全局评估策略的优化方案

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：在此基础上，基于此功能架构我们提出了一种实现多层资源优化跨无线、光和BBU层的全局评价方案，以保证QoS的要求。在第一阶段，GES可以根据全局评估因素在多层资源中选择最佳的目的地BBU。为了衡量业务供应选择的合理性，我们定义α作为考虑所有多层参数的全局评估因子。在BBU函数中，由于维度不同，很难对CPU和存储的利用率进行评估，为了测量BBU选择处理的合理性，可调整比例权重φ来调整其比例。

在C-RoFN中，MSRO应用于对无线、光网络和BBU处理资源的多个层次资源进行优化的场景，然而传统的资源评估方案只考虑一种资源的利用情况。在此基础上，基于此功能架构我们提出了一种实现多层资源优化跨无线、光和BBU层的全局评价方案，以保证QoS的要求。GES包括两个阶段。在第一阶段，GES可以根据全局评估因素在多层资源中选择最佳的目的地BBU。第二阶段为目标提供连续频谱和无线频率分配的业务供应。这两个阶段在两个方向上对应两种资源优化。在第一阶段，目标节点选择将多个层资源水平合并优化，同时实现光网络和BBU资源的全局跨层优化。在第二阶段，在目标节点选择之后，执行带有无线和频谱分配的业务，这提供了多层覆盖网络的多层资源优化。这两个阶段在两个方向上对应两种资源优化。在第一阶段，我们通过对水平方向的多层资源进行融合来选择目的节点，同时实现光网络和BBU资源的全局跨层优化。在第二阶段，在目标节点选择之后执行带有无线和频谱分配的业务供应，实现多层覆盖网络的多层资源优化。

在面向IP分组网与光传输网混合组网的软件定义数据中心互联场景下，基于多OC协作的MSRI体系架构主要包括3层：IP分组网资源层、光网络资源层和应用资源层（例如CPU和存储器）。每层资源都通过OpenFlow协议实现软件定义，并由IP网络OpenFlow控制器（IPOC）、光网络OpenFlow控制器（OOC）和应用OpenFlow控制器（AOC）以统一的方式进行控制。为了通过OpenFlow协议控制数据中心互联的异构网络，配备OpenFlow协议代理软件的OpenFlow使能IP路由器和光交叉节点被部署在网络中，并被分别称为OF-Router和OF-OXC，且在本章参考文献[5-6]中被提出。所提出的MSRI架构强调3个控制器之间的协作，以克服源于多层资源间的交互障碍，有效地完成多层资源集成，实现全局资源联合优化。当接收到从AOC传递的数据中心资源状态后，IPOC负责将此状态与维护在IP层的流资源情况进行联合分析，用于实现多层资源集成。而OOC则利用从物理网络抽象出的光层资源信息，执行相应的光路动态建立与配置，以实现光网络资源与从AOC获得的应用资源的跨层优化[7]。

在软件定义C-RoFN下的MSRO架构可以表示为G（V，V′，L，L′，F，F′，A）。其中V={v1，v2，…，vn}表示OpenFlow使能的电交换节点集合，而V′={v′1，v′2，…，v′n}代表OpenFlow使能的光交叉节点集合。L={l1，l2，…，ln}和L′={l′1，l′2，…，l′n}则分别表示V和V′节点之间的双向光纤和电缆链路集合。F={S1，S2，…，SF}和F′={S′1，S′2，…，S′F}分别是光波长和无线信号在每个光纤链路中的集合。此外，V和V′代表网络节点，L和L′表示链路，F和F′分别表示波长和无线频率，A表示BBU节点数量。在每个BBU服务器里都有两个时变参数，一个是内存利用率Utm，用以衡量内存的使用，另一个是CPU使用率Utc。此外，光纤网络中的参数由每个候选路径的跳跃时间Hp组成，每个链路占用网络带宽的比重为Wl，与相应链路的流量负载相关。无线参数包含当前无线信号的速率Br和无线频率Fr。BBU可以提供所需的计算和存储资源，以提高在前传地区的QoS体验。因此，业务请求需要包含BBU的源节点，并通过所需的网络和BBU应用程序资源来预留业务。对于来自源节点s的每个请求，都可以被转换成所需的网络和处理资源。注意，为了简化处理，这些资源包括所需的网络带宽b与CPU和存储处理资源。我们上面描述的第i个业务请求表示为SRi（s，b，Utc，Utm）。此外，根据业务请求和资源状况，可以根据该方案选择适当的BBU服务器作为目标节点。

（1）第一阶段：基于全局评估因子的目标选择

基于光控制器的MSRO功能架构，我们提出了GES。GES在第一阶段会选择BBU服务目标节点，并评估该节点对资源调节处理的网络状态。在新的业务请求到来前，需要包括一些业务参数，例如SRi（s，b，Utc，Utm）。GES可以根据从BBU收集的由RC和OC提供的无线和光处理状态来选择合适的BBU。由于来自不同层的许多参数都属于不同的维度，所以很难进行评估。为了衡量业务供应选择的合理性，我们定义α作为考虑所有多层参数的全局评估因子。对于无线、光网络和BBU的占用，有几个参数影响着系统的性能。由于BBU层有许多衡量BBU性能的因素（如CPU利用率、内存利用率、处理策略等），我们用CPU利用率Utc和内存利用率Utm来简化表示现在BBU的资源利用情况，这两个参数可以容易地从开放的接口获得。而光网络则用现在链路的工程负载比重和候选路径的跳跃时间Hp进行衡量。工程负载比重是指链路和全光网络的占用带宽，越低的工程负载比重意味着网络有着越大的容量来处理新的业务。由于我们假定了光网络每条链路的带宽都是一样的，这就可以很方便地处理光节点的网络。也就是说如果工程负载比重是一样的，那每条链路的占用带宽就是一样的。定义工程负载比重的目的就是用它来衡量光网络的流量负载平衡，为了解决这个事情，应该选择有较小工程负载比重的空闲链路来增强负载平衡的分数。至于无线其衡量参数包括当前信号的符号率Br以及无线频率Fr。因此，由当前每个服务器的BBU层参数表示的BBU的整体方程fac是无量纲的方程，即式（9-12），其中φ为存储和CPU使用率之间的可调比例，这些参数被归一化以满足它们之间的线性关系。在BBU函数中，由于维度不同，很难对CPU和存储的利用率进行评估，为了测量BBU选择处理的合理性，可调整比例权重φ来调整其比例。

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而由当前光网络节点参数表示的光网络无量纲方程fbc为式（9-13），无线的方程fcc为式（9-14）。无线方程使用成本比重来衡量无线链路的承载能力。在式（9-14）中，Br表示当前信号的符号率，Fr表示无线频率。Br的值越大代表其无线业务链路有着越大的承载能力，越高的Fr则意味着其无线业务链路的承载能力越小。k个候选BBU服务器节点至少具有第k个处理函数，并将节点表示为集合。

a1，a2，…，ak表示至少有k个候选BBU服务器节点的处理函数标记为Fa={fa1，fa2，…，fak}。然后，在光网源和每个候选BBU服务器之间的候选光路可以用最小的光网络方程来计算，并表示为Fa={fa1，fa2，…，fak}。类似地，b1，b2，…，bk意味着在光网络源和每个候选BBU服务器之间的候选光路可以用最小的光网络方程来计算。资源与光网络节点之间的候选无线频率表示为Fc={fc1，fc2，…，fck}，它与候选路径k有关。因此，全局评估因子α可以用式（9-15）表示，β和γ为在BBU、光和无线参数中可调节的权重。集合Fa、Fb、Fc的最大值作为分母，可以确保方程的每个值都在0～1之间。请注意，在当前的光网络中，可以获得流量工程比重、占用带宽的速率和总网络带宽。而作为预设的比例，β和γ则是BBU、光和无线参数的可调权重。可以提前设置它们的值来描述这些参数的重要性。它们在方程的计算中是恒定的，因为它们已经在计算之前被设定了。

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在第一阶段，根据BBU资源利用情况，GES首先在BBU层最好的k个候选BBU节点中选择最好的节点，用作无线信号和连续频谱路径。然后在无线和光层中，从k个候选项中选择全局评估因子α最小的为最佳目标节点。

（2）第二阶段：无线和光谱分配

在目标选择之后，GES的第二阶段是使用无线和频谱分配进行业务提供。我们假设BBU节点包含计算和存储资源，而BBU池可以被看作一个数据中心。同时，通过网络功能虚拟化，使网络功能作为通用硬件上的软件运行，这样可以整合到行业标准元素中，例如开关、计算和存储。

在无线和光谱分配阶段，我们考虑了三维资源，包含无线频率、频谱和链路。下面通过示例来说明所提的资源分配方法，图9-22（a）为简单的6节点网络拓扑，图9-22（b）为业务请求，图9-22（c）显示了无线和频谱分配过程。在每个光纤链路上可用的无线频率被划分为9个无线频率槽（Frequency Slots，FS），FS的标号顺序从1到9。为简单起见，在频谱维度方面我们只考虑光谱编号为1和2的光谱资源。在拓扑中，我们假设业务请求以不同的颜色显示。在初始状态中，因为所有的资源都未被占用，所以首先要求SR1、SR2和SR3分别选择路线lab、lbe和laf、ife、lde和lab、lbc、lce作为路径，并在每条路径上预留所需的FS资源（例如3、6、5）。当SR4到达节点A时，它首先选择了lab、lbc、lcd的路线并使用频谱1，这会导致阻塞，因为在这条路径上不能有4个连续的FS。然后SR4选择频谱2作为调制的光谱，前4个FS将被用于分配。在选择BBU后，在源节点和目标节点之间的OpenFlow协议将通过分配频谱和调制无线频率来建立路径。

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图9-22　GES示意图

全局评估策略的优化方案

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