基于SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究

陳國(guó)良

摘要：針對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化依賴虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)的問(wèn)題，利用新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SDN很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的靈活管理和配置，達(dá)到數(shù)據(jù)中心虛擬化管理，且使得數(shù)據(jù)中心在資源優(yōu)化，差錯(cuò)容忍和負(fù)載均衡方面具有很好的靈活性。同時(shí)，提出了一種基于QoS流機(jī)制的多路徑虛擬機(jī)遷移策略（QMA），該機(jī)制通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)奶摂M機(jī)遷移資源劃分為不同的QoS流，然后對(duì)每一個(gè)流選擇有效的轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行遷移，從而提高虛擬機(jī)整體遷移性能，最終達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化管理。

關(guān)鍵詞：SDN;網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化;虛擬機(jī)遷移;QoS流;QMA機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化依賴虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)完成虛擬化的核心組成部分，給數(shù)據(jù)中心的管理與維護(hù)帶來(lái)巨大的便利[1];同時(shí)也使得數(shù)據(jù)中心在資源優(yōu)化，負(fù)載均衡，差錯(cuò)容忍[2]等方面具有很好的靈活性。盡管網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化依靠虛擬機(jī)遷移具有很好的優(yōu)勢(shì)，但在遷移過(guò)程中仍然存在性能的降低，特別是在跨數(shù)據(jù)中心的遷移環(huán)境下[3]。由于廣域網(wǎng)低帶寬[4J，高延遲的特點(diǎn)極大的降低了虛擬機(jī)在線遷移的性能，從而影響了網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

網(wǎng)絡(luò)跨數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)優(yōu)化下的虛擬機(jī)遷移已經(jīng)有許多的研究。文獻(xiàn)[5]分析了廣域網(wǎng)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)奶魬?zhàn);文獻(xiàn)[6]提出了使用數(shù)據(jù)塊預(yù)拷貝算法對(duì)內(nèi)存進(jìn)行遷移;文獻(xiàn)[7]采用重定向和動(dòng)態(tài)DNS對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重配置;文獻(xiàn)[8]基于CloudNet云平臺(tái)利用VPN實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸虛擬機(jī)遷移;文獻(xiàn)[9]中提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型用來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)資源傳輸內(nèi)存遷移的停機(jī)時(shí)間。通過(guò)相關(guān)的研究能夠看出廣域網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題給虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，而之前的研究大部分是從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶摂M機(jī)遷移過(guò)程方面出發(fā)，而沒(méi)有從網(wǎng)絡(luò)資源角度考慮。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸時(shí)間由大量遷移的數(shù)據(jù)以及所分配的傳輸帶寬決定。因此，通過(guò)虛擬機(jī)遷移過(guò)程有效的分配網(wǎng)絡(luò)資源是提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的一個(gè)重要的方式。

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)跨數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)優(yōu)化下的虛擬機(jī)遷移場(chǎng)景引入SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)更新中具有靈活性的特點(diǎn)，提出了一種基于QoS流的多路徑并行傳輸策略（QMA），同時(shí)采用動(dòng)態(tài)路由算法去處理不同的QoS流，能夠?yàn)樘摂M機(jī)遷移提供良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸資源，從而有效降低虛擬機(jī)遷移時(shí)間，提升網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)整的性能。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和在線遷移模型

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了基于SDN的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖1所示。

圖1給出了一個(gè)全局的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)視圖，在這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)控制器控制所有的網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)一些云管理系統(tǒng)比如OpenStack管理所有網(wǎng)絡(luò)中的虛擬機(jī)計(jì)算資源[10]，本文的QoS路由機(jī)制部署在網(wǎng)絡(luò)控制器中，網(wǎng)絡(luò)控制器和云管理系統(tǒng)之間可以進(jìn)行通信。

特別是，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備比如交換機(jī)或者路由器能夠根據(jù)他們獲得的轉(zhuǎn)發(fā)流表實(shí)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[11]SDN控制器使用標(biāo)準(zhǔn)的openflow協(xié)議與這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進(jìn)行通信，獲取鏈路狀態(tài)信息[12]，同時(shí)，SDN控制器負(fù)責(zé)計(jì)算所有交換設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)流表。另外，云控制器OpenStack負(fù)責(zé)管理所有數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，記錄關(guān)于網(wǎng)絡(luò)中虛擬機(jī)和物理主機(jī)必要的信息，例如虛擬機(jī)內(nèi)存大小，物理主機(jī)剩余CPU資源[13]等，同時(shí)所有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)定期的報(bào)告各自的更新信息給云管理器，此外，OpenStack也提供了統(tǒng)一的資源管理功能。

本文利用云管理器對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的虛擬機(jī)進(jìn)行管理，當(dāng)某臺(tái)虛擬機(jī)需要遷移時(shí)，云管理器會(huì)向SDN控制器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)配合請(qǐng)求，然后SDN控制器根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)施網(wǎng)絡(luò)控制，將相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略下發(fā)給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，云管理器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行虛擬機(jī)的遷移。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸中的虛擬機(jī)遷移模型

預(yù)拷貝遷移是最常見(jiàn)的一種方式，目前已經(jīng)在最新的虛擬化工具得到實(shí)現(xiàn)，比如V Mware，XEN，KVM，本文也采用這種方式，下面給出具體的細(xì)節(jié)。如圖2所示，虛擬機(jī)的在線遷移主要分為三個(gè)部分，主要包括鏡像拷貝階段，迭代預(yù)拷貝階段和停機(jī)拷貝階段。在預(yù)拷貝遷移中，虛擬機(jī)內(nèi)容f如鏡像文件）首先從源物理主機(jī)被復(fù)制到目的主機(jī)，即圖中的鏡像拷貝階段。接下來(lái)，進(jìn)入內(nèi)存的迭代預(yù)拷貝階段，在預(yù)拷貝的第一次迭代中會(huì)將所有的內(nèi)存頁(yè)拷貝到目的虛擬機(jī)，因?yàn)樵趥鬏斶^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臟頁(yè)，所以接下來(lái)的迭代會(huì)拷貝改變的內(nèi)存臟頁(yè)到目標(biāo)虛擬機(jī)，內(nèi)存臟頁(yè)不斷的被拷貝直到臟頁(yè)變得相對(duì)非常少或者達(dá)到某一值時(shí)，這時(shí)標(biāo)志著下一階段的開(kāi)始，即停機(jī)拷貝階段，在該階段源虛擬機(jī)會(huì)暫停工作，然后將剩下的臟頁(yè)拷貝到目的虛擬機(jī)，之后目的主機(jī)上的虛擬機(jī)接管源虛擬機(jī)的工作繼續(xù)提供服務(wù)，同時(shí)，源主機(jī)虛擬機(jī)將會(huì)被銷毀。

2 基于QoS流多路徑傳輸機(jī)制

遷移時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要性能指標(biāo)，那么如何提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，減少虛擬機(jī)總體遷移時(shí)間是一個(gè)很重要的研究問(wèn)題。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)角度考慮，當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，分配的網(wǎng)絡(luò)資源（比如傳輸帶寬）大小直接決定虛擬機(jī)遷移時(shí)間，特別是在廣域網(wǎng)環(huán)境下[14]，因此，本文提出了基于QoS流多路徑的虛擬機(jī)遷移機(jī)制（QMA）解決網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。

2.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的虛擬機(jī)在線遷移模型，本文將虛擬機(jī)在線遷移劃分為三個(gè)連續(xù)階段進(jìn)行：鏡像遷移，內(nèi)存預(yù)拷貝，停機(jī)拷貝，執(zhí)行順序依次進(jìn)行，由于鏡像、內(nèi)存和CPU對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的要求不同，本文采用流的方式[15]，將鏡像文件、內(nèi)存預(yù)拷貝以及內(nèi)存停機(jī)拷貝設(shè)定為不同級(jí)別的QoS流，不同級(jí)別的遷移流滿足不同的QoS需求，即滿足不同的網(wǎng)絡(luò)資源要求，本文設(shè)定QoS主要滿足網(wǎng)絡(luò)延遲和遷移帶寬需求;此外，在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移過(guò)程中同一級(jí)別的流允許多路徑并行遷移。

在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，Openflow允許定義不同類型的流，比如QoS級(jí)別[16]，另外，SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置具有很好的靈活性，網(wǎng)絡(luò)控制器能夠根據(jù)不同的QoS流制定符合QoS要求的路由策略，然后將路由策略以流表的形式下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，并且能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)做到及時(shí)地更新，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的路由機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，完成遷移流的傳輸。

2.2 路由優(yōu)化模型

針對(duì)不同的QoS流建立不同的路由策略，本文建立了動(dòng)態(tài)路由模型。具體描述如下：將網(wǎng)絡(luò)看做是一個(gè)無(wú)向圖G（N，L），N表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合，L表示節(jié)點(diǎn)之間的鏈路集合。將QoS流請(qǐng)求定義為一個(gè)四元組（s，d，B，D），s指入口路由，d指出口路由，B指請(qǐng)求的最小帶寬，D指延遲上界要求。P表示在所有的QoS請(qǐng)求中入口一出口節(jié)點(diǎn)對(duì)，R（s，d）表示從入口節(jié)點(diǎn)s到出口節(jié)點(diǎn)d的所有路由集合（R（D）對(duì)于任意的路由r∈R（s，d），QoS路由是要找到盡可能最優(yōu)的路徑。

本文將動(dòng)態(tài)路由看作是一個(gè)約束性最短路徑問(wèn)題，對(duì)于該問(wèn)題有兩個(gè)屬性，代價(jià)函數(shù)和約束條件，這兩個(gè)屬性能夠體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀況和所滿足的QoS需求。本文利用鏈路帶寬計(jì)算每條鏈路權(quán)重作為成本度量，將端到端最大延遲作為約束條件，因?yàn)閷?duì)于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸中的虛擬機(jī)遷移，遷移時(shí)間是一個(gè)很重要的性能評(píng)估因素。

代價(jià)函數(shù)：

即在滿足延遲條件的情況下，找到滿足條件的路徑使代價(jià)最小，該路徑即為滿足QoS約束的最優(yōu)路徑。因?yàn)榇鷥r(jià)函數(shù)是剩余帶寬的反比函數(shù)，因此，代價(jià)越少，即可分配的剩余帶寬越多。

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文描述的設(shè)計(jì)原理，本文設(shè)定五元組（s，d，S disk，S pre -mean，S stop-mem）表示網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)由節(jié)點(diǎn)s到節(jié)點(diǎn)d的遷移請(qǐng)求，根據(jù)上文給出的路由優(yōu)化模型，將網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移資源分為三部分，每個(gè)部分設(shè)定對(duì)應(yīng)的QoS請(qǐng)求，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶摂M機(jī)遷移時(shí)，云管理器會(huì)為每一個(gè)虛擬機(jī)遷移請(qǐng)求建立QoS流請(qǐng)求優(yōu)先隊(duì)列，然后將請(qǐng)求隊(duì)列信息發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)QoS隊(duì)列優(yōu)先級(jí)對(duì)每一個(gè)流進(jìn)行處理，優(yōu)先級(jí)高的QoS流會(huì)優(yōu)先被處理，相同級(jí)別的流會(huì)按照設(shè)定的遷移次序依次對(duì)遷移流進(jìn)行處理，確定不同的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，然后下發(fā)流表，最后完成數(shù)據(jù)傳輸。

具體的算法步驟如下：

該算法總共七個(gè)步驟，前兩個(gè)步驟為創(chuàng)建QoS流隊(duì)列過(guò)程，后面的步驟主要是對(duì)流的處理過(guò)程，實(shí)際是對(duì)動(dòng)態(tài)路由問(wèn)題的解決，本文采用了改進(jìn)的拉格朗日松弛算法來(lái)獲得更加優(yōu)化的遷移路徑，從而提升網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸性能。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文策略的性能，本文采用ExpandANSNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真驗(yàn)證。該拓?fù)溆?8個(gè)節(jié)點(diǎn)和30條鏈路組成。所有的鏈路都是雙向的，該拓?fù)淇偣灿腥齻€(gè)入一出節(jié)點(diǎn)對(duì)，分別為（1，17），（2，26），（4，15）。每條鏈路的傳播延遲假定在一定范圍內(nèi)都是均勻分布的。仿真參數(shù)設(shè)定如表l所示。

3.2 結(jié)果分析

本文主要對(duì)兩方面的性能進(jìn)行比較和分析：總體遷移時(shí)間和遷移停機(jī)時(shí)間。

仿真選用基準(zhǔn)算法與本文提出的基于QoS多流傳輸算法進(jìn)行性能比較。該基準(zhǔn)算法是基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，當(dāng)有虛擬機(jī)遷移請(qǐng)求時(shí)，會(huì)采用傳統(tǒng)的路由選擇機(jī)制選擇源端到目的端的傳輸路徑，然后利用虛擬化遷移工具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)的遷移，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下不支持多流并行傳輸。

（1）遷移總體時(shí)間對(duì)比

選擇一個(gè)入一出口節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移的源主機(jī)和目的主機(jī)，在評(píng)估遷移總體性能中，設(shè)定鏡像文件的大小由10GB到20GB變化，內(nèi)存大小設(shè)定為1GB，遷移過(guò)程中的臟頁(yè)速率設(shè)定為lOOMBps，剩余臟頁(yè)大小為100MB。仿真結(jié)果如圖3所示：

由圖3可知，隨著鏡像文件大小的增加，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)總體遷移時(shí)間也會(huì)增加;兩種算法進(jìn)行對(duì)比看出，本文提出的QMA策略遷移網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)需要的時(shí)間明顯少于基準(zhǔn)算法，原因在于QMA策略的實(shí)施基于SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，集中控制器能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息制定QoS動(dòng)態(tài)路由策略，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移提供更好的傳輸帶寬，此外，本文在實(shí)現(xiàn)上允許多路徑傳輸，因此，從圖中看出，隨著鏡像文件的增加，QMA能夠使總體遷移時(shí)間縮短，從而使得網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸性能得到很好地提升。

此外，在鏡像文件一定的情況下，本文對(duì)內(nèi)存大小的變化對(duì)遷移總體時(shí)間的影響進(jìn)行了仿真。仿真中設(shè)定鏡像大小為10GB。

由圖4可知，當(dāng)鏡像文件大小一定條件下，隨著內(nèi)存文件大小的增加，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)總體遷移時(shí)間也會(huì)增加。兩種算法進(jìn)行對(duì)比，本文提出的QMA策略遷移時(shí)間少于基準(zhǔn)算法，因?yàn)镼MA策略能夠提供更好的路由選擇策略，能夠保證遷移的最小傳輸帶寬，在相對(duì)好的網(wǎng)絡(luò)狀況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移，因而可以有效的減少遷移時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)男阅堋?/p>

（2）停機(jī)時(shí)間對(duì)比

本文對(duì)不同的臟頁(yè)閡值對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)停機(jī)時(shí)間的影響進(jìn)行了性能驗(yàn)證，仿真如圖5所示。

如圖所示，停機(jī)時(shí)間受內(nèi)存剩余臟頁(yè)閡值的影響，隨著剩余臟頁(yè)量的增多，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移的停機(jī)拷貝時(shí)間會(huì)逐漸增加。由于QMA策略執(zhí)行中能夠做到路徑的優(yōu)化選擇，獲得更好的遷移時(shí)的傳輸帶寬，因而使得執(zhí)行效果好于基準(zhǔn)算法。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了在跨數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下，通過(guò)優(yōu)化遷移時(shí)的網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)降低遷移時(shí)間，從而提高遷移性能。首先引入了新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SDN，SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠使網(wǎng)絡(luò)配置變得更加靈活而且具有可適應(yīng)性;在該架構(gòu)下提出了一種基于QoS流并行傳輸機(jī)制（QMA），對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸虛擬機(jī)遷移資源分成不同的QoS流，并且建立對(duì)應(yīng)的QoS流隊(duì)列，然后利用SDN網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況對(duì)隊(duì)列中的每一個(gè)QoS流進(jìn)行動(dòng)態(tài)的路由決策，通過(guò)優(yōu)化路由決策算法為每一個(gè)遷移流提供更好的網(wǎng)絡(luò)資源，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸帶寬以及傳輸時(shí)延。仿真結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下的虛擬機(jī)遷移，本文提出的QMA機(jī)制能夠使得總體遷移時(shí)間和停機(jī)時(shí)間得到有效地減少，從而使網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)傳輸性能得到很好地提升。

參考文獻(xiàn)

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