面向虛擬路由器平臺的資源管理平面的設計與實現

高先明，王寶生，李同標，薛華威

(國防科學技術大學 計算機學院，長沙 410073)

(*通信作者電子郵箱nudt_gxm@163.com)

面向虛擬路由器平臺的資源管理平面的設計與實現

高先明*，王寶生，李同標，薛華威

(國防科學技術大學 計算機學院，長沙 410073)

(*通信作者電子郵箱nudt_gxm@163.com)

通過研究與分析虛擬路由器平臺在管理與維護等方面存在的問題，提出了三層的虛擬路由器體系框架：控制平面、轉發平面和資源管理平面。控制平面和轉發平面是虛擬路由器的兩個基本功能平面，分別承載邏輯控制平面和邏輯轉發平面。為了動態地管理虛擬路由器平臺，引入了資源管理平面。它是管理物理資源和維護路由器實例的重要功能平面。通過闡述資源管理平面的框架以及實現機制，實現了支持路由器實例的靜態創建和動態調整的原型系統。實驗結果表明：資源管理平面的最大處理能力為3 205條命令/秒，在1 min內完成路由器實例的創建任務，能夠滿足虛擬路由器平臺的管理需求。

網絡虛擬化技術；虛擬路由器；路由器實例；資源管理平面；邏輯轉發引擎；邏輯控制引擎

0 引言

Internet固有體系暴露出越來越多的僵化性和不適應性[1-3]。為了解決當前Internet面臨的困境以及為新的設計提供真實的實驗床，在借鑒系統虛擬化技術思想的基礎上，提出了網絡虛擬化技術。網絡虛擬化技術指在同一物理基礎設施上構建出若干的虛擬網絡[4]。虛擬路由器是支撐虛擬網絡運行的關鍵網絡設備，通過對傳統的路由器中控制平面和數據平面虛擬化，構建出若干個邏輯功能平面。目前，虛擬路由器架構通常采用二層體系：轉發平面和控制平面。它既可采用操作系統虛擬化技術來實現[5]，比如Xen、VMWare等虛擬化工具，也可采用軟硬件相結合的方式[6]。為了保證虛擬路由器的轉發性能，物理基礎設施通常采用“池化”構建方式，要求虛擬路由器平臺具有一套功能完善的管理與維護程序[7-8]。目前，虛擬路由器的研究熱點集中在數據平面的性能優化、多邏輯轉發引擎隔離等方面，尚未有文獻針對虛擬路由器平臺提出一套管理控制系統。

針對網絡虛擬化技術部署對虛擬路由器功能需求[9-10]，分析了現有的虛擬路由器在管理與維護等方面存在的不足，將虛擬路由器的架構進一步劃分為：轉發平面、控制平面和資源管理平面。根據虛擬路由器部署與管理的實際需求，設計并實現了面向虛擬路由器平臺的資源管理平面，用于負責單個虛擬路由器平臺的物理資源管理與維護、路由器實例的創建與撤銷等任務。最后，基于本項目的“支持多網絡體制并存與隔離的、新型的、開放式可重構路由器體系架構”[11]實現了面向虛擬路由器平臺的資源管理平面的原型系統，并對原型系統的最大處理能力、實例部署時間以及策略模板規模等性能指標進行了測試。通過分析實驗結果可知，資源管理平面每秒能處理約3 205條管理與配置請求，滿足虛擬路由器管理的性能需求；單個路由器實例創建的時間開銷約為4.86 s。

1 支持虛擬化的路由器架構

為了解決二層的虛擬路由器[12]在管理與維護平臺存在的不足以及滿足物理基礎設施“池化”的需求，本文在分析與研究虛擬路由器的功能需求基礎上，提出了一種三層次的虛擬路由器架構。它既可以保證平臺具有較高的轉發性能，又能確保平臺良好的擴展性，如圖1所示。

圖1 虛擬路由器架構

虛擬路由器架構由轉發平面、控制平面和資源管理平面等三層構成。其中，轉發平面用于承載多邏輯轉發引擎，運行報文轉發業務，比如查找路由表、訪問控制表等[13]；控制平面用于承載多邏輯控制引擎，部署各類路由協議，比如開放式最短路徑優先(Open Shortest Path First, OSPF)[14]、邊界網關協議(Border Gateway Protocol, BGP)[15]等；資源管理平面用于獲得虛擬路由器平臺的物理資源信息，并依據物理資源信息來決定路由器實例部署信息以及平臺配置策略。資源管理平面與各個物理資源板間通信通過服務代理Agent實現，通信的消息內容包括物理資源板將自身資源信息通告給資源管理平面的消息以及資源管理平面配置物理資源板的策略消息等。本文對三層次的虛擬路由器架構中資源管理平面進行重點研究，通過分析平臺的實際部署需求，設計與實現了資源管理平面的架構以及處理機制。

2 資源管理平面的框架

資源管理平面是單個虛擬路由器平臺的重要組成部分，負責物理資源管理和路由器實例部署/撤銷；它也是管理員與虛擬路由器平臺間交互的通信管道，增強了管理虛擬路由器平臺的靈活性和便利性。資源管理平面在感知物理資源基礎上，利用路由器實例映射算法計算出實例部署的策略模板，并分發至對應的物理資源板來實施；同時，為了提升虛擬路由器平臺管理的靈活性，提供了規則定制的功能，可以約束或限制路由器實例部署的環境。

資源管理平面包括物理資源感知機制、路由器實例映射機制、規則匹配機制和用戶管理界面四部分，如圖2所示。其中，物理資源感知機制收集虛擬路由器平臺的物理資源信息，是資源管理平面實施路由器實例部署的前提條件，包括資源發現和物理資源庫等模塊；路由器實例映射機制模塊是資源管理平面的核心功能，用于計算路由器實例與物理資源的映射關系以及生成策略模板，包括路由器實例映射算法、實例部署生成算法、實例策略庫以及策略分發等模塊；規則匹配機制支持定制約束虛擬路由器平臺的方案，為管理員靈活地管理與維護平臺提供便捷方案，由規則庫構成；用戶管理界面是管理員與虛擬路由器平臺的交互通道。這四個部分相互協調工作，共同支持虛擬路由器平臺的管理和維護任務。

圖2 資源管理平面的框架

2.1 物理資源感知機制

在支持虛擬化的路由器體系架構中，物理資源包括支持虛擬化的轉發資源池和支持虛擬化的控制資源池兩類：前者用于部署虛擬路由器的邏輯轉發引擎，后者用于部署虛擬路由器的邏輯控制引擎。為了實現路由器實例的部署，資源管理平面首先感知這兩類資源的基本信息，存儲在自身物理資源庫中。因此，物理資源在接入平臺前，首先向資源管理平面進行物理資源注冊，通告它的物理資源的基本信息。由于兩類資源支撐的功能平面不同，資源管理平面感知它們的物理資源的基本信息也存在差異。比如，資源管理平面感知轉發資源的基本信息包括：CPU核數、CPU主頻、主存容量、網絡接口數量以及各個接口的類型、接口的鏈路帶寬、支持最大的虛接口數量等信息；對于控制資源，資源管理平面僅它的感知CPU核數、CPU主頻、主存容量以及網絡接口支持的鏈路帶寬總和等信息。

同時，資源管理平面還需對物理資源進行“心跳”探測，通過這種方式來檢查物理資源在線狀態。當資源管理平面探測到某物理資源不在線時，可以主動地觸發規則庫中規則，重新計算路由器實例與物理資源映射關系，確保已部署的路由器實例盡可能不受物理資源故障的影響。

2.2 路由器實例映射機制

路由器實例映射機制是資源管理平面的核心功能，其主要負責虛擬路由器實例創建、撤銷以及維護任務。根據路由器實例管理與維護的流程，它包括3個子任務：1)路由器實例與物理資源間映射關系的計算；2)部署路由器實例的策略模板的生成；3)部署路由器實例的策略模板的分發。

2.2.1 路由器實例與物理資源間映射關系的計算

路由器實例與物理資源間映射關系由路由器實例映射算法計算出。它根據物理資源庫存儲的總資源信息以及路由器實例已占用資源信息，計算出平臺可用的物理資源[16]。在此基礎上，該算法判斷當前平臺的可用資源是否滿足用戶需要創建的路由器實例性能需求。只有滿足以上條件時，它才會計算出該路由器實例需要部署在哪些物理資源板以及各個物理資源板的占用量，如圖3所示。

圖3 路由器實例與物理資源映射關系

2.2.2 部署路由器實例的策略模板的生成

依據路由器實例映射算法計算的結果，實例部署策略生成模塊將映射關系翻譯為配置物理資源板的策略，并生成若干策略模板，存儲在實例策略庫中。策略模板與物理資源板是一一對應的，每個策略模板用于配置單個物理資源板。同時，策略模板由一系列的可執行命令行組成，物理資源板通過解析命令行的方式而達到配置策略的目的，如圖4所示。

圖4 策略模板中常見命令行

策略模板規模與路由器實例映射算法計算出的結果密切相關。比如，當一個具有兩接口的路由器實例映射到一塊轉發資源板和一塊控制資源板時，需要兩個策略模板，命令行總數為49條；當該路由器實例映射到兩塊轉發資源板和一塊控制資源板時，需要三個策略模板，命令行總數為75條。

2.2.3 部署路由器實例的策略模板的分發

部署路由器實例的策略模板的分發任務是指將實例部署策略生成模塊生成的策略模板分發至對應的物理資源板，并收集物理資源板執行策略模板的結果。它并不需要存儲策略模板的信息，僅依據策略模板攜帶的物理資源板的標識來實現策略模板的分發。資源管理平面將策略模板的生成與分發拆分為兩個子任務能夠保證路由器實例映射機制具有良好的靈活性和擴展性。

2.3 規則匹配機制

規則匹配機制指當平臺某一事件滿足規則庫中某條規則的條件時，實現系統的自動化調整。規則匹配機制對路由器實例部署的影響主要表現在兩個方面：限制路由器實例的部署策略模板或者動態地調整路由器實例。因此，規則匹配機制可以允許定制虛擬路由器平臺，滿足不同的業務需求。

2.3.1 限制路由器實例的部署策略模板

規則庫中規則可以是路由器實例映射算法的約束條件。當計算出路由器實例與物理資源映射關系后，需要檢查規則庫中規則，判斷當前映射關系是否滿足規則的條件：一旦滿足，它需要重新調整路由器實例與物理資源的映射關系。通過靈活的配置規則，可以限制路由器實例的部署策略模板。比如，管理員可以強制指定物理接口支持最大的虛擬接口數，一旦虛擬接口數超過限定值時，表明該路由器實例不滿足部署需求，要求重新計算實例與物理資源間映射關系。

2.3.2 動態調整路由器實例

規則庫中規則也可以用于實現路由器實例的自動調整。在平臺運行過程中，一旦某條規則的條件滿足，會觸發系統動態地調整路由器實例。比如，當某轉發資源板下線時，會檢查規則庫中規則是否允許系統自動調整路由器實例：如果規則存在，系統會觸發路由器實例映射算法來調整部分部署在該轉發資源板的路由器實例；當撤銷某路由器實例時，檢查規則庫中規則是否要求對剩余的路由器實例進行調整，將路由器實例集中部署在盡可能少的物理資源板，達到降低功耗的目的[17]。

規則匹配機制允許管理員靈活地限定路由器實例部署的約束條件，使得路由器實例在預期的物理資源板上部署。同時，通過配置動態調整路由器實例的條件，一旦滿足規則條件時，自動地調整路由器實例。因此，規則匹配機制可以實現資源管理平面對虛擬路由器平臺的自動化管理。

2.4 用戶管理界面

用戶管理界面用于管理與維護物理資源、配置規則庫以及管理與維護路由器實例的通道，實現管理員與虛擬路由器平臺間交互，其良好的架構設計能夠降低管理的復雜性以及增強配置的便利性。

目前，用戶管理界面采用命令行界面(Command Line Interface, CLI)方式[18]，命令組成采用樹形組織方式，如圖5所示。樹形的命令組織方式將命令類型劃分為三類：PHYSICAL_NODE(用于管理與維護物理資源)、RULE_NODE(用于配置規則庫)和VROUTER_NODE(用于管理與維護路由器實例)。樹形的命令組織方式不僅可以方便管理員的操作，而且確保命令行具有良好的擴展性。

圖5 樹形的命令組織方式

管理員通過命令行的方式與虛擬路由器平臺交互，包括查詢物理資源的基本信息和路由器實例的運行狀況等信息、設置規則庫中規則、管理物理資源板以及創建路由器實例等。一個設計良好的用戶管理界面可以極大地方便管理員操作虛擬路由器平臺，從而降低維護平臺的代價。

3 路由器實例分配流程

在虛擬路由器平臺中，路由器實例分配流程包括兩種方式：靜態創建和動態調整。靜態創建指管理員首次為路由器實例分配物理資源，通常由新的路由器實例創建請求觸發。動態創建指路由器實例在運行過程中，對路由器實例的配置進行調整。比如，當路由器實例滿足規則庫中規則的條件時，觸發路由器實例映射機制重新計算路由器實例與物理資源間的映射關系。

3.1 路由器實例靜態創建

管理員在虛擬路由器平臺創建路由器實例時，通過用戶管理界面輸入該實例的性能指標，包括轉發性能、接口數量以及接口的鏈路帶寬等信息。路由器實例映射算法首先檢查尚未占用的物理資源是否滿足實例的性能需求：只有物理資源能承載該實例時，將輸入的性能指標翻譯成路由器實例與物理資源的映射關系，并逐條匹配規則庫中規則，檢查計算出的路由器實例與物理資源的映射關系是否滿足規則的條件：一旦滿足某條規則的條件時，在該約束條件下重新計算路由器實例與物理資源的映射關系直至滿足規則庫中所有規則。然后，實例部署策略生成模塊進一步將路由器實例與物理資源的映射關系轉化為物理資源板可執行的策略模板，并把策略模板存儲在實例策略庫中。最后，策略分發模塊將策略模板分發到指定的物理資源板，并把物理資源板執行的結果通過用戶管理界面反饋給管理員。管理員通過反饋結果確認路由器實例是否創建成功。

3.2 路由器實例動態調整

與路由器實例靜態創建流程不同，路由器實例動態調整與管理員的配置規則密切相關。在原型系統中，資源管理平面支持兩種條件下的路由器實例動態調整：一、路由器實例撤銷時，資源管理平面是否允許對路由器實例動態調整，將剩余路由器實例部署在數量較少的幾塊物理資源板，盡可能降低功耗；二、物理資源板掉線，資源管理平面是否允許對路由器實例動態調整，目的在于重新映射受該單點故障影響的路由器實例，保證路由器實例不受物理資源板故障的影響。

3.2.1 路由器實例撤銷

當某路由器實例撤銷時，資源管理平面檢查規則庫中規則是否允許動態調整路由器實例。若允許動態調整時，路由器實例映射算法重新計算剩余路由器實例與物理資源的映射關系。經過重新計算后，若占用的物理資源板的數量與現有占用情況一致，則路由器實例不作任何調整；否則，對路由器實例進行動態調整。在計算出所有的路由器實例與物理資源的映射關系基礎上，通過實例部署策略生成模塊計算出各個路由器實例的策略模板，并分發至對應的物理資源板。同時，它會將清除實例策略庫存儲的舊的策略模板，并把新的路由器實例的策略模板存儲在實例策略庫中。

3.2.2 物理資源板掉線

資源管理平面探測到某個物理資源板掉線時，同樣檢查規則庫中規則是否允許動態調整路由器實例。若允許動態調整，路由器實例映射算法僅調整受物理資源板掉線所影響的路由器實例和物理資源之間的映射關系。其他流程與路由器實例撤銷時動態調整路由器實例的流程是一致的。

4 實驗測試與結果分析

4.1 實驗環境

轉發資源池和控制資源池都采用IBM nx360服務器：Intel Xeon CPU E5-2620、64 GB內存、2個萬兆網卡和2個千兆網卡以及Linux CentOS6.5系統，各自具有4塊資源板；資源管理平面采用IBM x3650服務器：Intel Xeon CPU E5-2680、64 GB內存、1個千兆網卡以及Linux CentOS6.5系統。另外，轉發資源池與控制資源池、服務器與轉發資源池以及控制資源池間連接采用GALAXYWIND系列交換機，具有24個千兆網卡。

基于面向虛擬路由器的資源管理平面的原型系統，測試并分析資源管理平面的3個性能指標：最大處理能力、實例部署時間以及策略模板規模。

4.2 最大處理能力

最大處理能力指資源管理平面在單位時間內可以完成的請求最大數量。這些請求包括物理資源的探測保活、配置物理資源的請求以及部署路由器實例等。為了驗證資源管理平面能夠滿足虛擬路由器管理的性能需求，測量資源管理平面處理這些請求的時間開銷，如表1所示。

表1 不同請求的時間開銷

通過分析表1實驗結果可知，各類請求的時間開銷約為0.3 ms：資源管理平面探測物理資源板在線狀態需要0.301 ms；管理員使能物理接口或關閉物理接口時需要0.308 ms；在規則庫為空和平臺具有8塊物理資源板時，管理員配置完路由器實例到策略模板分發至物理資源板需要0.312 ms；管理員指定刪除某個路由器實例到刪除命令到達指定的物理資源板需要0.311 ms；因此，資源管理平面最大的處理能力約為每秒處理3 205條請求，能夠滿足當前虛擬路由器管理與維護的需求。

4.3 實例部署時間

實例部署時間指資源管理平面部署路由器實例花費的時間，表示管理員從配置完路由器實例的性能指標到接收到路由器實例創建應答間的時間開銷。路由器實例的部署包括兩大任務：創建邏輯轉發引擎和創建邏輯控制引擎。因此，除了測量實例部署時間外，還分別測量創建邏輯轉發引擎、創建邏輯控制引擎以及配置路由器實例接口的時間開銷，如表2所示。

表2 路由器實例部署的時間開銷

通過分析表2實驗結果可知：創建單個路由器實例的時間開銷約為4.857 s，與創建邏輯控制引擎的時間開銷是一致的。由于資源管理平面支持并行向轉發資源板和控制資源板下發策略模板，使得路由器實例創建的時間開銷是兩大任務中最大時間開銷決定的。因此，在對路由器實例動態調整過程中，應盡可能地保持邏輯控制引擎的部署位置不做改變，避免調整路由器實例導致該實例中斷任務時間過長。動態調整轉發引擎會引起路由器實例中斷轉發任務，中斷時間約為2.288 s；而動態調整路由器實例的接口的時間開銷小于1 ms，對路由器實例的影響最小。

4.4 策略模板規模

策略模板規模指資源管理平面部署單個路由器實例所需要的總策略條數。為了證實路由器實例的接口數量和路由器實例部署的轉發資源板數量對策略模板規模的影響，分別測量不同條件下策略的總條數，如圖6所示(圖6(a)表示路由器實例部署在單個轉發資源板時，路由器實例的接口數量對策略模板規模的影響；圖6(b)表示路由器實例具有兩個接口時，路由器實例部署的轉發資源板數量對策略模板的影響)。

通過分析圖6數據可知，策略模板規模與路由器實例的接口數量、路由器實例部署的轉發資源板數量呈線性相關：隨著路由器實例的接口數量的增加，策略模板規模呈線性增加；隨著路由器實例部署的轉發資源板數量增加，策略模板規模呈線性增加。路由器實例部署的轉發資源板數量對策略模板規模的影響大于路由器實例的接口數量對策略模板規模的影響。因為路由器實例部署轉發資源板的數量每增加一個，策略總條數增加26條，并增加1個策略模板；而路由器實例的接口數量每增加一個，策略總條數僅增加19條，且策略模板數量不變。因此，資源管理平面計算路由器實例與物理資源映射關系時，應盡可能將路由器實例部署在單個轉發資源板上。

圖6 不同條件下策略模板規模

5 結語

目前，虛擬路由器的研究集中在如何構建相互獨立且并行運行的路由器實例。鑒于當前虛擬路由器的研究現狀，結合項目實施的具體需求，本文提出了三層的虛擬路由器架構：資源管理平面、轉發平面以及控制平面，著重對資源管理平面和實現機制進行闡述。最后，通過基于面向虛擬路由器的資源管理平面原型系統，證明資源管理平面能夠滿足虛擬路由器管理與維護的性能需求。

下一步的工作是改進和完善資源管理平面的用戶管理界面，采用可視化的方式來替代現有的CLI解決方案，提供一種更加便捷的管理與維護平臺的展現方式；同時，利用多核、多線程技術進一步提升資源管理平面的性能，特別是在滿足物理資源規模較大的情景下。

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This work is supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China (2011AA01A103).

GAO Xianming, born in 1988, Ph.D.candidate.His research interests include network virtualization, router virtualization.

WANG Baosheng, born in 1971, Ph.D., professor.His research interests include network and communication security, new network architecture.

LI Tongbiao, born in 1989, M.S.candidate.His research interests include virtual router, dynamical migration strategy.

XUE Huawei, born in 1991, M.S.candidate.His research interests include software defined networking, network fault detection.

Design and implementation of resource management plane in virtual router platform

GAO Xianming*, WANG Baosheng, LI Tongbiao, XUE Huawei

(CollegeofComputer,NationalUniversityofDefenseTechnology,ChangshaHunan410073,China)

Through researching and analyzing the management and maintenance problems in virtual router platform, a three-layer virtual router architecture including control plane, forwarding plane and resource management plane was put forward.Control plane and forwarding plane were two basic function planes in virtual router, correspondingly carrying logical control plane and logical forwarding plane.In order to achieve dynamic management of virtual router, resource management plane was introduced.Resource management plane was regarded as one important function plane, which was used to manage and configure virtual router.The structure and mechanism of resource management plane were mainly expressed, and a prototype system to support static installment and dynamic adjustment of router instances was carried out.The experimental results prove that the maximum processing ability of resource management plane is about 3 205 strategies/second, and it can complete establishment of router instance within one second, which can meet management requirements of virtual router platforms.

network virtualization technology; virtual router; router instance; resource management plane; logical forwarding engine; logical control engine

2016-07-25;

2016-08-10。 基金項目:國家973計劃項目(2011AA01A103)。

高先明(1988—)，男，山東濟南人，博士研究生，主要研究方向：網絡虛擬化、路由器虛擬化； 王寶生(1971—)，男，湖南長沙人，研究員，博士生導師，博士，主要研究方向：網絡通信與安全、新型網絡體系架構； 李同標(1989—)，男，江西鷹潭人，碩士研究生，主要研究方向：虛擬路由器、動態遷移策略； 薛華威(1991—)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要研究方向：軟件定義網絡、網絡故障檢測。

1001-9081(2017)01-0001-05

10.11772/j.issn.1001-9081.2017.01.0001

TP393.07

A