一种混合虚拟数据中心高效映射方法技术

本发明专利技术公开了一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：每个混合VDC中不仅有单播虚拟链路，同时也包含多播树,用单播虚拟链路来支持单播业务，用多播树来支持多播业务。本发明专利技术同时支持单播和多播业务，并针对该类VDC业务提出了一个新的映射方法，同时设计了一个混合整数线性规划(MILP)模型以及一个高效的启发式算法来实现该映射方法。仿真结果证明本申请提出的混合VDC的映射能方式在系统成本，能耗、链路资源的使用以及业务的映射成功率等方面能提供相当不错的性能。

An Efficient Mapping Method for Hybrid Virtual Data Center

The invention discloses an efficient mapping method for hybrid virtual data center, which is characterized by: not only unicast virtual link but also multicast tree is included in each hybrid VDC, unicast virtual link is used to support unicast service and multicast tree is used to support multicast service. The invention supports both unicast and multicast services, and proposes a new mapping method for such VDC services. At the same time, a mixed integer linear programming (MILP) model and an efficient heuristic algorithm are designed to realize the mapping method. The simulation results show that the proposed hybrid VDC mapping method can provide fairly good performance in system cost, energy consumption, link resource utilization and service mapping success rate.

【技术实现步骤摘要】
一种混合虚拟数据中心高效映射方法
本专利技术涉及一种数据中心映射，具体为一种同时支持单播和多播业务的混合虚拟数据中高效映射方法。
技术介绍
混合虚拟数据中心（VDC）映射是一个非常重要而又具有挑战的研究难题。挑战在于如何高效的实现多个VDC业务对分布在众多节点和链路中的数据中心资源的共享。尽管VDC映射和虚拟网络映射（VNE）有相似之处，但和后者相比，VDC映射必须克服数据中心架构的异构型，同时还必须考虑到数据中心庞大数量的节点和链路给映射带来的负载性。现存的关于VDC映射的研究主要考虑例如成本、能耗以及可靠性等性能指标，但都紧紧考虑了VDC中的单播业务，这种方式当然对大量存在于数据中心（DC）内部的多播业务非常的低效。例如，许多利用分布式文件系统以及MapReduce等类型的业务存在大量的多播流量，这些在如今的研究中都不曾考虑到。当然，单播的方式是可以支持多播的业务的，但这种方式无疑会造成资源的利用效率低下同时导致更高的成本（例如能耗的成本、为支持大容量业务必须升级硬件等）。更严重的，这种方式还会造成服务质量的下降（例如引起更高的业务拒绝率、过高的时延等）。因此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种混合虚拟数据中心（VDC）的概念来同时支持单播和多播业务，并针对该类VDC业务提出了一个新的映射方法，同时设计了一个混合整数线性规划(MILP)模型以及一个高效的启发式算法来实现该映射方法。仿真结果证明本申请提出的混合VDC的映射能方式在系统成本，能耗、链路资源的使用以及业务的映射成功率等方面能提供相当不错的性能。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种混合虚拟数据中心高效映射方法，每个混合VDC中不仅有单播虚拟链路，同时也包含多播树,多播树是由一组虚拟链路链接一个源节点和多个目的节点构成的，所述多播树中的虚拟链路都是单向的，并且每个虚拟链路的链路容量是相同的。用单播虚拟链路来支持单播业务，同时用多播树来支持多播业务。另外，还通过构建MILP优化模型来实现多播树支持多播业务，以达到在最小化系统成本和能耗的同时减少数据中心链路资源使用的目的。在MILP优化模型中，单播虚拟链路以及多播树都是用会话进行表示的；即：某个VDC中的一个多播树可以表示成一个源节点和多个目的节点构成的一个会话，而多播树中虚拟链路的容量等于会话的容量需求；尽管单播的会话可以认为是一个特殊的多播会话，仍然用不同的流量矩阵来表示这两种类型的业务，以此作为问题输入。所述MILP优化模型的集合、参数、变量以及限制条件等如下：目标：最小化。限制条件解释：VM节点映射限制条件：条件（2）是服务器容量的限制。（3）保证一个VM只能被映射到一个服务器节点。（4）到（6）是为了找到VDCi中会话j的目的服务器节点n。条件（7）是统计VDCi的会话j中的所有的目的服务器的个数。多播链路映射限制条件：条件（8）保证用于构建多播生成树的每个交换机节点有一个流入该节点的单向的边（链路）。（9）和（10）保证只要有VDCi中会话j中的虚拟机映射到服务器n上，该服务器就成为构成这个会话的多播生成树的一部分。（11）保证每个目的服务器都有一个出去的边。条件（12）保证每个用于构造多播树的交换机都有至少一个属于该多播生成树的边。条件（13）保证如果某个多播会话的源VM节点映射到一个服务器节点n上，而且该会话中至少有一个目的VM节点映射到其它的服务器中，那么服务器n至少有一个出去的边用来构成该会话的对应的多播生成树。条件(14)保证了一个多播树的目的服务器节点没有出去的边。（15）保证了如果没有虚拟机映射到一个服务器上，该服务器就没有出去的边。链路容量限制条件：限制条件（16）保证在任何时候，映射到任意物理链路上的所有虚拟链路的总容量不得超过该物理链路的容量。构造多播生成树的流限制条件：限制条件（17）到（24）实际上是构造多播生成树的流量守恒方程的变形，其目的在于为一个多播会话成功构建一个完全连接的树桩拓扑。具体地，（17）保证从一个中间交换机出去的流的个数等于汇入该交换机节点的流的个数。（18）-（20）则保证了从一个源服务器出去的流的总个数等于目的服务器的个数。（21）则保证了汇入源服务器的总的流的个数为0。（22）保证每个目的服务器没有流出的流。（23）和（24）保证如果从某个物理链路上穿过的流的个数大于零的话，该链路必然是构成对应多播生成树的一部分。单播链路映射限制条件：条件（25）和（26）保证了对每个单播会话的流量守恒。处于工作状态的服务器和交换机端口限制条件：条件（27）表示如果有虚拟机映射到某个服务器上，该服务器必然处于活动状态。（28）-（31）保证如果有流入或流出该服务器的流量（虚拟链路的端节点映射到该服务上），则该服务器处于活动状态。（32）-（36）用来判断在映射完成后用到了哪些物理链路。（37）和（38）用于统计处于活动状态的服务器和交换机端口的数量。一个ILP模型的计算复杂度主要取决于具有主导数量的变量和限制条件。在该模型中，变量的数量水平为，起绝对主导作用。其中指的是VDC请求的总个数，是每个VDC中VM节点集合中的包含的元素数量，指的是物理节点的总数量，而则表示对应的集合中邻节点元素数量。而限制条件中对计算复杂度起到决定影响的是（35）和（36），该限制条件中包含的限制条件的数量水平为，其中，指的是物理网络中的服务器节点个数。如果仅仅考虑最小化服务器以及链路资源的使用，同一个VDC中的VM节点会尽量的映射到最少的服务器中。这显然会造成服务可靠性的降低，因为，一旦一个服务器节点发生故障，很可能会造成整个VDC的众多VM功能丧失，严重的会导致整个VDC的功能丧失[9]。为了保证VDC业务的可靠性，我们增加了一个限制条件（39）保证一个服务器智能为最多K个VM节点服务。在我们的研究当中，将该值设为1。此外，如果我们将一个单播会话看成仅仅包含两个VM节点的特殊多播会话，该模型中的参数、变量以及限制条件（25）-（26）、（30）-（31）、（35）-（36）都可以省略掉。而且，限制条件（16）以及（34）中的单播部分的参数和变量都可以直接移除，从而得到大大简化。目标函数则简化为：。所述MILP优化模型适用于静态的业务请求，即每个VDC业务的资源请求以及他们请求使用资源的时间都是已知的。混合VDC映射的启发式算法的步骤为：先假设数据中心拥有足够的服务器来完成所有VDC请求的映射，并将数据中心的服务器节点分成若干个小组，同一个机架内的服务器构成一个基本组；然后，以基本组为单位，将两个或多个组合在一起构成更大的分组；根据这些服务器分组的服务器个数从小到大排序，对于服务器个数相同的分组，进一步将这些分组按照其中处于工作状态的服务器个数按照从大到小的顺序排列；这个目的有两个：第一，尽量让VDC映射到小的分组内部，这样可以降低求解的规模，而且可以保证同一个VDC映射到相距较近的服务器，可以减少网络资源的占用；第二，尽量将VDC映射到工作状态较多的服务器分组，可以减少服务器的使用数量。我们将这些分组用列表来表示。对每个VDC业务，算法会扫描上述的列表并找到第一个合适的分组来实现映射。VM节点映射进程：该进程是Matc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：每个混合VDC中不仅有单播虚拟链路，同时也包含多播树,用单播虚拟链路来支持单播业务，用多播树来支持多播业务。

【技术特征摘要】
1.一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：每个混合VDC中不仅有单播虚拟链路，同时也包含多播树,用单播虚拟链路来支持单播业务，用多播树来支持多播业务。2.根据权利要求1所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：所述多播树是由一组虚拟链路链接一个源节点和多个目的节点构成的，所述多播树中的虚拟链路都是单向的，并且每个虚拟链路的链路容量是相同的。3.根据权利要求1或2所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：还可以通过构建MILP优化模型来实现多播树支持多播业务，以达到在最小化系统成本和能耗的同时减少数据中心链路资源使用的目的。4.根据权利要求3所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：MILP优化模型中，单播虚拟链路以及多播树都是用会话进行表示的；即：某个VDC中的一个多播树可以表示成一个源节点和多个目的节点构成的一个会话，而多播树中虚拟链路的容量等于会话的容量需求；尽管单播的会话可以认为是一个特殊的多播会话，仍然用不同的流量矩阵来表示这两种类型的业务，以此作为问题输入。5.根据权利要求3或4所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：所述MILP优化模型的内容如下：。6.根据权利要求5所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：所述MILP优化模型的目标是在在成功映射所有VDC请求的基础上，最小化系统成本以及链路的容量的使用，即。7.根据权利要求5所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：为了实现成功映射所有的VDC请求，必须满足以下限制条件：。8.根据权利要求7所述的一种混合虚拟数据中心高效映射方法，其特征在于：为了保证VDC业务的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：符小东，郭超，沈纲祥，揭水平，缪冬青，丁建军，王建兵，张伟，
申请(专利权)人：中天宽带技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32