然生存性得到保障，但使備份資源在主鏈路無故障的情況下長期處于閑置狀態，降低了資源利用率。

為解決以上問題，本文提出一種帶有區分保護的虛擬化FiWi融合網絡可靠傳輸機制。首先，根據用戶需求的QoP及能夠支付的費用，設計出基于恢復概率的靈活區分保護的策略。然后，提出一種靈活等級服務區分算法（FLSDA，flexible level service differentiated algorithm）選擇滿足業務QoP需求的保護路徑，所提算法利用廣度優先搜索樹尋找映射節點。最后，利用帶有靈活QoP策略的遺傳算法求解鏈路映射方案，進而完成保護路徑映射，最小化網絡開銷，為用戶提供更靈活的虛擬網絡故障恢復方案。

2 問題描述與網絡模型

2.1 業務保護等級劃分

近年來，針對鏈路故障的共享備份保護方案中，大多是針對全網業務提高資源利用率、網絡可靠性的方案，忽略了業務多樣性所引發的服務質量需求差異化問題。隨著業務種類的增多，業務優先級的劃分也成為一種必然的趨勢。然而，目前針對業務優先級的劃分大多將實時要求較高的語音、視頻等業務定義為非彈性服務，設置為較高的優先級，將對時延不敏感的WWW/E-mail等業務定義為彈性服務，設置為較低優先級[12]，很少從用戶角度根據所愿意支付的費用和對保護質量的需求對業務實現有效的區分保護。針對以上問題，本文從用戶角度出發，利用網絡虛擬化全局視角和資源集中管理的優勢，根據業務要求的QoP，靈活地為業務提供不同等級的恢復概率，減小統一備份方案與差異化業務不適配造成的資源浪費。所提方案中首先利用多路徑在WMN中并行傳輸業務數據，并將業務數據在光網絡單元（ONU，optical network unit）處進行匯聚；其次，利用光域的高帶寬及高可靠性，在PON側進行單鏈路傳輸。WMN中主路徑采用多路徑傳輸，備份路徑在考慮用戶需求的QoP及所能夠支付的費用的前提下，通過恢復概率進行多等級保護質量的量化，更加靈活地為其分配備份保護資源。所提策略的QoP等級通過傳輸鏈路的平均可恢復概率確定，不同業務的QoP方案如下。

通過以上靈活的等級劃分，服務提供商可根據用戶需求更加有效地分配保護資源，達到提高網絡資源利用率進而提高收益的目的。

2.2 網絡模型

FiWi網絡虛擬化的過程就是將網絡中的物理資源抽象成虛擬資源的過程，通過抽象物理節點和鏈路ID、位置、功能屬性、非功能屬性等資源，屏蔽FiWi網絡中光域和無線域拓撲結構、鏈路帶寬等網絡性能的差異。圖1為融合網絡虛擬化的整體架構。為了屏蔽光域和無線域網絡的異構性，本節將虛擬化FiWi分為3層：基礎設施層（InF, infrastructure）、虛擬化管理層（VM, virtual manager）以及網絡服務層（SP, service provider）。該模型把基礎設施層中PON和WMN的物理資源抽象成虛擬資源，形成虛擬資源層，以便虛擬資源管理器（VRM，virtual resource manager）將抽象化的資源集中化管理。這些抽象的虛擬資源繼承了底層設備的物理屬性，包括帶寬、容量、存儲空間等資源。在虛擬化管理層，VRM根據服務提供商的虛擬請求對虛擬資源進行分配。SP在虛擬網絡上為用戶提供個性化的網絡服務，用戶需求的業務完成后，VRM釋放該VN占用的網絡資源，等待SP的再一次虛擬資源請求，進而完成FiWi網絡的虛擬化。

圖1 融合網絡虛擬化模型

本文以滿足業務不同QoP保護需求為目標，對區分QoP的虛擬網絡映射問題進行混合規劃建模。首先對虛擬網絡請求及底層物理網絡的模型和文中所用的符號、變量進行說明，如表1所示。

表1 符號及變量說明

由于虛擬網絡共享底層物理網絡，不同保護等級的業務對應的虛擬節點映射在同一個物理節點上，因此，物理節點剩余處理能力為該節點總處理能力與已經映射到該節點上的業務占用的處理能力之差，如式(2)所示。

進而，物理鏈路的可用帶寬表示為

SP負責接收業務請求，當有業務到達時，SP根據業務特點及QoP需求生成面向虛擬化管理層的虛擬網絡資源請求，虛擬網管理層根據虛擬網請求組建虛擬網絡，然后將組建好的虛擬網絡反饋給SP。最后，通過開放的編程接口將虛擬網絡映射到物理網絡進行傳輸。

3 帶有區分保護的傳輸機制

3.1 路徑QoP等級量化

本文在WMN中利用網狀拓撲結構進行多路徑傳輸，因此鏈路狀態互相獨立，由此可知，業務可恢復概率為各鏈路可恢復概率的期望值，如式(8)所示。

3.2 目標函數

3.3 基于路徑恢復概率的QoP策略

對于規模較大的虛擬化FiWi網絡，本文提出一種靈活的服務等級區分算法用于業務可靠傳輸。該算法通過構建廣度優先搜索樹[13]尋找映射節點，通過遺傳算法尋找鏈路映射方案，給定底層物理網絡拓撲和帶有QoP保護需求的虛擬網絡映射。當網絡故障發生時，所提策略要能夠保障不同用戶的QoP需求，同時最小化網絡開銷。

算法1 多路徑映射策略偽代碼

10) end for

11) end for

15) end if

17) end for

20) end function

由于遺傳算法采用種群搜索，可實現信息交互、全局解空間搜索，更符合網絡虛擬化的全局化管理方式，并且，遺傳算法中只考慮輸入輸出關系的黑箱式操作可簡化虛擬網映射關系復雜度。本文利用遺傳算法選擇備份路徑，提供滿足業務QoP需求的備份資源，保證業務傳輸的可靠性。根據遺傳算法的執行流程和業務區分保護設計映射的求解要求，本文通過如下步驟來實現算法得出優化方案。

1) 編碼模式

2) 創建初始群體

圖2 染色體結構

3) 確定適應值函數

4) 遺傳操作

遺傳操作的意義是通過遺傳法則隨機地改變群體中的個體，進而在可行解得范圍中盡快地搜索到問題的最優解[16]。

圖3 備份路徑選擇過程

本文所提算法FLSDA的區分QoP的備份鏈路映射策略的偽代碼如算法2所示。

算法2 區分QoP備份鏈路選擇策略偽代碼

4) while stop condition do not meet do

10) else

14) else

16) end if

17) end if

19) end for

27) else

30) else

33) end if

34) end if

35) end if

36) end for

39) end while

3.4 算法復雜度分析

本文所提靈活等級服務區分算法主要由多路徑映射及區分QoP備份鏈路選擇算法組成，下面對算法復雜度進行具體分析。

在多路徑映射過程中，首先，在節點分配過程中使用廣度優先搜索算法，其算法時間復雜度為(+)，其中，為物理節點的數量，為節點間鏈路數量。根據處理能力將虛擬節點和物理節點進行模糊匹配，經典模糊匹配的最優時間復雜度為(lb)。因此，節點選擇過程的整體時間復雜度為(lb)。其次，在鏈路映射過程中，使用計算最小開銷的方法尋找滿足條件的路徑集合，經過分析可知，最其整體時間復雜度為((lb))。根據上述分析，可得本文多路徑映射算法的整體時間復雜度為((lb) ((lb)))。

綜上所述，本文所提靈活等級服務區分算法復雜度的最高指數形式為常值，即為多項式時間。

4 數值結果分析

網絡拓撲由GT-ITM工具隨機產生[19]，本文的主要仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數設置

4.1 不同QoP等級的網絡資源開銷

為驗證本文所提算法FLSDA的性能，首先對FLSDA的網絡資源開銷進行驗證?？紤]到節點處理能力遠遠大于虛擬節點請求，且節點失效的概率較小，本文仿真中的網絡資源開銷以鏈路帶寬資源開銷為依據進行驗證。在不同網絡請求量U下，網絡資源開銷與QoP等級的關系如圖4所示。可以看出當U一定時，隨著QoP等級的增大，網絡資源開銷也隨之增大。這是因為當QoP等級相同時，隨著請求數量的增大網絡擁塞導致故障的概率也會增大，因此需要更多的備份資源；QoP等級增大，備份資源的比例隨之增大，因此帶寬開銷隨之增大。

圖4 不同QoP等級的網絡資源開銷

4.2 不同算法的網絡資源開銷

圖5 不同算法的網絡資源開銷

4.3 虛擬網絡故障修復率

圖6 虛擬網絡故障修復率

4.4 虛擬網絡請求接受率

采用備份路徑構造傳輸算法能夠使虛擬網絡獲得較高的故障修復率，但由于備份資源占用了大量的網絡可用資源，導致用于傳輸業務的網絡資源減少。圖7是3種算法的虛擬網絡請求接受率對比。由圖可知FLSDA的網絡請求接受率相比PBPA平均高出7%，相比FBPA平均高出16%。這是因為FBPA采用全備份保護，由圖5的網絡資源開銷可以看出對于相同的網絡請求，FBPA需要的網絡資源最多，因此，其接受率最小。相比于PBPA，FLSDA采用多路徑傳輸，能更充分地利用網絡可用資源，因此其網絡請求接受率最大。

圖7 虛擬網絡請求接受率

4.5 平均收益開銷比

為了分析算法的網絡效益，本文分別對3種算法的收益開銷比進行仿真分析，其中收益指用戶所支付的費用，表示為

開銷指網絡分配給用戶網絡資源的開銷，表示為

圖8 平均收益開銷比

5 結束語

本文針對網絡用戶不同QoP需求的網絡虛擬化映射問題進行了研究，提出一種帶有區分保護的FiWi網絡可靠傳輸機制，并設計了一種基于恢復概率區分QoP的啟發式算法對該問題進行求解。算法根據網絡的可恢復概率定義鏈路的QoP等級，然后依據用戶需求的QoP及所能夠支付的費用，通過遺傳算法為其靈活地分配備份保護資源。實驗結果表明算法在平均收益開銷比和底層網絡資源開銷等指標上具有較高優勢，從而在滿足用戶QoP需求，提高網絡資源利用率的同時，為用戶提供更靈活的虛擬網絡數據傳輸。

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Reliable transmission mechanism with differentiated protection in virtualized fiber-wireless access network

WANG Ruyan1,2, GAO Yishuang1,2, CHEN Xiao1,2

1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China 2. Key Laboratory of Optical Communication and Network, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

In view ofthe different reliability requirements of network service, a reliable transmission mechanism with differentiated protection was proposed in virtualized fiber-wireless access network. The quality of protection required by users and the fees that can be paid were used as a prerequisite. The backup protection resources were flexibly allocated by quantifying the multi-level protection quality with the probability of recovery. Then, for reducing traffic congestion and the unprotected services, the level service differentiation algorithm was used to choose protection link which was satisfied with the level of protection quality. The results show the proposed mechanism has more advantages in terms of long-term benefit-to-cost ratio and underlying network resource overhead, and provides users with a more flexible virtual network transmission while satisfying users’ reliability requirements.

integrated fiber-wireless access network, network virtualization, reliability, differentiated protection

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2019069

2018?08?28；

2019?02?22

國家自然科學基金資助項目（No.61771082）；重慶市高校創新團隊建設計劃基金資助項目（No.CXTDX201601020）

The National Natural Science Foundation of China (No.61771082), Chongqing Funded Project of Chongqing University Innovation Team Construction (No.CXTDX201601020)

王汝言（1969?），男，湖北浠水人，博士，重慶郵電大學教授、博士生導師，主要研究方向為泛在網絡多媒體信息處理等。

高毅爽（1995? ），男，四川廣元人，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為光無線融合網絡。

陳霄（1991? ），男，河北邯鄲人，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為光無線融合網絡。