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一種基于多立方體映射的網絡功能虛擬化資源分配方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510376844.0

申請日:

2015.07.01

公開號:

CN105049499A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04L 29/08申請日:20150701|||公開
IPC分類號: H04L29/08; G06F9/455 主分類號: H04L29/08
申請人: 南京郵電大學
發明人: 朱洪波; 王濤; 朱曉榮
地址: 210003江蘇省南京市新模范馬路66號
優先權:
專利代理機構: 江蘇愛信律師事務所32241 代理人: 唐小紅
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510376844.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.08.24|||2015.12.09|||2015.11.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種基于多立方體映射的網絡功能虛擬化資源分配方法,以多立方體模型對資源進行抽象,以數學向量理論為主要研究工具,以虛擬機映射為主線,考慮服務器能耗,以最少服務器使用量為研究目標,旨在提高網絡功能虛擬化中資源利用率。該發明將資源量用CPU、Memory、IO三個維度的向量表征,采用多立方體資源模型,根據虛擬機資源請求向量和服務器剩余資源向量,首先采用最佳適配方法選擇目標服務器集,進而以最小資源利用不均衡度為準則選擇最佳服務器,最后對虛擬機進行遷移,關閉低負載服務器,以降低能耗。

權利要求書

1.一種基于多立方體映射的網絡功能虛擬化資源分配方法,其特征在于,
以多立方體模型對網絡功能虛擬化資源進行抽象,把虛擬機資源請求映射到數據
中心服務器,完成網絡功能虛擬化中的資源分配,包括以下幾個步驟:
1).多立方體資源模型的建立:用于對資源向量依模值進行歸類;
2).六邊形投影:用于對資源向量依維度間不均衡度進行歸類;
3).向量映射:資源向量到多立方體模型的映射;
4).向量投影:資源向量到六邊形的投影;
5).確定目標服務器集;
6).確定最佳服務器;
7).虛擬機遷移;
所述多立方體資源模型的建立,即對服務器資源進行抽象,考慮三個資源維
度,對其進行歸一化并二等分得到一個八立方體模型,該模型對三個維度的資源
按大小進行了劃分;
所述六邊形投影,即對資源不均衡度進行抽象,六邊形中相同編號的三角形
滿足相同的資源不均衡度約束條件;八個小立方體分別映射為平面六邊形中的一
部分,建立了多立方體資源模型與平面六邊形的聯系,描述映射到各個小立方體
中向量的資源不均衡度;
所述向量映射,即將資源剩余向量和資源請求向量映射到多立方體資源模型
中的某一個小立方體中,其中映射到相同小立方體的向量滿足相同的資源模值大
小約束條件;
所述向量投影,即將資源剩余向量和資源請求向量分別投影到平面六邊形中。
其中投影到相同三角形內的向量滿足相同的資源不均衡度約束條件。將資源請求
向量映射到同一個三角內的資源剩余向量,能夠有效地提高服務器資源利用率,
降低資源利用不均衡度;
所述確定目標服務器集,即根據向量映射與向量投影,采用最佳適配方法,
確定適合資源請求向量映射的目標服務器集;
所述確定最佳服務器,即從目標服務器集之中,依據最小資源利用不均衡度
準則選擇適合當前虛擬機映射的最佳服務器;
所述虛擬機遷移,即根據服務器負載等級,對低負載等級服務器上的虛擬機
逐個進行遷移,關閉低負載等級服務器以達到降低服務器能耗與節能減排的目的,
虛擬機遷移的過程也即是重新映射的過程。

說明書

一種基于多立方體映射的網絡功能虛擬化資源分配方法

技術領域

本發明涉及一種基于多立方體映射的網絡功能虛擬化資源分配方法,用于實
現網絡功能虛擬化中資源的合理分配,屬于虛擬化技術領域。

背景技術

網絡功能虛擬化(NFV,NetworkFunctionVirtualization),是為了解決現有
網絡設備建設周期長、業務上線時間長和缺乏靈活性的不足而產生的,采用標準
的IT虛擬化技術,將傳統網絡設備的軟件功能與硬件解耦。硬件不再采用傳統
專有設備,而是統一到工業化標準的高性能、大容量的服務器、交換機和存儲平
臺上;軟件功能以虛擬機的形式存在于數據中心的服務器之上,共享計算資源、
網絡資源、存儲資源。NFV的核心思想是將傳統網絡設備的軟件功能與硬件解
耦和,以達到降低成本,提升管理、維護效率,增強系統靈活性的目的。

由全球領先的7家電信網絡運營商發起成立的ETSI網絡功能虛擬化行業規
范工作組從2012年起陸續公布了NFV的相關白皮書與技術文檔,其中對NFV
體系架構做了詳細的描述。NFV體系架構由3個核心工作域組成:

虛擬網絡功能(VNFs)域:由運行在NFVI之上,實現指定網絡功能的軟
件組成。

NFV基礎設施(NFVI)域:由硬件資源以及相應虛擬化后的資源組成,為
VNFs提供所需的計算、存儲、網絡資源。

NFV管理和業務編排(NFVManagementandOrchestration)域:由NFVO
(NetworkfunctionVirtualOrchestrator)、VNFM(VirtualNetworkFunction
Management)和VIM(VirtualInfrastructureManagement)組成。其中NFVO實
現統一的資源管理與調度,VNFM實現對虛擬網元的生命周期管理,包括虛擬
網元的生成、變更、刪除等,VIM實現對虛擬化資源、硬件資源的統一管理。

網絡運營商通過維護統一的數據中心平臺,將用戶提出的虛擬機請求映射到
服務器中,向用戶提供虛擬網絡功能。網絡功能的添加與升級體現為新虛擬機的
導入與虛擬機中軟件版本的升級。在將用戶端的虛擬機請求映射到數據中心服務
器的過程中,如何在滿足虛擬機資源請求以保證業務Qos的同時,提高服務器
資源利用率,并且從能耗的角度實現節能減排,是網絡運營商必須要考慮的問題。

發明內容

技術問題:本發明設計出一種網絡功能虛擬化中的資源分配方法。該方法
以向量表征資源量,以多立方體模型對資源進行抽象,提出了基于多立方體資源
模型的虛擬機映射算法,應用于網絡功能虛擬化中的資源分配。

技術方案:本發明以數據中心作為網絡功能虛擬化的實現方式,以數學向量
理論為主要研究工具,以向量表征資源量,以虛擬機映射為主線,基于多立方體
資源模型,采用啟發式算法,旨在提高網絡功能虛擬化中資源利用率的同時降低
服務器能耗。

本發明以最少服務器使用量為目標,優化模型如圖1。優化過程包括以下幾
個流程:

1:多立方體資源模型的建立:用于對資源向量按模值進行歸類;

2:六邊形投影:用于對資源向量按不均衡度進行歸類;

3:向量映射:向量到多立方體模型的映射;

4:向量投影:向量到六邊形的投影;

5:確定目標服務器集;

6:確定最佳服務器;

7:虛擬機遷移;

所述多立方體資源模型的建立為:以多立方體模型對資源進行抽象。考慮
CPU、Memory、IO三個資源維度,分別對其進行歸一化并二等分得到一個八立
方體模型,如圖2所示。以剩余資源向量RCV(RemainingCapacityVector)表征
服務器在三個維度上的剩余資源量;以資源使用向量RUV(ResourceUtilization
Vector)表征服務器在三個維度上的資源使用量;以資源請求向量RRV(Resource
RequirementVector)表征新虛擬機在三個維度上的請求資源量,服務器中新虛擬
機的導入可視為RUV與RRV的矢量疊加;以資源不均衡度向量RIV(Resource
ImbalanceVector)表征服務器在三個資源維度上的使用量不均衡度。該模型對三
個維度的資源按大小進行了劃分,定義了資源模型大小約束條件。

所述六邊形投影為:以六邊形對資源不均衡度進行抽象。對于資源使用向量
RUV=(a,b,c),其不均衡度可表示如下:

R I V = ( a - a + b + c 3 , b - a + b + c 3 , c - a + b + c 3 ) . ]]>

將多立方體資源模型向垂直主對角線的平面投影,得到一個平面六邊形,并對六
邊形內部三角形分別進行編號,具有相同編號的三角形滿足相同的約束條件,如
圖3所示。為了建立多立方體資源模型與平面六邊形的聯系,描述映射到各個小
立方體中向量的資源不均衡度,將八個小立方體分別投影到同一個平面上,如圖
4所示。

所述向量映射為:將RCV和RRV映射到多立方體資源模型中的某一個小立
方體中,其中映射到相同小立方體的RCV與RRV滿足相同的資源模值大小約束
條件。

所述向量投影為:將RCV和RRV分別投影到平面六邊形中。其中投影到相
同三角形內的RCV與RRV滿足相同的資源不均衡度約束條件。

所述確定目標服務器集為:根據RCV與RRV的向量映射與向量投影,采用
最佳適配方法,確定適合RRV映射的目標服務器集。為了提高服務器資源利用
率,降低三個維度的資源利用不均衡度,將首先適配虛擬機資源請求向量并且負
載較高的服務器加入到目標服務器集。算法流程如圖5所示。

所述確定最佳服務器為:從目標服務器集之中,依據最小資源利用不均衡度
準則選擇適合當前虛擬機映射的最佳服務器。算法流程如圖6所示。

所述虛擬機遷移為:根據服務器負載等級,對低負載等級服務器上的虛擬機
逐個進行遷移。本發明根據服務器在三個資源維度上的負載量對其進行負載等級
劃分。若以向量R=(a,b,c)表征服務器資源使用向量,則其負載等級定義如下:

L e v e l = L 0 < a < α 1 0 < b < α 1 0 < c < α 1 M α 1 < a < α 2 α 1 < b < α 2 α 1 < c < α 2 H e l s e ]]>

其中,取α1=0.3α2=0.7。服務器負載等級越高,意味著當前服務器某
一個或某幾個維度的資源利用率越高。服務器負載等級的定義同時考慮三個維度
的資源負載,圖7從二個維度對服務器負載等級進行了說明。

有益效果:本發明基于數據中心的視角,利用數學向量基本原理與方法,
建立了多立方體資源模型,考慮服務器能耗,提出了基于多立方體資源模型的虛
擬機映射算法,實現了最少化服務器使用量的目標,完成了網絡功能虛擬化中的
資源分配,在提高服務器資源利用率的同時降低了服務器能耗。

附圖說明:

圖1是系統優化模型圖。

圖2是多立方體資源模型圖。

圖3是六邊形投影圖。

圖4是多立方體資源模型的投影圖。

圖5是目標服務器集的確定流程圖。

圖6是最佳服務器的確定流程圖。

圖7是服務器負載等級定義圖。

具體實施方式:

本發明以數據中心作為網絡功能虛擬化的實現方式,以數學向量理論為主要
研究工具,以向量模型表征資源量,以虛擬機映射為主線,以最少服務器使用量
為研究目標,建立多立方體資源模型,采用啟發式算法,旨在提高網絡功能虛擬
化中資源利用率的同時降低服務器能耗。

資源的向量化:本發明以向量表征資源量,對資源量進行歸一化處理,以
R=(n1,n2,…nN)表征一個N維度的資源量,其中ni,i=1,2,…N表示該資
源量在第i維度上的分量。以剩余資源向量RCV表征服務器在三個維度上的剩
余資源量;以資源使用向量RUV表征服務器在三個維度上的資源使用量;以資
源請求向量RRV表征新虛擬機在三個維度上的請求資源量,服務器中新虛擬機
的導入可視為RUV與RRV的矢量疊加;以資源不均衡度向量RIV表征服務器
在三個資源維度上的使用量不均衡度。

系統優化模型:本發明考慮CPU、Memory、IO三個資源維度,以最小化服
務器使用量為研究目標,優化模型如圖1所示。其中Vmi表示該服務器上的虛擬
機,|Vmx|表示虛擬機數量,|Pmx|表示服務器數量,分別表示單
個服務器的CPU總量,Memory總量和IO總量,分別表示虛
擬機請求的CPU量,Memory量和IO量。

多立方體資源模型的建立:本發明采用多立方體資源模型,如圖2所示。
其中以x軸表征CPU資源,y軸表征Memory資源,z軸表征IO資源。八個小
立方體分別記為C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,其中:

C1:{x<0.5,y<0.5,z<0.5},C2:{x>0.5,y<0.5,z<0.5},

C3:{x<0.5,y>0.5,z<0.5},C4:{x>0.5,y>0.5,z<0.5},

C5:{x<0.5,y<0.5,z>0.5},C6:{x>0.5,y<0.5,z>0.5},

C7:{x<0.5,y>0.5,z>0.5},C8:{x>0.5,y>0.5,z<0.5}.

在求解系統優化模型的過程中,將剩余資源向量與資源請求向量映射到多立
方體模型中,記Pmp與Vmp分別為映射到p號立方體的服務器與虛擬機。在求取
目標PM集時,依據資源充足原則,在三個維度上均滿足Vmp請求的立方體記為
Wp。則Wp可確定如下:

W1=[Pm1,Pm2,Pm3,Pm5,Pm4,Pm6,Pm7,Pm8]

W2=[Pm2,Pm4,Pm6,Pm8]

W3=[Pm3,Pm4,Pm7,Pm8]

W4=[Pm4,Pm8]

W5=[Pm5,Pm6,Pm7,Pm8]

W6=[Pm6,Pm8]

W7=[Pm7,Pm8]

W8=[Pm8]

六邊形投影:將多立方體資源模型向垂直主對角線的平面投影,得到一個平
面六邊形,并對六邊形內部三角形分別進行編號。圖3中的六邊形投影恰當準確
地描述了三個維度的資源之間的不均衡關系。將資源請求向量映射到同一個三角
內的資源剩余向量,能夠有效地提高服務器資源利用率,降低資源利用不均衡度。
結合多立方體資源模型,將每個小立方體均投影到六邊形中,如圖4所示,能夠
進一步加快啟發式搜索進程。

目標服務器集:假設資源請求向量映射到Ci立方體,i=[1,2,...,8],并投影
到六邊形的j號三角形內。采用最佳適配方法,逐個遍歷映射到Wi和j號三角形
的資源剩余向量,在三個維度上均滿足資源請求的第一個資源剩余向量將被加入
到目標服務器集。若遍歷結束后沒有找到合適的資源剩余向量,則應當重新啟動
一臺服務器,并將其加入到目標服務器集之中。算法流程如圖5所示。

最佳服務器:逐個遍歷目標服務器集,并計算其資源使用向量與資源請求向
量之和的不均衡度,最后具有最小不均衡度模值的服務器即是映射當前虛擬機的
最佳服務器。算法流程如圖6所示。

虛擬機遷移:從能耗的角度,選擇低負載服務器,對運行其上的虛擬機進行
遷移并關閉低負載服務器,旨在達到節能減排的目的。虛擬機遷移的過程也即是
虛擬機重新映射的過程。服務器負載等級定義如圖7所示。

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一種 基于 立方體 映射 網絡 功能 虛擬 資源 分配 方法
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