SDN網路虛擬化中有效協調的對映演算法
來自論文An efficient and coordinated mapping algorithm in virtualized SDN networks
1.Introduction
這篇文章關注於虛擬SDN網路中的對映技術。不同於先前的工作，這篇文章是第一個考慮了控制器放置和VN對映作為結合的vSDN對映問題，並用公式表達它為多目標整形線性規劃問題（integer linear programming ILP）來優化控制器到交換機時延和對映的花費。設計了一個新奇的線上vSDN對映演算法‘CO-vSDNE’來解決它。這個演算法由兩步組成（1）節點對映，解決控制器放置及節點對映；（2）連線對映。
這篇論文主要貢獻：
1.第一次嘗試線上vSDN對映問題
2.制定了這個問題為多目標ILP並設計啟發式演算法稱作CO-vSDNE來最小化控制器到交換機時延和對映花費
3.進行了廣泛時延來評估這個演算法，從時延，花費和收入，生產力等方面。
2.Related work
VN對映由兩個部分組成。虛擬節點對映，對映到底層節點並滿足虛擬節點的資源需求；虛擬連線對映，對映到無迴路底層路徑並滿足虛擬連線資源需求。
先前工作大部分對於傳統網路。也存在一些針對SDN網路。但既沒有考慮控制器放置問題，也沒考慮在節點對映時流表項資源分配問題。（Heller採用交換機和控制器間平均和最大時延作為效能度量，並評估上百種已存在網路拓撲，通過廣泛模擬來找到SDN網路中控制器最佳位置）。
在這個研究中將控制器放置問題和VN對映結合，來對映線上vSDN請求到物理SDN網路中。特別地，引進了控制器放置、虛擬節點對映、和連線對映間的協調。
3.System model
先介紹SDN虛擬化結構，再提供網路模型
3.1 SDN virtualization architecture
FlowVisor結構介紹
3.2Network model
將底層物理SDN基礎設施作為SN，並通過帶權無向網路圖Gs=(Ns,Ls)來模型化它，Ns指的是底層物理節點集合，|Ns|表示總數，Ls表示連線集合。
這篇研究中將CPU能力和可利用TCAM作為節點屬性，將可利用頻寬和時延作為連線屬性。交換機CPU用來處理資訊交流，TCAM用來處理流表。Ps表示無迴路底層路徑在SN中。
一個vSDN請求指定一個租戶的需求，包括VN的拓撲，虛擬節點資源，虛擬連線資源等。類似地模型化一個vSDN請求的VN，Gv=(Nv,Lv)
標註nc為一個vSDN的控制器，虛擬控制連線為集合Lc。對於每個虛擬控制連線lcv∈Lc，我們還考慮到它需要一定量的頻寬在lcv對映的底層路徑中，來避免流量擁塞。
4.Multi-objective optimization for joint VN embedding and the controller placement problem
解釋各個變數和限制，用來進行效能評估（可跳過）
4.1.1虛擬節點對映
CPU（ns）、TCAM（ns）:底層節點ns的能力；
CPU（nv）、TCAM（nv）:虛擬節點ns的需求量；
：表示是否虛擬節點ni對映到底層節點nj
同一個VN中，每個虛擬節點對映到不同物理及節點：
3中保證每個節點都對映；4保證不同
4.1.2虛擬連線對映
Bw（lij）:物理連線可以用頻寬，lij∈Ls
Bw（luv）：所需虛擬頻寬
fijuv表示哪條虛擬路徑luv經過物理lij
因此有：
連線限制：保證底層連線可連為一條路徑來維護一條虛擬路徑：
（當j固定的時候，就會出現前面1後面0）
4.1.3目標
考慮幾個目標：長期平均回報、長期平均花費、長期回報花費比（R/C）來作為VN的對映目標。
一個VN對映在t時刻的收益為：（需要的資源綜合）
花費：（分配給VN的資源總和）
因此長期平均收入為：
長期平均花費：
長期R/C比率：
R/C指SN資源利用率
4.2控制器位置
：控制器nc是否放在底層節點nj上
：是否虛擬控制連線lcv穿過底層連線lij
D(lij)表示時延
D:控制器到交換機平均時延，對於一個vSDN請求：
5.Heuristic algorithm design
5.1.1Controller node mapping
controller location selection factor（控制器位置選擇因素 CLSF）
將控制器節點附在底層節點上考慮CLSF。
底層節點ni的CLSF定義為：
bw（ni，nj）是沿著從ni到nj最短路徑上可利用的頻寬，表示這條路徑上最小頻寬；
delay（ni，ji）指從ni到ji的流量時延，由ni到nj最短路徑總時延得出。
（時延越低應該越好，所以放在分母，分子表示資源，越大越好）
由於虛擬節點對映還沒進行，我們需要將控制器放在底層節點，使其到別的各節點的平均時延最低，這樣才能使平均控制器到交換機時延最小。
CLSF考慮了從一個節點到其他所有節點的平均時延，同時還考慮了節點可利用資源以及連線頻寬，這使虛擬節點對映和連線對映更加容易。
5.1.2Virtual node mapping
這階段目標：找到底層節點來維持每個虛擬節點，同時最小化到控制器的時延，並滿足CPU、TCAM需求。
需預先考慮連線對映。
首先將虛擬節點更具資源需求的降序排序，一個虛擬節點的需求資源定義為：
L（nv）：直接連線到節點nv的相鄰連線；
節點nv的H越大，表示其需求資源越多，因此越難對映。
構造一個虛擬節點對映樹（virtual node mapping tree VNMT），能有效減少虛擬連線所對映底層路徑的跳數。
VNMT是一顆對映樹根據H和VN的拓撲構建。
具體如下：對於給定的VN。先選最大的H值得節點作為根節點。然後與根節點由虛擬連線直接相連的虛擬節點作為其孩子節點根據H值降序從左到右連線。其他虛擬節點相似的遞迴構造。
在勾走好VNMT之後，CO-vSDNE採用廣度優先來對映。對於VNMT根節點，CO-vSDNE用最大H來對映到底層節點，H代表底層節點可利用資源。對於其它虛擬節點CO-vSDNE用最大NR來對映，NR是一個在虛擬節點對映階段選擇底層節點的度量（在公式31中）。當對映nv時，先建立候選底層節點集Ω(nv)，由沒在相同vSDN中被對映的底層節點，並且可利用資源滿足nv需要的節點組成。如：
然後將節點nv對映到候選底層節點ns根據最大NR值：
H(ns)代表底層節點ns的可利用資源，由公式29得出。
MN(nc)表示控制器nc所在的底層節點，
delay(MN(nc), ns)表示從MN(nc)到ns的控制資訊時延，
f(nv)表示在VNMT樹種nv的父節點，
MN(f(nv))表示f(nv)所對映的底層節點
hops(MN(f(nv)), ns)表示在SN中從f(nv)到ns的最短路徑跳數
（這公式意思是可利用的資源越多，到前一個節點和到控制器時延越小，就優先選擇）
選擇的原因：
（1）底層節點由高H，表示底層節點資源豐富，選擇高的H有助於平和底層節點的壓力
（2）低的delay(MN(nc), ns)可減少控制器到交換機時延
（3）如果hops(MN(f(nv)), ns)太大，nv和f(nv)間虛擬連線花費就會太大，根據公式8，這就會導致SN的低資源利用率。
因此根據VNMT和NR虛擬連線節點對映演算法可以保持對映的底層節點連線互相靠近，這有利於接下來的虛擬連線對映
5.2LInk mapping
與先前工作相似，CO-vSDNE採用k最短路徑演算法來對映。虛擬連線所對映的不同底層路徑可能使用相同的底層連線，導致有限頻寬資源的競爭，這就使根據大的頻寬需求來對映變得很困難。
因此大的頻寬需求的連線應優先對映。具體說來，為了對映虛擬控制連線lcv∈LC，連線對映演算法搜尋k最短路徑通過增加k，如果找到一個路徑集合有相同的跳數並滿足頻寬需求就停止搜尋。
然後將lcv對映到這集合中最小時延的底層路徑。虛擬連線對映也是如此。
5.3 CO-vSDNE algorithm
現實場景，多個vSDN請求可能同時到達。因此設計演算法每個固定時間間隔執行一次。這時間間隔取決於即將到來的vSDN請求的允許等待時間和對映處理時間。
根據收益降序排序vSDN請求
對於所有未對映vSDN請求迴圈操作
（1）選收益最大
（2）節點對映
（3）連線對映
成功修改狀態，失敗標記失敗繼續迴圈
