[发明专利]一种基于虚拟交换机的虚拟数据中心资源分配系统及方法

权利要求书

1.一种基于虚拟交换机的虚拟数据中心资源分配方法，其特征在于：

步骤一，创建批处理模型，利用快速转换算法TAFB将批处理模型转化为实时处理模型RVEM；

步骤二，创建实时处理模型，利用快速启发式取整嵌入算法FHRE进行资源分配；使虚拟数据中心VDC嵌入问题可在多项式时间内找到次优解；

所述批处理模型使用集合表示k个独立的请求，其中，表示特定的VDC请求，引入一个决策变量π_i表示请求是否会被接受，表示InPs接收单个虚拟资源请求所获得的利润，模型表示如下：

其中，

Capacity约束：

符号M^p表示PDC网络中所有物理机PMs的集合，S^p表示包括核心交换机、聚合交换机和ToR交换机的集合，E^p表示所有物理链路的集合；表示虚拟请求中所有虚拟机VMs的集合，表示虚拟请求中所有虚拟交换机VSs的集合，表示虚拟请求中所有虚拟链路VLs的集合，

R_t(m^v)表示虚拟机m的t类资源请求，例如：

表示虚拟请求中虚拟机对CPU的需求，

表示虚拟请求中虚拟机对内存的需求，

表示虚拟请求中虚拟机对磁盘的需求，

R_t(s^v)表示虚拟交换机s的t类资源请求，t∈{c，m}，例如和表示虚拟请求中虚拟交换机对CPU，内存的需求：

R_b(e^v)表示虚拟请求中虚拟链路e的带宽请求，

A_t(m^p)表示当前由物理机p可提供的t类资源，

A_t(s^p)表示当前由物理交换机s可提供的t类资，其中，t表示所有资源类型集合，t∈{c，m，d，b}其中c，m，d，b分别表示CPU，内存，磁盘和带宽；

A_b(e^p)表示由物理链路e提供的可用带宽；

变量表示虚拟链路e^v在物理链路e_p上的带宽分配；

表示嵌入VMs决策变量；为虚拟交换机的决策变量；表示决策变量；L_o(n^p)表示物理节点n^p的所有输出链接集；L_i(n^p)是物理节点n^p的所有输入链接集；

MFCL约束：

Domain约束：

在优化目标中，π_i＝0表示基础设施提供商InPs拒绝请求那么所有属于该虚拟请求的虚拟机VMs、虚拟交换机VSs和虚拟链路VLs都不会消耗任何物理资源；从约束1.25到约束1.30中，π_i都乘以了它所对应的虚拟请求在域约束中，π_i用于限制和的取值范围；

所述步骤一创建批处理模型：利用快速转换算法TAFB将批处理模型转化为实时处理模型具体包括：

(1)在转化过程中，计算不同虚拟数据中心请求VDCRs的加权分数，优先嵌入高分数的组合，即多个资源需求和延迟分数更高的VDCRs组合；

(2)多次调用FRVA算法对VDCRs组合所请求的资源与可用资源进行对比预验证；初始化各种变量和数组；排除两种明显不合需求的情况；

(3)对于验证失败组合，再选取其它组合进行验证，对于验证成功的组合就按照实时处理模型处理；

(4)FRVA调用递归函数ResVerf判断是否所有虚拟节点嵌入到当前的物理数据中心PDC中；

(5)判断虚拟节点的类型并设置它们的嵌入范围；如果VReq(vIdx)PRes(pIdx)，当前虚拟节点无法被嵌入到当前物理节点中；将跳到下一个物理节点，否则，被嵌入到物理节点PRes(pIdx)上，并且函数ResVerf进入递归并检查下一个虚拟节点；

所述快速转换算法TAFB具体包括：使用规则验证和筛选符合当前可用物理资源的VDCRs组合，并从中选出最大化基础设施供应商InPs利润的组合，调用RVEM模型解出该组合；使用算法FRVA过滤掉不可行的VDCRs，更新完它们的延迟权重因子后，将不可行的VDCRs放入等待队列中；从剩余的个请求中选择多个VDCRs，选择操作从所有个VDCRs的组合开始并逐步减少VDCRs的数量，所选组合按加权分数公式进行排序；

上述公式(1.36)中的是每个VDCRs的加权系数，是各种所需资源和延迟因子的加权求和表达式，其中和是中所有虚拟机VMs、虚拟交换机VSs和虚拟链路VLs的资源需求经过归一化后的值，是为了公平起见而使用的归一化延迟因子；

和是加权系数，根据PDC和VDC的特点灵活地调整这些系数；将选择中的VDCRs合并为单个VDCR如果VDCR通过验证，将调用RVEM模型求解新的如果该VDCR被成功嵌入，则嵌入结果就是批处理VDCRs的嵌入结果；否则，处理下一个选择并将新选择的VDCRs重新组合；

所述实时处理模型为

容量约束：

MFCL约束：

域约束：

约束(1.13)、(1.14)和(1.15)是确保每个物理机PM的资源足够分配给请求，其中A_c(m^p)，A_m(m^p)和A_d(m^p)分别表示当前可用的CPU、内存和存储资源；约束(1.13)和(1.14)包含有变量公式(1.16)和(1.17)是关于物理交换机PSs的约束条件；约束(1.18)表示中所有虚拟链路e^v映射在物理链路e^p上的总带宽需求不超过其当前可用带宽A_b(e^p)；约束(1.20)确保中的所有虚拟机VMs必须嵌入到物理机上；

约束(1.21)确保中的所有虚拟交换机VSs被嵌入物理机PMs或物理交换机PSs中；约束(1.22)和(1.23)表明和是二进制变量，是非负的标量变量；

所述步骤二创建实时处理模型，利用快速启发式取整嵌入算法FHRE进行资源分配；使虚拟数据中心VDC嵌入问题可在多项式时间内找到次优解具体包括：

(1)在FHRE算法中，将模型中的所有0-1变量进行松弛得到RVEM-LP模型；解松弛后的线性问题，得到对应的小数变量；

(2)接着调用RRVC算法嵌入最佳候选虚拟节点；

(3)从RVEM-LP中移除已被嵌入的虚拟节点VNs及对应的变量，更新该RVEM-LP，并重新求解，直到所有变量都被嵌入，就完成虚拟数据中心申请的资源分配；

所述快速启发式取整嵌入算法FHRE包括：

(1)将RVEM中的所有0-1变量进行松弛，称为RVEM-LP问题；解这个松弛后的线性问题，得到对应的小数变量和

(2)将RVEM中的所有0-1变量进行松弛，称为RVEM-LP利用的启发式信息找到一个e^v及其虚拟起点vip，虚拟终点vtp；同时找到可能嵌入vip、vtp的物理节点，并将节点分别记录到中；如果vip和vtp其中之一已被嵌入，那么对应的集合等于它当前的嵌入物理节点；如果e^v的vip和vtp都被嵌入，则删除e^v和对应的变量；

(3)调用RRVC算法嵌入最佳候选虚拟节点，在RRVC算法中，对e^v的所有物理起点pip和物理终点ptp对进行构造和排序，并将对应的嵌入变量或向上取整；如果取整成功，则对应变量设置为1，其他与该e^v的物理起点pip和物理终点ptp相关的变量均设置为0；该过程一直被重复执行，直到vip和vtp成功嵌入或集合T为空；步骤(2)和步骤(3)被重复执行，直到所有的VLs被访问；所有虚拟节点VNs都被成功嵌入时，RVEM不再含有二进制变量；RVEM问题转化为经典的多商品流MCF问题，该问题可利用线性规划在多项式时间内求解；

(4)从RVEM-LP中移除已被嵌入的VNs及其对应的变量，更新该RVEM-LP，并重新求解；同样，解出的结果用于更新Ω，F；(1)-(4)重复执行，直到所有的虚拟节点VNs都被嵌入；无法求解RVEM-LP时，基础设施供应商InPs拒绝该请求

所述启发式取整嵌入算法进一步还包括：

对于虚拟链路e^v的vip和vtp，通过组合自集合和中的不同物理起点pip和物理终点ptp，构造了路径对集合T，并根据的虚拟路径长度按升序对T进行升序排序；然后选择集合T中的第一对，即最短路径对，并尝试向上取整这个路径对所对应的松弛LP解；使用或表示相应松弛解的向上取整，符号|表示三者取其一；如果和都没有被嵌入，那么将它们对应的松弛解都向上取整；如果只有其中之一没有被嵌入，那么未嵌入的松弛解向上取整；取整操作之后，检查取整是否违反了关于资源的约束；

如果所有约束被满足，则意味着向上取整成功；然后正式地将变量设置为1，与相关的其他变量设置为0，同时从Ω中删除与和/或相关的变量，并更新E^v，F；变量中的下标*/i1表示除嵌入的之外的所有的物理节点；如果向上取整的操作不满足约束，则将第一对从集合T中移出并选择下一对；重复该过程，直到有一对成功嵌入或T为空。

2.一种实施如权利要求1所述基于虚拟交换机的虚拟数据中心资源分配方法的基于虚拟交换机的虚拟数据中心资源分配系统，其特征在于，所述基于虚拟交换机的虚拟数据中心资源分配系统包括：

高分数组合嵌入模块，用于优先嵌入高分数的组合，资源需求和延迟分数更高的VDCRs；

变量和数组初始化模块，用于多次调用算法对某个VDCR请求的资源与可用资源进行对比预验证；初始化各种变量和数组；排除两种明显不合需求的情况；

虚拟节点嵌入判断模块，用于调用递归函数ResVerf判断是否所有虚拟节点嵌入到当前的物理数据中心PDC中；

嵌入范围判断模块，用于判断虚拟节点的类型并设置它们的嵌入范围；

模型求解模块，用于将RVEM中的所有0-1变量进行松弛，解松弛后的线性问题，得到对应的小数变量；调用RRVC算法嵌入最佳候选虚拟节点；从RVEM-LP中移除已被嵌入的VNs及其对应的变量，更新该RVEM-LP，并重新求解。