虛擬網(wǎng)絡的服務遷移技術研究

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)絡遷移算法。基于動態(tài)服務質量計算，定義了遷移判定因子，量化遷移代價與收益參數(shù)，動態(tài)評判遷移的時機，并選擇判定因子最小的虛擬節(jié)點作為服務遷移節(jié)點。該算法可以有效地減少服務延遲，提高用戶的服務體驗質量，實現(xiàn)網(wǎng)絡高效的資源管理和降低能耗的目標。

關鍵詞： 網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境；服務遷移；資源管理；移動性

網(wǎng)絡虛擬化技術，在無需考慮底層物理網(wǎng)絡屬性的情況下，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡服務的平滑移動和資源的按需分配，為實現(xiàn)移動業(yè)務的泛在接入和無縫切換提供了可能。在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境（NVE）中，根據(jù)網(wǎng)絡中用戶的數(shù)量、行為及偏好，重配置物理網(wǎng)絡資源和按需流量管理，實時對虛擬網(wǎng)絡的規(guī)模、資源的分布進行動態(tài)調整，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的高效利用，提升網(wǎng)絡服務質量（QoS）和用戶體驗質量，即虛擬網(wǎng)絡遷移問題。

1 網(wǎng)絡虛擬化技術

網(wǎng)絡虛擬化是近年來互聯(lián)網(wǎng)研究領域出現(xiàn)的新技術，主要為了解決互聯(lián)網(wǎng)的“僵化”問題并進行未來網(wǎng)絡體系結構的研究、試驗和部署[1-2]。其思想是通過抽象、隔離、重用的機制，在一個公共的底層物理網(wǎng)絡（SN）上支持多個虛擬網(wǎng)絡（VN），每個虛擬網(wǎng)絡拓撲，是一系列基于虛擬鏈路相互連接的虛擬節(jié)點的集合。本質上，虛擬網(wǎng)絡是底層物理拓撲的一個子集，每個虛擬節(jié)點托管在一個底層物理節(jié)點上，而一條虛擬鏈路是跨越物理網(wǎng)絡中的一條鏈路，并且包含了該鏈路上的一部分資源。在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境中，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的因特網(wǎng)業(yè)務提供商（ISP）的角色按照功能進行分解，分為基礎設施提供商（InP）和服務提供商（SP）[3]，支持部署多種共存的、異構的且隔離的網(wǎng)絡架構，上層的虛擬網(wǎng)絡支持相互獨立的協(xié)議體系，實現(xiàn)網(wǎng)絡流量的安全隔離，保障端到端的服務質量。相互隔離的虛擬網(wǎng)絡服務如圖1所示。

（1）基礎設施提供商

在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境中部署和管理底層網(wǎng)絡物理資源，負責操作和維護底層網(wǎng)絡的基礎設施，并通過可編程接口向不同的服務提供商提供其物理資源。

（2）服務提供商

從多個基礎設施提供商租賃資源來創(chuàng)建不同類型的虛擬網(wǎng)絡服務，即分片（Slice）。VN由虛擬節(jié)點和虛擬鏈路構成，SP可以部署自定義協(xié)議，對分配的物理資源進行編程，管理上層的虛擬網(wǎng)絡，并向終端用戶提供業(yè)務、應用和服務。

（3）終端用戶

在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境中，不同類別的應用都是以服務的形式運行在相互隔離的分片上，終端用戶可以根據(jù)業(yè)務需求，使用來自不同服務提供商提供的虛擬網(wǎng)服務。

2 服務遷移問題的應用場景

在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境下，底層網(wǎng)絡資源的位置、服務提供能力和負載時時刻刻發(fā)生變化，而終端用戶的行為也存在移動性、偏好性，可能需要實時的加入或離開。因此需要根據(jù)用戶需求動態(tài)的調整虛擬資源的數(shù)量，對底層物理資源進行遷移和調整，保證虛擬網(wǎng)絡服務的不間斷使用，維護虛擬網(wǎng)絡的拓撲連接關系。我們歸納了服務遷移問題的應用場景[4]。

2.1 云爆炸場景

由于企業(yè)的峰值需求是暫時的，當用戶數(shù)量急劇增多時，本地服務器上的負載會被遷移到云端的服務器，或者在云端服務器增加新的應用備份機以平衡負載。一旦負載降低，則減少云端的負載，或者只使用本地服務器[5]。在網(wǎng)絡虛擬化的環(huán)境下，通過虛擬機的動態(tài)遷移可以實現(xiàn)靈活的資源管理和調度，將多個應用分別部署在不同的云端資源站點以便實現(xiàn)負載均衡，或者將企業(yè)的虛擬機遷移到資費低廉的云服務平臺取得更低的運營成本，再或者將應用服務部署到提供高性能計算服務的云計算平臺獲得更快速的運算需求。

2.2 時區(qū)場景

針對跨越多個大洲的網(wǎng)絡服務，不同的用戶群分布于不同的時區(qū)位置，共同使用相同的服務，而每組用戶的使用時間都是在固定的時間段。在這個場景中，用戶對網(wǎng)絡應用具有低時延的需求，可以在每個時區(qū)均設置云數(shù)據(jù)中心[6]，存儲諸如內容存放、下載等類型的服務，以滿足用戶的需求。而對實時性、互通性要求較高的應用服務，可將一個或多個裝有應用的虛擬機和數(shù)據(jù)隨時間進行遷移，比如將某些全球性商業(yè)金融服務，每天的日落將數(shù)據(jù)遷移到即將日出的時區(qū)，如東京—倫敦—紐約。

2.3 用戶移動性場景

由于用戶在一天中的不同時刻處于不同的位置，而所有用戶的位置變化、需求變化存在規(guī)律性。比如，在上下班時刻，用戶服務的熱點處于公交車站或地鐵等位置，用戶關注的應用服務主要集中在音樂、即時通信等內容方面。工作時間用戶服務的熱點則處于城市中心、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等位置，業(yè)務類型傾向于郵件、Web瀏覽等內容。晚上網(wǎng)絡服務的熱點則集中于居民區(qū)等，此時用戶更傾向于視頻服務、大型游戲等內容。如何根據(jù)熱點分布的不同，對網(wǎng)絡中服務位置進行動態(tài)調整，能夠有效的節(jié)約網(wǎng)絡資源。

3 典型研究項目

當前大多數(shù)虛擬化平臺只能實現(xiàn)局域網(wǎng)（LAN）內的虛擬機遷移，而在網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境，為了實現(xiàn)應用服務的靈活部署和遷移，在關于負載均衡、運行成本和計算性能間平衡的研究還處于起步階段。這里我們簡單介紹幾個比較典型的項目。

3.1 CloudNet項目

利用現(xiàn)有的服務器、路由器、網(wǎng)絡的不同層面的虛擬化技術，建立安全隔離的資源池，支持廣域網(wǎng)下虛擬機動態(tài)遷移。文獻[4]和文獻[7]中通過基于虛擬專用網(wǎng)（VPN）的網(wǎng)絡基礎設施，提供企業(yè)和數(shù)據(jù)中心站點的無縫連接，企業(yè)無需局限于本地的網(wǎng)絡資源而是從云資源提供商處按需租賃廉價的資源，通過在云計算平臺和網(wǎng)絡服務提供商之間的協(xié)同操作，自動生成和管理VPN，實現(xiàn)云計算站點資源與企業(yè)站點資源之間的互聯(lián)，優(yōu)化廣域網(wǎng)下遷移性能。

3.2 VROOM項目

動態(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系，實現(xiàn)了控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離。VROOM的路由遷移機制如圖2所示。由于轉換不影響數(shù)據(jù)流的傳輸或改變網(wǎng)絡拓撲結構，因此虛擬路由器的配置不用改變，可避免路由計算的收斂延時。VROOM遷移首先將控制平面遷移到新的物理平臺，在保持原有平臺數(shù)據(jù)平面工作的同時，原有平臺將控制報文重定向到新平臺上的控制平面，待新平臺數(shù)據(jù)平面配置完畢（包括轉發(fā)表的設置、控制狀態(tài)的安裝等）后，可將鏈路遷移到新的物理平臺。

3.3 基于OpenFlow和Xen的虛擬

網(wǎng)絡遷移模型

文獻[10]中提出在兩種虛擬化平臺Xen和OpenFlow下虛擬網(wǎng)絡的遷移模型，可有效減少遷移過程中的丟包問題。在Xen虛擬化平臺中，假定每個虛擬機都是一個虛擬路由器，利用其內置的機制實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡（虛擬節(jié)點和虛擬鏈路）的遷移。為了保持虛擬網(wǎng)絡的拓撲，當遷移一個節(jié)點的時候，必須在源節(jié)點的相同虛擬鄰節(jié)點中找到一個新的物理節(jié)點，因此可以實現(xiàn)整個虛擬環(huán)境遷移到新的物理節(jié)點。

在OpenFlow[11]的平臺中，所有的網(wǎng)絡元素，如路由器、交換機和接入點都可以看作“OpenFlow交換機”，通過數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離，控制器通過集中管理方式掌握整個網(wǎng)絡拓撲，并根據(jù)虛擬網(wǎng)絡的策略執(zhí)行應用，重新配置轉發(fā)表實現(xiàn)流的遷移。OpenFlow利用對流表的控制，簡化了虛擬路由器的控制設計。OpenFlow中遷移流的算法如圖3所示。當控制器決定從一個物理節(jié)點遷移流時，它會在新路徑上的每個交換機中創(chuàng)建一個新的流條目，除了在新的和舊的路徑之間的第一個通用交換機，即圖3中的節(jié)點1；然后，控制器修改這個交換機中的條目，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的流條目，即圖3中的節(jié)點2和3。可以看出Xen的虛擬遷移針對局域網(wǎng)，而OpenFlow可以利用配置轉發(fā)表實現(xiàn)廣域網(wǎng)的遷移，同時這種集中式的控制器可以在遷移后不需要創(chuàng)建隧道，不需要保持虛擬的拓撲結構。因此，OpenFlow提供了一個可創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡的通用基礎設施，并進行靈活的網(wǎng)絡資源重配置。

4 一種基于QoS計算模型

的服務遷移算法

服務遷移在保障業(yè)務連續(xù)的同時在也會帶來網(wǎng)絡的開銷，大量數(shù)據(jù)傳輸和遷移對網(wǎng)絡流量的巨大壓力，甚至可能會導致服務中斷[12-14]。因此如果想在虛擬化環(huán)境下實現(xiàn)動態(tài)的服務遷移，應該明確遷移的影響因素，例如服務時延、鏈路帶寬、服務器可用負載、服務本身大小等，還有一些與服務器自身相關的屬性，也會對遷移的代價和用戶的服務體驗質量產(chǎn)生影響，如服務器的價格和信用等。平衡各種代價，合理調整網(wǎng)絡服務的位置，在提高網(wǎng)絡資源的利用率的同時，降低服務響應時間和遷移成本，改善用戶使用體驗，以最小的延遲獲取可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡服務，是虛擬網(wǎng)絡環(huán)境下服務遷移問題的亟需解決的重要問題。

本文提出一種針對單域環(huán)境的虛擬網(wǎng)絡遷移算法，該方法基于一種公開、公平的QoS計算模型[15]。定義虛擬節(jié)點的遷移判定因子（MDF），用于表示遷移到該點并由其提供服務的相對代價。虛擬節(jié)點v的MDF是傳輸時延、可用負載、鏈路帶寬、服務器價格、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u為前一時刻的服務提供商，即遷移的起點，δ為請求序列的到達或改變，則：

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

量化遷移代價、收益和服務提供商屬性的影響參數(shù)，用遷移路徑的帶寬，服務本身的大小和服務中斷的代價共同決定服務遷移所產(chǎn)生的代價；用時延和服務器可用負載定義遷移的收益；將服務器的租用價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，并通過設置不同評價標準的權重來計算每個虛擬節(jié)點的遷移判定參數(shù)，動態(tài)評判遷移的時機，并選擇判定因子最小的虛擬節(jié)點作為服務遷移節(jié)點。具體的參數(shù)如表1所示。

這里我們給出一個簡單示例，如圖4所示。當用戶的位置、偏好或請求發(fā)生改變的時候，如圖中用戶A的位置發(fā)生了移動，通過本地監(jiān)視器來采集節(jié)點上的信息狀態(tài)，如延遲時間、鏈路帶寬、節(jié)點可用負載等參數(shù)信息，計算遷移判定因素，選擇遷移判定因素最小的節(jié)點進行遷移，即圖4中的節(jié)點5。由虛擬節(jié)點5作為服務提供商為用戶A提供服務，直至下一個請求到達時重新進行判斷。

遷移判定因素的具體計算方法如下所示：

（1）對于圖4中包含6個虛擬節(jié)點的虛擬網(wǎng)絡，節(jié)點集合V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}。初始服務節(jié)點S0為虛擬節(jié)點v1，用戶A在t1時刻發(fā)生位置的改變。我們選定5種遷移代價評價參數(shù)：服務的時延、服務器可用負載、遷移路徑帶寬、租賃服務器的價格和服務提供商的信用。通過本地監(jiān)視器得到各個節(jié)點評價參數(shù)的矩陣Q。

（2）對Q進行歸一化計算，歸一化為所有影響因素提供一種與單位無關的、標準的衡量方法并設置閾值，得到矩陣Q。

按照遷移的代價、利益和服務器的屬性，對Q進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）設定代價、收益和服務器屬性3種評價標準在總遷移判定參數(shù)中的權重分別為0.4、0.4、0.2。則計算得到6個服務節(jié)點的遷移代價分別為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，即虛擬節(jié)點5作為服務提供商提供服務。

該方法可以有效地反映節(jié)點的優(yōu)劣，綜合多種因素對遷移的影響，允許根據(jù)用戶的需求和環(huán)境的變化對影響參數(shù)進行擴展，可以減少服務的延遲，提高用戶的服務體驗質量，實現(xiàn)網(wǎng)絡的資源管理和降低能耗。

5 結束語

網(wǎng)絡虛擬化技術為服務遷移機制設計提供了廣闊的空間，虛擬網(wǎng)絡的動態(tài)遷移可以有效地提高資源的利用效率，實現(xiàn)資源按需、實時的動態(tài)配置，提高用戶的服務體驗質量，降低能耗并實現(xiàn)綠色網(wǎng)絡，已成為目前網(wǎng)絡虛擬化研究領域的一個熱點問題。

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