基于虛擬化技術(shù)的信關(guān)站基帶資源池設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王力權(quán)，翟 華，張志麗，王艷君，解立坤

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)

0 引言

衛(wèi)星移動通信，相對于地面移動通信系統(tǒng)，具有覆蓋范圍廣、通信費(fèi)用與距離無關(guān)以及不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對海洋、山區(qū)和高原等地區(qū)近乎無縫的覆蓋[1-3]，不僅能夠傳輸電話、電報(bào)，而且能夠傳輸高質(zhì)量的電視以及高速數(shù)據(jù)等。衛(wèi)星信關(guān)站是連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的樞紐，從網(wǎng)絡(luò)互通角度，其包含基帶處理單元和交換互聯(lián)單元,主要完成傳輸算法、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)交換及互聯(lián)互通等功能[4]。基帶處理單元是信關(guān)站中重要組成部分，實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送接收、編解碼和協(xié)議處理等功能。

隨著用戶數(shù)量和應(yīng)用數(shù)據(jù)規(guī)模等需求增長，衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)需要存在多種體制和規(guī)模，不同制式的網(wǎng)絡(luò)相互重疊覆蓋，這就導(dǎo)致衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)整體需要維持的基帶資源總量和能耗巨大[5]。由于業(yè)務(wù)流量在地域上分布不均勻，導(dǎo)致了基礎(chǔ)設(shè)施在數(shù)量或者時(shí)間上的冗余，造成信關(guān)站處理資源的閑置和浪費(fèi)，增大運(yùn)營和維護(hù)成本。基帶資源池的建立，可將信關(guān)站基帶處理中對實(shí)時(shí)性要求不高的部分，如分幀復(fù)接、MAC處理、RLC處理及PDCP處理等部署在通用服務(wù)器上，構(gòu)建統(tǒng)一的資源池，進(jìn)行聯(lián)合協(xié)作分配和資源管理；同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，提高了不同制式信關(guān)站的兼容性和可擴(kuò)展性[6-7]。虛擬化技術(shù)是一種使基帶處理單元能夠靈活低成本支持多模或多制式的技術(shù)，基帶處理單元占用的硬件資源通過虛擬化技術(shù)在物理資源池中進(jìn)行高效的調(diào)度分配，對基帶處理單元軟件本身屏蔽其底層硬件資源的管理細(xì)節(jié)[8]。云計(jì)算是一種通過網(wǎng)絡(luò)對共享資源池(如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲)提供便捷、按需訪問的計(jì)算模型，可實(shí)現(xiàn)與資源提供者快速交互，并通過較小工作量實(shí)現(xiàn)資源的快速釋放和提供[9]。

本文通過虛擬化技術(shù)，將信關(guān)站基帶處理單元虛擬化，進(jìn)行資源整合，構(gòu)建資源池。基于云計(jì)算平臺，實(shí)現(xiàn)對虛擬基帶資源池的管控，支持根據(jù)硬件負(fù)載情況的動態(tài)遷移功能。

1 虛擬基帶資源池構(gòu)建

基于內(nèi)核的虛擬機(jī)(Kernel-based Virtual Machine,KVM)是一款Linux的開源虛擬化軟件。在KVM中，虛擬機(jī)被視為常規(guī)的Linux進(jìn)程，由標(biāo)準(zhǔn)Linux調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度，虛擬機(jī)的每個(gè)虛擬CPU(vCPU)被視為一個(gè)常規(guī)的Linux進(jìn)程。本質(zhì)上，KVM是管理虛擬硬件設(shè)備的驅(qū)動，該驅(qū)動作為管理接口，負(fù)責(zé)虛擬處理器的創(chuàng)建、虛擬內(nèi)存的分配、寄存器的讀寫以及虛擬處理器的運(yùn)行[10-11]。

基于KVM的虛擬化技術(shù)的信關(guān)站總體架構(gòu)如圖1所示。部分基帶處理以及協(xié)議與交換處理可通過KVM在基于X86架構(gòu)的通用服務(wù)器集群上創(chuàng)建虛擬機(jī)，屏蔽物理設(shè)備的差異性，從而構(gòu)建虛擬基帶資源池。這不僅提高了物理設(shè)備資源的使用效率，還降低了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中信關(guān)站的能源開銷，減少其建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用。

圖1 虛擬化信關(guān)站總體架構(gòu)Fig.1 Virtual gateway architecture

本文介紹基于KVM技術(shù)的信關(guān)站虛擬化平臺架構(gòu)和部署方式，并構(gòu)建了測試平臺，通過對虛擬化平臺的負(fù)載性能測試和動態(tài)遷移性能測試驗(yàn)證了該虛擬化平臺的資源和運(yùn)行管控能力。

2 虛擬管控平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬管控平臺總架構(gòu)

圖2為信關(guān)站基帶處理單元虛擬管控平臺的架構(gòu)圖，圖中管控平臺是在基帶處理通用服務(wù)器集群上構(gòu)建虛擬層，并通過動態(tài)遷移實(shí)現(xiàn)資源管控。虛擬層上可運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，一個(gè)虛擬機(jī)可處理一個(gè)BBU單元，也可處理L2/L3單元，虛擬機(jī)按照不同的粒度進(jìn)行功能劃分，有利于提高基帶處理資源的利用率，從而提升虛擬化信關(guān)站的總體效能。

圖2 信關(guān)站虛擬化架構(gòu)圖 Fig.2 Virtualization architecture diagram of gateway station

本文設(shè)計(jì)的虛擬化基帶資源池通過OpenStack構(gòu)建虛擬資源管控平臺。OpenStack采用分布式架構(gòu)，是一個(gè)開源的，旨在實(shí)現(xiàn)開放簡單、具有大規(guī)模可擴(kuò)展性及豐富特征集的云計(jì)算平臺[12-13]，虛擬管控平臺按照功能的不同分為多個(gè)模塊項(xiàng)目，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行項(xiàng)目組合，不同項(xiàng)目功能劃分明確且耦合性低，OpenStack包含以下基本組件：

計(jì)算服務(wù)(Nova)在OpenStack中負(fù)責(zé)向用戶按需提供不同規(guī)格的虛擬機(jī)。Nova的核心功能是將大量部署了KVM的物理服務(wù)器統(tǒng)一納入管理，組成一個(gè)具有完整資源視圖的邏輯資源池。在此基礎(chǔ)上，Nova通過接收不同用戶發(fā)起的請求，對資源池中的資源進(jìn)行生命周期管理操作。

鏡像服務(wù)(Glance)負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中提供的各類鏡像的元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并提供鏡像的創(chuàng)建、刪除、查詢、上傳及下載等能力。

身份認(rèn)證服務(wù)(Keystone)負(fù)責(zé)對用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，并向被認(rèn)定為合法的用戶發(fā)放令牌。用戶持Keystone發(fā)放的令牌訪問 OpenStack的其他項(xiàng)目，以使用其提供的服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)管理(Neutron)為用戶提供不同層次的多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，包括L2組網(wǎng)、L3組網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)DHCP管理、Internet浮動IP管理、內(nèi)外網(wǎng)防火墻、負(fù)載均衡及VPN等。

用戶界面(Horizon)提供基于Web自助服務(wù)入口連接底層的云計(jì)算服務(wù)，管理員可以管理云端服務(wù)當(dāng)前的部署與狀態(tài)[14-15]。

2.2 虛擬管控平臺部署

合理的部署架構(gòu)是基帶虛擬資源池穩(wěn)定高效的基礎(chǔ)，針對信關(guān)站基帶處理單元多服務(wù)器環(huán)境，本文采用多節(jié)點(diǎn)的OpenStack部署架構(gòu)。虛擬管控平臺包含一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共3臺服務(wù)器。通過控制節(jié)點(diǎn)的Web界面對虛擬基帶資源池進(jìn)行管控。OpenStack的安裝部署流程如圖3所示。步驟1為基本準(zhǔn)備階段，需要網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議、數(shù)據(jù)庫等配置，以保證后續(xù)的服務(wù)模塊正常運(yùn)作。步驟2～5分別為添加身份認(rèn)證、鏡像服務(wù)，計(jì)算服務(wù)和用戶界面，計(jì)算節(jié)點(diǎn)只需安裝計(jì)算服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部分模塊[16]。

圖3 OpenStack部署流程 Fig.3 Deployment process of OpenStack

2.3 動態(tài)遷移方案

信關(guān)站虛擬資源池目的在于資源池內(nèi)的資源共享，能夠進(jìn)行靈活調(diào)度，為此需要研究虛擬管控平臺中的動態(tài)遷移方案。動態(tài)遷移是為了確保正常運(yùn)行通過將虛擬機(jī)從一個(gè)物理機(jī)移動到另一個(gè)物理機(jī)時(shí)不會對虛擬機(jī)用戶造成太大的影響[17]，即保證資源靈活調(diào)度過程中，信關(guān)站服務(wù)的用戶能夠保持接續(xù)。本文將動態(tài)遷移所需要的源平臺和目的平臺的共用磁盤文件放置在一個(gè)共享存儲節(jié)點(diǎn)(控制節(jié)點(diǎn))，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中訪問，減少調(diào)用過程中頻繁傳輸對遷移性能造成的影響。本平臺采用基于的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)的NFS(Network File System)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，支持通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨物理機(jī)分享文件。動態(tài)遷移的實(shí)現(xiàn)主要涉及OpenStack的計(jì)算服務(wù)Nova。在遷移之前需要做好如下配置：① 指定vncserver_listen=0.0.0.0,以保證動態(tài)遷移正常工作；② 節(jié)點(diǎn)之間能夠互相執(zhí)行名稱解析；③ 確保Nova和libvirt用戶的UID和GID在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相同；④ 確保可以免密碼通過SSH實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的互通[18]。

3 虛擬化平臺及管控平臺動態(tài)遷移性能測試

3.1 虛擬化平臺的負(fù)載性能測試

本節(jié)構(gòu)建了信關(guān)站虛擬化基帶資源池的測試環(huán)境，組建了虛擬化管控平臺，分別測試同時(shí)運(yùn)行1臺、2臺和4臺虛擬機(jī)時(shí)，平臺處理器、內(nèi)存和磁盤I/O的性能。虛擬化平臺的配置如下：

① 控制節(jié)點(diǎn)：處理器為Intel Core i5-6500，內(nèi)存12 G，雙網(wǎng)卡，ubuntu16.04操作系統(tǒng)；

② 計(jì)算節(jié)點(diǎn)：處理器為Intel Core i7-4770，內(nèi)存8 G，雙網(wǎng)卡，ubuntu16.04操作系統(tǒng)；

③ 虛擬客戶機(jī)：vCPU均為1核，內(nèi)存均為1 G，磁盤大小均為20 G，操作系統(tǒng)均為Ubuntu14.04。

本次測試將選取如下性能指標(biāo)做分析：

① 處理器性能損耗：其中real time表示編譯從開始到結(jié)束的總時(shí)間，包括期間其他進(jìn)程所占用的時(shí)間和進(jìn)程被阻塞的時(shí)間；user time表示被測試程序在用戶模式下所占用的CPU時(shí)間，即進(jìn)程執(zhí)行的真正CPU時(shí)間；sys time表示進(jìn)程在內(nèi)核調(diào)用中所占用的CPU時(shí)間。

② 內(nèi)存性能：內(nèi)存的通信帶寬表示內(nèi)存的讀取速度，訪問操作時(shí)延表示存儲數(shù)據(jù)的訪問完成時(shí)產(chǎn)生的延遲，帶寬值越大、延遲越低、內(nèi)存性能就越好。

③ 磁盤IOPS和負(fù)載性能：IOPS指每秒的輸入輸出量或讀寫次數(shù)，是衡量磁盤性能的主要指標(biāo)之一；負(fù)載性能是指在某項(xiàng)服務(wù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)資源的使用情況，能反映出虛擬化平臺在運(yùn)行測試過程中不同負(fù)載情況下的承受能力。

3.1.1 處理器性能損耗測試

虛擬化平臺中分別同時(shí)運(yùn)行1臺、2臺、4臺虛擬客戶機(jī)，每個(gè)客戶機(jī)同時(shí)運(yùn)行內(nèi)核編譯使CPU處于密集狀態(tài)，觀測虛擬化平臺中內(nèi)存的使用率由36.9%增長到76.6%，CPU的使用率由1.8%增加到24.7%，客戶機(jī)的編譯時(shí)間也逐漸增加。表1為虛擬化平臺同時(shí)運(yùn)行4臺客戶機(jī)編譯所需時(shí)間。

表1 負(fù)載4臺虛擬機(jī)的內(nèi)核編譯時(shí)間Tab.1 Kernel compilation time for 4 virtual machines

由于不同負(fù)載下每臺客戶機(jī)的編譯所需時(shí)間相近，選取VM1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖4所示。每臺虛擬機(jī)均處于CPU密集狀態(tài)，隨著負(fù)載數(shù)量增加，客戶機(jī)編譯內(nèi)核的時(shí)間有所增加。對于虛擬機(jī)，同時(shí)運(yùn)行4臺虛擬機(jī)比運(yùn)行1臺虛擬機(jī)時(shí)處理器的性能有所下降，對于虛擬化平臺，負(fù)載能力和內(nèi)存及CPU利用率有所提高。

圖4 不同負(fù)載下的VM1編譯時(shí)間Fig.4 VM1 compile time under different loads

3.1.2 內(nèi)存性能測試

選取內(nèi)存測試工具LMbench，基于不同負(fù)載情況的虛擬化平臺做測試，統(tǒng)計(jì)本地通信帶寬、內(nèi)存隨機(jī)訪問操作時(shí)延的數(shù)據(jù)。測試過程中，CPU空閑率從平臺負(fù)載最小時(shí)的約81.6%到平臺負(fù)載最大時(shí)的37.2%，有較大差距，說明在進(jìn)行測試的過程中，負(fù)載的增加對平臺的處理器性能產(chǎn)生較大影響。針對不同的負(fù)載平臺，對本地通信帶寬和操作時(shí)延兩項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同負(fù)載下的本地通信帶寬Fig.5 Local communication bandwidth under different loads

圖6 不同負(fù)載下的內(nèi)存隨機(jī)訪問操作時(shí)延Fig.6 Memory random access operation delay under different loads

以VM1為例，隨著負(fù)載的增加，本地通信帶寬呈現(xiàn)下降的趨勢，而操作時(shí)延呈上升趨勢。在高負(fù)載平臺下，多個(gè)虛擬機(jī)同時(shí)進(jìn)行頁面的數(shù)據(jù)更新，相比于低負(fù)載平臺情況產(chǎn)生了更多開銷，出現(xiàn)較大時(shí)延，平臺性能也會下降。

3.1.3 磁盤IO負(fù)載性能測試

在不同負(fù)載情況的虛擬化平臺中，分別以大小為4 kbit,8 kbit,16 kbit,100 kbit,1 Mbit的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫操作，并對IOPS和CPU空閑率這兩項(xiàng)的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)。由于不同負(fù)載下的每臺客戶機(jī)的IOPS相近，故對于VM1基于不同負(fù)載環(huán)境下的IOPS值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。

圖7 不同負(fù)載下磁盤性能指標(biāo)Fig.7 Disk performance index under different loads

隨著虛擬化平臺中負(fù)載的增加，CPU空閑率逐漸降低，說明當(dāng)負(fù)載越高，虛擬化平臺的處理器能力越處于高負(fù)荷狀態(tài)。在相同負(fù)載情況下，單次I/O塊文件越大，存儲每秒主機(jī)訪問次數(shù)就越少，IOPS越小；當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，出現(xiàn)不同虛擬機(jī)同時(shí)訪問磁盤I/O的情況，從而導(dǎo)致通信阻塞，每個(gè)虛擬機(jī)的存儲主機(jī)訪問次數(shù)降低，IOPS值有不同程度的減小。說明虛擬化平臺中，磁盤性能在一定程度上影響了數(shù)據(jù)讀寫。

3.2 動態(tài)遷移性能測試

本文選取OpenStack作為虛擬基帶資源池的管控平臺，基于NFS共享存儲的動態(tài)遷移，分別針對不同配置的客戶機(jī)進(jìn)行動態(tài)遷移，分析該管控平臺中動態(tài)遷移性能。為減少誤差，如表2所示虛擬機(jī)的配置，分別選取內(nèi)存1 024 Mbit，2 048 Mbit及磁盤容量10 Gbit和20 Gbit的4種類型虛擬機(jī)作為測試樣本，操作系統(tǒng)均為Centos7。針對虛擬機(jī)空閑狀態(tài)和有負(fù)載(CPU使用率95%，內(nèi)存使用率75%)的情況下，動態(tài)遷移性能測試。表3和表4是不同情況下的虛擬機(jī)動態(tài)遷移過程中對遷移總時(shí)間、宕機(jī)時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計(jì)。

表2 虛擬機(jī)配置Tab.2 Configuration of virtual machine

表3 空閑態(tài)下的動態(tài)遷移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of dynamic migration data in idle state

表4 負(fù)載情況下的動態(tài)遷移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of dynamic migration data under load

由圖8和圖9可知，虛擬機(jī)的內(nèi)存大小和磁盤容量對遷移總時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)量均有一定的影響，而對于宕機(jī)時(shí)間影響不大。有負(fù)載的情況會導(dǎo)致相同配置的虛擬機(jī)在總遷移時(shí)間、宕機(jī)時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)量上存在較大差異。

圖8 動態(tài)遷移總時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)量Fig.8 Total time of dynamic migration and the amount of data transferred

圖9 動態(tài)遷移宕機(jī)時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)量Fig.9 Dynamic migration downtime and the amount of data transferred

4 結(jié)束語

基于KVM虛擬化技術(shù)，對信關(guān)站基帶處理單元虛擬化進(jìn)而構(gòu)建虛擬基帶資源池，可屏蔽物理設(shè)備之間的差異性，提高物理設(shè)備的使用效率。本文針對虛擬基帶資源池的管控，提出基于OpenStack云計(jì)算平臺的管控架構(gòu)設(shè)計(jì)，可為信關(guān)站基帶處理單元的實(shí)時(shí)管理和動態(tài)調(diào)度提供平臺支撐。通過對虛擬平臺性能測試和管控平臺中動態(tài)遷移測試，驗(yàn)證了該方案具有一定的有效性與穩(wěn)定性，從而可以有效降低設(shè)備的能耗和成本費(fèi)用，增強(qiáng)對基帶處理單元資源的靈活管控，本文的工作可為我國衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信關(guān)站的建設(shè)提供技術(shù)和方案上的支持。