一种基于业务感知的空天地一体化网络动态虚拟网络映射方法

1.本发明属于空天地一体化异构融合网络中网络虚拟化及虚拟网络映射技术相关领域，具体涉及一种基于业务感知的空天地一体化信息网络动态映射方法。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，自第三次工业革命以来通信、电气、计算机等为代表高新技术彻底打破了人们的生活方式。网络通信方面也快速经历了从1g到5g的发展，随着互联网应用场景的扩张，基于空天地一体化异构融合网络的6g网络研究也成为夺取未来信息技术发展的高地。然而纵观现有一体化网络架构，主要由以下几部分融合而成，具体包括以传统核心网、无限局域网为主形成的地基通信网络，以航空自组织网络、无人机通信点等构成的天基网络以及以高低轨道卫星和地球同步轨道卫星构成的空基网络。
3.其中，各网络域在网络协议、资源属性、拓扑构成等方面发展情况不一。仍面临空基网络域通信范围广但链路时延大、天基网络移动性强但易受能耗影响、地基网络通信质量好但链路易受自然灾害影响且不具有移动性等问题的困扰，而虚拟网络映射作为网络虚拟化技术的有效手段之一能够借助对底层网络物理资源和用户服务请求解耦的优势，对各类异构网络资源提供统一抽象化的管理，在不改变真实物理架构的基础上，实现网络性能的最大化。
4.鉴于传统经典的虚拟网络映射算法多针对单域的同构网络设计，映射中往往仅考cpu资源单一的节点属性，在链路映射阶段资源约束也仅为带宽资源，不能满足诸如空天地一体化网络异构融合网络中资源属性多样化等特点。同时传统映射算法中网络拓扑单一无需考虑因节点移动性产生的拓扑变化问题，因此无法满足空天地一体化异构融合网络的拓扑时变性特点，导致易产生资源碎片化现象引起资源利用率低的问题。此外，伴随智慧城市、车联网、远程医疗、云计算等大量互联网应用场景的扩展，单一的映射方案往往无法充分发挥不同网络域的特性优势，因此提出一种基于业务感知的空天地一体化动态映射算法显得十分必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于业务感知的空天地一体化网络动态映射方法，以弥补传统映射算法在空天地一体化异构融合网络中的诸多不足，进而解决上述提出的网络拓扑动态性、映射方案单一性、映射资源异构性等问题，提高资源利用率，降低映射开销。
6.为实现上述目的，本文通过以下技术手段实现：
7.一种基于业务感知的空天地一体化网络动态映射方法，包括：
8.步骤1，以地面核心网、无线局域网为主的地基网络、以无人机网络、航空自组织网络为主的天基网络和以高、低轨道卫星及同步轨道卫星构成的空基网络等融合构成的空天地一体化异构网络为虚拟网络映射的底层物理网络，以用户的个性化服务请求抽象为虚拟
网络映射的虚拟网络进行数学建模；
9.步骤2，综合考虑空天地一体化异构网络中各网络域的资源差异性、网络自组织性等问题，结合传统的单域同构型虚拟网络映射算法中节点和链路资源约束要求，将异构融合网络中来自不同网络域的用户虚拟网络映射请求按映射资源请求量拆分，并利用资源向量进行标准化处理；
10.步骤3，根据标准化结果，参考笔者前期已提出的业务划分模型为依据判别用户请求的业务倾向；
11.步骤4，将步骤3输出的业务倾向输入到基于业务感知的空天地一体化网络动态映射模型中；
12.步骤5，所述的基于业务感知的空天地一体化网络动态映射模型将根据输入数据判断业务倾向，设置满足不同业务场景需求的差异化目标函数；
13.步骤6，向虚拟网络实施个性化映射策略，完成异构网络的动态映射算法；
14.本发明的进一步的改进为：所述空天地一体化异构融合网络的具体数学表述为：定义为t时刻任一节点个数为n且具有e条链路的空天地一体化异构融合网络可被描述为无向带权图t∈t，nts∈{g，a，s}
15.其中，ns＝{n1，n2...，ni|i∈n，ni∈ns}，表示该网络拥有的节点集合，表示连接节点ni和nj节点间相应的链路集合。
16.此外，代表对应节点资源属性，如节点的cpu资源cpu(ni)，ni∈ns；代表链路资源属性，如链路带宽资源bw(e
ij
)，e
ij
∈es。此外，定义ps为物理网络gs中的任一无环路径。
17.虚拟网络映射一般分为两个阶段：节点映射mn和链路映射me，具体定义为：
[0018][0019][0020]
其中mn和me均为二进制变量，当且仅当节点或链路映射成功时值为1，否则为0，且映射中物理网络须满足虚拟网络请求的节点和链路资源约束，方可映射。
[0021]
本发明的进一步改进在于：定义所述异构网络映射过程中的多维资源约束节点可利用cpu资源量cpur和带宽资源量bwr存储资源str频谱资源frr及链路时延delayr分别为：
[0022][0023]
cpur(ni)＝cpu(ni)-cpu(nj)
[0024]
bwr(e
ij
)＝bw(e
ij
)-bw(e
uv
)
[0025]
str(ni)＝st(ni)-st(nj)
[0026]
frr(e
ij
)＝fr(e
ij
)-fr(e
uv
)
[0027]
delayr(e
ij
)＝delay(e
ij
)-delay(e
uv
)
[0028]
为对应虚拟网络请求找到合适的映射方案，需要底层网络为其提供相应的网络资源，即虚拟网络被底层物理网络接收须满足下列限制条件：
[0029][0030]
cpur(ns)≥cpur(nv)
[0031]
bwr(es)≥bwr(ev)
[0032]
str(ns)≥str(nv)
[0033]
frr(es)≥frr(ev)
[0034]
delayr(es)≤delayr(ev)
[0035]
本发明的进一步改进在于，在映射前结合未来网络应用愿景将用户虚拟网络请求分为三类具体包括：
[0036]
高可靠低时延、广覆盖易扩展、强移动低能耗。
[0037]
其对应目标函数为：
[0038][0039]
根据将上述业务分类结果，分别以映射可靠性、映射效率及映射能耗为目标函数，输入所述动态映射算法。
[0040]
本发明所公开的基于业务感知的空天地一体化网络动态映射算法，还包括：
[0041]
资源抽象化模块，基于网络虚拟化的业务架构，通过将基础设施提供商的异构融合网络物理资源抽象化，以虚拟资源池统一管理；
[0042]
资源属性标准化，根据用户不同映射需求，将虚拟资源池中节点和链路资源属性以资源向量表征并执行标准化操作。
[0043]
业务感知模块，将标准化后的虚拟网络请求输入，通过业务感知判别所输入业务类型倾向；
[0044]
动态映射模块，用于根据业务感知模块输出结果，以高可靠低时延、广覆盖易扩展、强移动低能耗为目标分别设置满足业务要求的目标函数，实时个性化映射策略；
[0045]
实施模块，分别按所述最大化、最小化目标函数，通过判断拓扑时变阈值时间片内直接映射、时间片间更新网络状态重映射的方式完成基于空天地一体化异构融合网络的映射。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0047]
本发明公开了一种基于业务感知的空天地一体化网络动态拓扑映射算法，通过对空天地一体化异构融合网络数学建模，将网络拓扑的周期性变分解为时间片内核时间片间两类。借助时间片内直接映射，时间片间及时更新拓扑信息重映射的方式，有效改进传统算法无法适应拓扑动态变化的问题，扩展虚拟网络映射算法的应用范围。
[0048]
本发明还提出依据用户虚拟网络请求的业务类型以映射能耗、映射可靠性及映射效率为目标函数，分别设计了支持高可靠低时延、广覆盖易扩展及强移动低能耗三类应用场景的两阶段映射算法。旨在充分挖掘异构网络中不同网络域的特性优势充分满足未来网络发展中多元化的业务需求，有效改善资源利用率，提高映射收益比。
附图说明
[0049]
图1是空天地一体和异构融合网络虚拟化商业架构；
[0050]
图2是虚拟网络映射原理图
[0051]
图3是本发明算法仿真设计中底层物理网络模型示意图；
[0052]
图4是本发明算法仿真设计中虚拟网络请求vnr1和vnr2；
[0053]
图5是本发明动态映射算法中，异构网络拓扑周期性动态变化的拓扑时变示意图；
[0054]
图6是基于业务感知的空天地一体化网络动态映射算法流程示意图；
具体实施方式
[0055]
为使本发明所提出技术手段达到既定效果，下边结合附图图示具体阐述说明：
[0056]
本发明公开了一种基于业务感知的空天地一体化网络动态映射方法。
[0057]
步骤1，如图1所示，首先将底层空天地一体化异构融合网络作为底层物理网络，以基础设施提供商角色对全局物理网络资源抽象化管理，即将空天地一体化网络中各网络域的节点信息及链路信息进行统一化建模，具体包括地基网络cpu资源、带宽资源、存储资源、能耗资源；天基网络的能耗资源、计算资源、传感器资源；空基网络的频谱资源、能耗资源、传感器资源等。最后通过网络虚拟化层的虚拟化技术，以服务提供商的角色对用户请求提供满足要求的虚拟网络映射服务。
[0058]
步骤2，考虑网络异构性及资源差异性问题，通过抽象池技术将各网络域所属网络资源进行集中统一化管理。
[0059]
步骤3，参考标准化处理后虚拟网络映射请求的资源构成，将用户业务划分类型；
[0060]
步骤4，将用户虚拟网络映射请求输入基于业务感知的空天地一体化网络动态映射模型中；
[0061]
步骤5，通过所设定的时间片阈值判断是否需要更新网络状态实施重映射策略，再根据输入的业务类型判定结果及用户请求资源属性，选择满足差异化的映射目标函数。
[0062]
步骤6，参考已选择的目标函数，实时具体两阶段启发式映射策略；
[0063]
本发明的步骤1具体内容如下：
[0064]
(1)基于业务感知的空天地一体化网络动态映射算法底层物理网络定义为：任一节点个数为n且具有e条链路的空天地一体化异构融合网络可被描述为无向带权图nts∈{g，a，s}。其中，nts∈{g，a，s}代表各网络域节点，g-地面网络节点，a-为天基网络节点，s-为地面网络节点。ns＝{n1，n2...，ni|i∈n，ni∈ns}为该网络节点集，表示连接节点ni和nj节点间相应的链路集合。代表对应节点资源属性，如节点的cpu资源cpu(ni)，ni∈ns；代表链路资源属性，如链路带宽资源bw(e
ij
)，e
ij
∈es。ps为物理网络gs中的任一无环路径。
[0065]
(2)基于业务感知的空天地一体化网络动态映射算法底层虚拟网络定义为：
[0066]
t∈t，nts∈{g，a，s}
[0067]
表示为t时刻到达的持续时间为δt空天地一体化异构融合虚拟网络gv。其中，nv和ev，分别表示此次虚拟网络请求的节点集和链路集，且节点类型描述为nts。类似的和描述了异构网络的虚拟节点资源和链路资源集。
[0068]
(3)虚拟网络映射一般分为两个阶段：节点映射mn和链路映射me，具体定义为：
[0069]
[0070][0071]
其中mn和me均为二进制变量，当且仅当节点或链路映射成功时值为1，否则为0，且映射中物理网络须满足虚拟网络请求的节点和链路资源约束，方可映射。
[0072]
本发明具体步骤2，3包括∶
[0073]
(1)定义所述异构网络映射过程中的多维资源约束节点可利用cpu资源量cpur和带宽资源量bwr存储资源str频谱资源frr及链路时延delayr分别为：
[0074][0075]
cpur(ni)＝cpu(ni)-cpu(nj)
[0076]
bwr(e
ij
)＝bw(e
ij
)-bw(e
uv
)
[0077]
str(ni)＝st(ni)-st(nj)
[0078]
frr(e
ij
)＝fr(e
ij
)-fr(e
uv
)
[0079]
delayr(e
ij
)＝delay(e
ij
)-delay(e
uv
)
[0080]
(2)节点及链路映射资源约束为：
[0081][0082]
cpur(ns)≥cpur(nv)
[0083]
bwr(es)≥bwr(ev)
[0084]
str(ns)≥str(nv)
[0085]
frr(es)≥frr(ev)
[0086]
delayr(es)≤delayr(ev)
[0087]
(3)资源向量标准化为：
[0088][0089][0090][0091][0092]
(4)参考未来网络6g应用场景将基于异构融合网络的用户虚拟网络请求业务倾向分为高可靠低时延、广覆盖易扩展、强移动低能耗三类。
[0093]
本发明中步骤4，5的详细内容包括：
[0094]
(1)将映射时间划分为时间片，时间片内根据所设置的目标函数实施两阶段映射策略，时间片间通过检测是否达到拓扑时变阈值判断是否需要更新拓扑执行重映射操作。
[0095]
(2)所述动态映射模型中基于业务感知的不同业务主要考虑的映射目标函数分别为：
[0096][0097]
(3)所述最大化生存性目标函数为：
[0098][0099]
其中，num
rec_suc
为故障发生后到恢复成功映射的虚拟网络请求数量，num
all
为故障发生时受影响的虚拟网络请求总数。
[0100]
(4)所述最大化效率型目标函数是：
[0101][0102]
其中，为虚拟网络映射过程中服务提供商获取的总收益值，为映射中基础设施提供商的整体资源开销值。
[0103]
(5)所述地最小化映射能耗目标函数如下：
[0104][0105]
考虑现有网络链路能耗几乎为一常数，故以异构网络节点能耗开销为主。p
ground
，p
air
，p
space
分别表示地面网络节点、天基网络节点及空基卫星节点能耗开销，α、β为调节网络权重系数的常数且α+β＝1。
[0106]
本发明步骤6具体内容包括：执行步骤1-4的数学建模即业务感知，通过时间片的划分判断重映射必要性，根据步骤5选择的目标函数实施两阶段映射策略完成虚拟网络映射请求。
[0107]
综上所述，针对未来网络发展中互联网应用场景不断扩展、网络业务的蓬勃发展及异构融合网络中面临的网络协议差异化、网络资源多样化、网络结构动态化等潜在问题，本文提出了一种基于业务感知的空天地一体化网络动态映射算法来解决相应问题。首先通过对异构网络建模，在数学模型基础上提出不同网络域的多维资源约束。通过对映射时间片的划分，在保证拓扑动态性特征的基础上，以业务感知的方式对各式各样的通信需求进行判定划分，最后通过设置不同类型的目标函数，利用两阶段启发式映射算法完成基于空天地一体化异构融合网络的虚拟网络映射请求。实验表明，该算法能够有效降低异构融合网络等新型应用场景映射中的基础设施开销，充分发挥不同网络域特性优势改善资源碎片化问题，进而提高映射资源利用率。
[0108]
以上所述均在本发明及同等替换等均在本发明待审批的权利要求保护范围中。