虛擬網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)遷移技術(shù)研究

2014-06-28 00:53慈松于冰韓言妮

中興通訊技術(shù) 2014年3期

慈松　于冰　韓言妮

摘要：提出了一種面向單域環(huán)境的虛擬網(wǎng)絡(luò)遷移算法。基于動(dòng)態(tài)服務(wù)質(zhì)量計(jì)算，定義了遷移判定因子，量化遷移代價(jià)與收益參數(shù)，動(dòng)態(tài)評(píng)判遷移的時(shí)機(jī)，并選擇判定因子最小的虛擬節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)遷移節(jié)點(diǎn)。該算法可以有效地減少服務(wù)延遲，提高用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效的資源管理和降低能耗的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境；服務(wù)遷移；資源管理；移動(dòng)性

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，在無(wú)需考慮底層物理網(wǎng)絡(luò)屬性的情況下，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的平滑移動(dòng)和資源的按需分配，為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)業(yè)務(wù)的泛在接入和無(wú)縫切換提供了可能。在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境（NVE）中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)的數(shù)量、行為及偏好，重配置物理網(wǎng)絡(luò)資源和按需流量管理，實(shí)時(shí)對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、資源的分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）和用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量，即虛擬網(wǎng)絡(luò)遷移問(wèn)題。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，主要為了解決互聯(lián)網(wǎng)的“僵化”問(wèn)題并進(jìn)行未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究、試驗(yàn)和部署[1-2]。其思想是通過(guò)抽象、隔離、重用的機(jī)制，在一個(gè)公共的底層物理網(wǎng)絡(luò)（SN）上支持多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN），每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，是一系列基于虛擬鏈路相互連接的虛擬節(jié)點(diǎn)的集合。本質(zhì)上，虛擬網(wǎng)絡(luò)是底層物理拓?fù)涞囊粋€(gè)子集，每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)托管在一個(gè)底層物理節(jié)點(diǎn)上，而一條虛擬鏈路是跨越物理網(wǎng)絡(luò)中的一條鏈路，并且包含了該鏈路上的一部分資源。在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境中，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的因特網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）的角色按照功能進(jìn)行分解，分為基礎(chǔ)設(shè)施提供商（InP）和服務(wù)提供商（SP）[3]，支持部署多種共存的、異構(gòu)的且隔離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，上層的虛擬網(wǎng)絡(luò)支持相互獨(dú)立的協(xié)議體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的安全隔離，保障端到端的服務(wù)質(zhì)量。相互隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施提供商

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境中部署和管理底層網(wǎng)絡(luò)物理資源，負(fù)責(zé)操作和維護(hù)底層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，并通過(guò)可編程接口向不同的服務(wù)提供商提供其物理資源。

（2）服務(wù)提供商

從多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施提供商租賃資源來(lái)創(chuàng)建不同類(lèi)型的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即分片（Slice）。VN由虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路構(gòu)成，SP可以部署自定義協(xié)議，對(duì)分配的物理資源進(jìn)行編程，管理上層的虛擬網(wǎng)絡(luò)，并向終端用戶(hù)提供業(yè)務(wù)、應(yīng)用和服務(wù)。

（3）終端用戶(hù)

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境中，不同類(lèi)別的應(yīng)用都是以服務(wù)的形式運(yùn)行在相互隔離的分片上，終端用戶(hù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求，使用來(lái)自不同服務(wù)提供商提供的虛擬網(wǎng)服務(wù)。

2 服務(wù)遷移問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)景

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下，底層網(wǎng)絡(luò)資源的位置、服務(wù)提供能力和負(fù)載時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生變化，而終端用戶(hù)的行為也存在移動(dòng)性、偏好性，可能需要實(shí)時(shí)的加入或離開(kāi)。因此需要根據(jù)用戶(hù)需求動(dòng)態(tài)的調(diào)整虛擬資源的數(shù)量，對(duì)底層物理資源進(jìn)行遷移和調(diào)整，保證虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的不間斷使用，維護(hù)虛擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥B接關(guān)系。我們歸納了服務(wù)遷移問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)景[4]。

2.1 云爆炸場(chǎng)景

由于企業(yè)的峰值需求是暫時(shí)的，當(dāng)用戶(hù)數(shù)量急劇增多時(shí)，本地服務(wù)器上的負(fù)載會(huì)被遷移到云端的服務(wù)器，或者在云端服務(wù)器增加新的應(yīng)用備份機(jī)以平衡負(fù)載。一旦負(fù)載降低，則減少云端的負(fù)載，或者只使用本地服務(wù)器[5]。在網(wǎng)絡(luò)虛擬化的環(huán)境下，通過(guò)虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移可以實(shí)現(xiàn)靈活的資源管理和調(diào)度，將多個(gè)應(yīng)用分別部署在不同的云端資源站點(diǎn)以便實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，或者將企業(yè)的虛擬機(jī)遷移到資費(fèi)低廉的云服務(wù)平臺(tái)取得更低的運(yùn)營(yíng)成本，再或者將應(yīng)用服務(wù)部署到提供高性能計(jì)算服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)獲得更快速的運(yùn)算需求。

2.2 時(shí)區(qū)場(chǎng)景

針對(duì)跨越多個(gè)大洲的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，不同的用戶(hù)群分布于不同的時(shí)區(qū)位置，共同使用相同的服務(wù)，而每組用戶(hù)的使用時(shí)間都是在固定的時(shí)間段。在這個(gè)場(chǎng)景中，用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有低時(shí)延的需求，可以在每個(gè)時(shí)區(qū)均設(shè)置云數(shù)據(jù)中心[6]，存儲(chǔ)諸如內(nèi)容存放、下載等類(lèi)型的服務(wù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。而對(duì)實(shí)時(shí)性、互通性要求較高的應(yīng)用服務(wù)，可將一個(gè)或多個(gè)裝有應(yīng)用的虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)隨時(shí)間進(jìn)行遷移，比如將某些全球性商業(yè)金融服務(wù)，每天的日落將數(shù)據(jù)遷移到即將日出的時(shí)區(qū)，如東京—倫敦—紐約。

2.3 用戶(hù)移動(dòng)性場(chǎng)景

由于用戶(hù)在一天中的不同時(shí)刻處于不同的位置，而所有用戶(hù)的位置變化、需求變化存在規(guī)律性。比如，在上下班時(shí)刻，用戶(hù)服務(wù)的熱點(diǎn)處于公交車(chē)站或地鐵等位置，用戶(hù)關(guān)注的應(yīng)用服務(wù)主要集中在音樂(lè)、即時(shí)通信等內(nèi)容方面。工作時(shí)間用戶(hù)服務(wù)的熱點(diǎn)則處于城市中心、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等位置，業(yè)務(wù)類(lèi)型傾向于郵件、Web瀏覽等內(nèi)容。晚上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的熱點(diǎn)則集中于居民區(qū)等，此時(shí)用戶(hù)更傾向于視頻服務(wù)、大型游戲等內(nèi)容。如何根據(jù)熱點(diǎn)分布的不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠有效的節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。

3 典型研究項(xiàng)目

當(dāng)前大多數(shù)虛擬化平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)的虛擬機(jī)遷移，而在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的靈活部署和遷移，在關(guān)于負(fù)載均衡、運(yùn)行成本和計(jì)算性能間平衡的研究還處于起步階段。這里我們簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)比較典型的項(xiàng)目。

3.1 CloudNet項(xiàng)目

利用現(xiàn)有的服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)的不同層面的虛擬化技術(shù)，建立安全隔離的資源池，支持廣域網(wǎng)下虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]中通過(guò)基于虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（VPN）的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供企業(yè)和數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)的無(wú)縫連接，企業(yè)無(wú)需局限于本地的網(wǎng)絡(luò)資源而是從云資源提供商處按需租賃廉價(jià)的資源，通過(guò)在云計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商之間的協(xié)同操作，自動(dòng)生成和管理VPN，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算站點(diǎn)資源與企業(yè)站點(diǎn)資源之間的互聯(lián)，優(yōu)化廣域網(wǎng)下遷移性能。

3.2 VROOM項(xiàng)目

動(dòng)態(tài)虛擬路由[8-9]（VROOM）打破路由器硬件與控制軟件的緊耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離。VROOM的路由遷移機(jī)制如圖2所示。由于轉(zhuǎn)換不影響數(shù)據(jù)流的傳輸或改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此虛擬路由器的配置不用改變，可避免路由計(jì)算的收斂延時(shí)。VROOM遷移首先將控制平面遷移到新的物理平臺(tái)，在保持原有平臺(tái)數(shù)據(jù)平面工作的同時(shí)，原有平臺(tái)將控制報(bào)文重定向到新平臺(tái)上的控制平面，待新平臺(tái)數(shù)據(jù)平面配置完畢（包括轉(zhuǎn)發(fā)表的設(shè)置、控制狀態(tài)的安裝等）后，可將鏈路遷移到新的物理平臺(tái)。

3.3 基于OpenFlow和Xen的虛擬

網(wǎng)絡(luò)遷移模型

文獻(xiàn)[10]中提出在兩種虛擬化平臺(tái)Xen和OpenFlow下虛擬網(wǎng)絡(luò)的遷移模型，可有效減少遷移過(guò)程中的丟包問(wèn)題。在Xen虛擬化平臺(tái)中，假定每個(gè)虛擬機(jī)都是一個(gè)虛擬路由器，利用其內(nèi)置的機(jī)制實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)（虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路）的遷移。為了保持虛擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，?dāng)遷移一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，必須在源節(jié)點(diǎn)的相同虛擬鄰節(jié)點(diǎn)中找到一個(gè)新的物理節(jié)點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬環(huán)境遷移到新的物理節(jié)點(diǎn)。

在OpenFlow[11]的平臺(tái)中，所有的網(wǎng)絡(luò)元素，如路由器、交換機(jī)和接入點(diǎn)都可以看作“OpenFlow交換機(jī)”，通過(guò)數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離，控制器通過(guò)集中管理方式掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并根?jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)的策略執(zhí)行應(yīng)用，重新配置轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)現(xiàn)流的遷移。OpenFlow利用對(duì)流表的控制，簡(jiǎn)化了虛擬路由器的控制設(shè)計(jì)。OpenFlow中遷移流的算法如圖3所示。當(dāng)控制器決定從一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)遷移流時(shí)，它會(huì)在新路徑上的每個(gè)交換機(jī)中創(chuàng)建一個(gè)新的流條目，除了在新的和舊的路徑之間的第一個(gè)通用交換機(jī)，即圖3中的節(jié)點(diǎn)1；然后，控制器修改這個(gè)交換機(jī)中的條目，從源輸出端口到新輸出端口重定向流；最后控制器刪除在原路徑上的交換機(jī)的流條目，即圖3中的節(jié)點(diǎn)2和3?？梢钥闯鯴en的虛擬遷移針對(duì)局域網(wǎng)，而OpenFlow可以利用配置轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)的遷移，同時(shí)這種集中式的控制器可以在遷移后不需要?jiǎng)?chuàng)建隧道，不需要保持虛擬的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，OpenFlow提供了一個(gè)可創(chuàng)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)的通用基礎(chǔ)設(shè)施，并進(jìn)行靈活的網(wǎng)絡(luò)資源重配置。

4 一種基于QoS計(jì)算模型

的服務(wù)遷移算法

服務(wù)遷移在保障業(yè)務(wù)連續(xù)的同時(shí)在也會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，大量數(shù)據(jù)傳輸和遷移對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的巨大壓力，甚至可能會(huì)導(dǎo)致服務(wù)中斷[12-14]。因此如果想在虛擬化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的服務(wù)遷移，應(yīng)該明確遷移的影響因素，例如服務(wù)時(shí)延、鏈路帶寬、服務(wù)器可用負(fù)載、服務(wù)本身大小等，還有一些與服務(wù)器自身相關(guān)的屬性，也會(huì)對(duì)遷移的代價(jià)和用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量產(chǎn)生影響，如服務(wù)器的價(jià)格和信用等。平衡各種代價(jià)，合理調(diào)整網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的位置，在提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率的同時(shí)，降低服務(wù)響應(yīng)時(shí)間和遷移成本，改善用戶(hù)使用體驗(yàn)，以最小的延遲獲取可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下服務(wù)遷移問(wèn)題的亟需解決的重要問(wèn)題。

本文提出一種針對(duì)單域環(huán)境的虛擬網(wǎng)絡(luò)遷移算法，該方法基于一種公開(kāi)、公平的QoS計(jì)算模型[15]。定義虛擬節(jié)點(diǎn)的遷移判定因子（MDF），用于表示遷移到該點(diǎn)并由其提供服務(wù)的相對(duì)代價(jià)。虛擬節(jié)點(diǎn)v的MDF是傳輸時(shí)延、可用負(fù)載、鏈路帶寬、服務(wù)器價(jià)格、信用等一系列影響參數(shù)的共同作用函數(shù)，若虛擬節(jié)點(diǎn)u為前一時(shí)刻的服務(wù)提供商，即遷移的起點(diǎn)，δ為請(qǐng)求序列的到達(dá)或改變，則：

MDF（v）=∑δ f （Clat（δ，v）， Cload（v）， Cband（u，v）…）

量化遷移代價(jià)、收益和服務(wù)提供商屬性的影響參數(shù)，用遷移路徑的帶寬，服務(wù)本身的大小和服務(wù)中斷的代價(jià)共同決定服務(wù)遷移所產(chǎn)生的代價(jià)；用時(shí)延和服務(wù)器可用負(fù)載定義遷移的收益；將服務(wù)器的租用價(jià)格和信用作為遷移因素的一部分。用歸一化的方式處理數(shù)據(jù)及分組，并通過(guò)設(shè)置不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重來(lái)計(jì)算每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)的遷移判定參數(shù)，動(dòng)態(tài)評(píng)判遷移的時(shí)機(jī)，并選擇判定因子最小的虛擬節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)遷移節(jié)點(diǎn)。具體的參數(shù)如表1所示。

這里我們給出一個(gè)簡(jiǎn)單示例，如圖4所示。當(dāng)用戶(hù)的位置、偏好或請(qǐng)求發(fā)生改變的時(shí)候，如圖中用戶(hù)A的位置發(fā)生了移動(dòng)，通過(guò)本地監(jiān)視器來(lái)采集節(jié)點(diǎn)上的信息狀態(tài)，如延遲時(shí)間、鏈路帶寬、節(jié)點(diǎn)可用負(fù)載等參數(shù)信息，計(jì)算遷移判定因素，選擇遷移判定因素最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遷移，即圖4中的節(jié)點(diǎn)5。由虛擬節(jié)點(diǎn)5作為服務(wù)提供商為用戶(hù)A提供服務(wù)，直至下一個(gè)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)重新進(jìn)行判斷。

遷移判定因素的具體計(jì)算方法如下所示：

（1）對(duì)于圖4中包含6個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)集合V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}。初始服務(wù)節(jié)點(diǎn)S0為虛擬節(jié)點(diǎn)v1，用戶(hù)A在t1時(shí)刻發(fā)生位置的改變。我們選定5種遷移代價(jià)評(píng)價(jià)參數(shù)：服務(wù)的時(shí)延、服務(wù)器可用負(fù)載、遷移路徑帶寬、租賃服務(wù)器的價(jià)格和服務(wù)提供商的信用。通過(guò)本地監(jiān)視器得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)的矩陣Q。

（2）對(duì)Q進(jìn)行歸一化計(jì)算，歸一化為所有影響因素提供一種與單位無(wú)關(guān)的、標(biāo)準(zhǔn)的衡量方法并設(shè)置閾值，得到矩陣Q。

按照遷移的代價(jià)、利益和服務(wù)器的屬性，對(duì)Q進(jìn)行分組和再次歸一化，得到矩陣G。

[G=0.89651.89480.38791.10950.94741.19441.04290.94742.12091.48670.63160.77580.77660.63160.65580.68790.94740.8651]

（3）設(shè)定代價(jià)、收益和服務(wù)器屬性3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在總遷移判定參數(shù)中的權(quán)重分別為0.4、0.4、0.2。則計(jì)算得到6個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的遷移代價(jià)分別為1.1941、1.0616、1.2203、1.0025、0.6944和0.8271。因此選擇遷移判定參數(shù)最小的虛擬節(jié)點(diǎn)，即虛擬節(jié)點(diǎn)5作為服務(wù)提供商提供服務(wù)。

該方法可以有效地反映節(jié)點(diǎn)的優(yōu)劣，綜合多種因素對(duì)遷移的影響，允許根據(jù)用戶(hù)的需求和環(huán)境的變化對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，可以減少服務(wù)的延遲，提高用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的資源管理和降低能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)為服務(wù)遷移機(jī)制設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間，虛擬網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)遷移可以有效地提高資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)資源按需、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)配置，提高用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量，降低能耗并實(shí)現(xiàn)綠色網(wǎng)絡(luò)，已成為目前網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

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