程容斌

摘要：校園數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化條件下的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源被所有用戶的虛擬機所共享，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)帶寬資源如何在多個用戶的虛擬機之間合理按需分配，如何保障各個用戶虛擬機的網(wǎng)絡(luò)性能獨立成為一個急需解決的課題，是數(shù)據(jù)中心資源實現(xiàn)真正按需分配的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)；虛擬機；帶寬分配

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0020-02

1 校園數(shù)據(jù)中心虛擬化

校園數(shù)據(jù)中心[1]是數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)。為了提高資源利用率和減少運營成本，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化技術(shù)[2]正成為研究熱點。網(wǎng)絡(luò)虛擬化條件下的校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源被所有虛擬機所共享，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)帶寬資源如何在多個用戶的虛擬機之間合理按需分配，如何保障各個用戶虛擬機的網(wǎng)絡(luò)性能獨立成為一個急需解決的課題，是數(shù)據(jù)中心資源實現(xiàn)真正按需分配的關(guān)鍵。Secondnet[3]采用一種per source-destination pair （per S-D pair）分配模型。像Seawall[4]，通過使用這種基于通信源的帶寬分配模型，迫切需要研究一種公平合理的數(shù)據(jù)中心虛擬機帶寬控制機制。

2 虛擬校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬分配的性能要求分析

網(wǎng)絡(luò)虛擬化條件下的校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源被所有虛擬機所共享，帶寬分配必須要滿足如下兩個性能要求：第一個性能要求是網(wǎng)絡(luò)權(quán)重忠實度，網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的忠實程度上三個遞增的層次要求：單調(diào)性，嚴格的單調(diào)性和按比例分配。按比例分配提供了對權(quán)重的最高的忠實性，我們通過下面這個例子來說明按比例分配：

如圖1，假設(shè)我們給圖中的每個虛擬機一個相等的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。在這種情況下，如果所有的通信帶寬要求都得到滿足，則A-D和B-D總帶寬將得到整條連接帶寬總量的3/5，而C-E的帶寬將得到總帶寬的2/5，而這種分配和每一組通信的虛擬機的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重是成比例的。

圖1 虛擬機帶寬分配跟權(quán)重成比例示意圖

第二個性能要求就是帶寬保證，它保證數(shù)據(jù)中心部署的每個用戶的網(wǎng)絡(luò)性能和應(yīng)用性能的可預(yù)測性。每個虛擬機被給予一個最小的帶寬保證值，不需要理會其他虛擬機的帶寬需求和分配是多少。

問題的關(guān)鍵在于，上述兩個性能需求（權(quán)重忠實度和帶寬保證）是兩個相互沖突的性能需求，展示了在虛擬機之間共享數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵的平衡性。明確地說，就是權(quán)重忠實度越高，帶寬保證越小。我們舉個例子來說明這個平衡性。

如圖2所示，虛擬機A和虛擬機B分布在同一個物理服務(wù)器上，A和另外兩個虛擬機C，D通信，B只和E通信，我們假設(shè)每個虛擬機的權(quán)重一樣，則A在服務(wù)器的出口鏈路上的帶寬分配是3/5，B是2/5，因為這條鏈路上總的虛擬機個數(shù)是5。

圖2 虛擬機帶寬分配示意圖

很容易發(fā)現(xiàn)，如果A和更多的虛擬機通信，那么B的帶寬分配數(shù)量還要更少。一個嚴格的單調(diào)性分配相比按比例分配能給B提供更大的帶寬分配，但是當(dāng)A通信遠端的權(quán)重值增加的情況下，B的帶寬分配還是會減少。但是在一個只滿足單調(diào)性的分配模型當(dāng)中，B就會分配一個相當(dāng)大的帶寬保證值，而不需要理會A的通信方式。在一個完全均分帶寬的網(wǎng)絡(luò)中，B的帶寬保證值將是鏈路帶寬的一半。

所以，權(quán)重忠實度和帶寬保證這兩個性能要求是相互沖突的，要想有很嚴格的帶寬保證就只能獲得較低的權(quán)重忠實度，或者有很高的權(quán)重忠實度，但只能提供很小的帶寬保證。需要一種機制在這二者之間取得一個基本的平衡。

3 基于虛擬機網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源共享方式，不管是基于流的共享，還是通信源和通信端結(jié)合（source-destination pairs）或者是只考慮通信源的方式都不能同時滿足前面提出的這兩個要求。本文提出一種新的數(shù)據(jù)中心虛擬機帶寬控制機制，嚴格滿足上述兩個要求，然后對這種機制做出原型系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。我們采用以用戶的付費作為虛擬機（VM）的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的參數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重給每個用戶的虛擬機分配相應(yīng)的帶寬資源。我們提出一種Per Endpoint Sharing （PES）機制，靈活的共享數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，允許數(shù)據(jù)中心管理者明確地指出在權(quán)重忠實度和帶寬保證之間的平衡點。給每一對通信的虛擬機分配一個權(quán)重，這個權(quán)重值由通信兩端的虛擬機共同決定。WS?D = f （WS ，WD）， WS 是通信源的權(quán)重，WD 是通信端得權(quán)重。為了滿足對稱性要求，在兩個方向的權(quán)重分配值要相同，也就是 WA?B = WB?A 。

Per Endpoint Sharing （PES） 采用給一條連接L上的通信的兩個虛擬機A和B 一個權(quán)重，WA?B = WA/ NA + WB/ NB 這里NA 是L這條連接上虛擬機A跟其他虛擬機通信的數(shù)量，NB 是L這條連接上虛擬機B通信的虛擬機數(shù)量。這個權(quán)重可以通過相比鏈路上通信的虛擬機的總權(quán)重WT 的方式來實現(xiàn)帶寬分配。

需要指出的是理論上，PES提供的帶寬保證非常小，最壞的情況下，一個虛擬機將要和所有這條連接上的虛擬機公平的分配網(wǎng)絡(luò)帶寬。然而，如果擁塞發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的中心（這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生），路由能夠在所有路徑上平衡通信，這樣，一個虛擬機實際上公平的均分了網(wǎng)絡(luò)帶寬。為了提供更壞情況的帶寬保證，我們給予一些虛擬機相比其他的虛擬機更高的重要性，根據(jù)虛擬機的重要性決定。舉個例子，在服務(wù)器的一條連接上，相比遠離服務(wù)器的虛擬機我們更樂意把帶寬分配給近距離的虛擬機。

所以我們推廣PES成WA?B = WB?A = α×WA / NA +β× WB /NB， 系數(shù)α 和β使得連接兩端虛擬機的權(quán)重不一樣，α應(yīng)用于L鏈路上一端的所有虛擬機，而β應(yīng)用于另外一端。這樣通過使用不同的α和β值，我們可以使得一端虛擬機的權(quán)重按比例增減而完全不理會另外一端的虛擬機。

通過給網(wǎng)絡(luò)上不同的鏈路設(shè)定不同的α和β值，我們就可以使用通用的PES機制獲得不同的平衡點。如提供高的帶寬保證但是低的權(quán)重忠實度，或者高的權(quán)重忠實度但是低的帶寬保證。這個算法類似于權(quán)重增加，倍數(shù)減少（AIMD）。算法原理如下：當(dāng)反饋消息指示有丟包，就降低允許的速率乘以一個α， 否則速率就一直根據(jù)權(quán)重增加。

圖3 帶寬分配算法

我們對基本帶寬分配算法加以改進，采用一種獨特的技術(shù)能聯(lián)合所有來之不同通信目的端的反饋消息。通過這種方式，一個虛擬機的帶寬分配基于他的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，而于他通信信道的數(shù)目無關(guān)。這種分配策略跟當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的其他資源如計算和存儲資源的分配策略一致。

每個虛擬機都有一個帶寬分配者，把虛擬機的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和每條信道上反饋信息所允許的速率作為輸入。這個反饋信息包括所有這個虛擬機作為發(fā)送端正在通信的所有接收端發(fā)回的擁塞反饋消息。帶寬分配者有兩部分組成，第一部分是一個分布式的擁塞控制環(huán)，通過它計算這個虛擬機在這條線路上累積的帶寬共享，第二部分是一個本地調(diào)度，把虛擬機分到的網(wǎng)絡(luò)帶寬再分給正在通信的所有信道。

第一步： 使用分布式控制環(huán)，來決定每條線路，每個虛擬機的帶寬分配。

理想的反饋消息應(yīng)該是基于每條線路的，它應(yīng)該包括這個虛擬機在這條線路上所有通信信道的累積使用情況。這樣的反饋信息是可以實現(xiàn)的，如果交換機上執(zhí)行準(zhǔn)確的反饋消息，如使用（XCP，QCN）或者通過可編程交換機取樣 （Side Car [5]）。缺乏這些，系統(tǒng)的基礎(chǔ)主要是依賴現(xiàn)有的端到端丟包率擁塞信號。這些信號指出擁塞的路徑，而不是擁塞的線路。

為了使用路徑級別的擁塞控制信號去達到線路級別的擁塞信息，我們使用一種啟發(fā)式的方式基于觀察，一條擁塞線路導(dǎo)致使用這條線路的多條信道都有丟包。這個邏輯在算法中有描述。啟發(fā)式的方法擴大了上一個時間段內(nèi)一個特定接收端虛擬機反饋消息對于給這個虛擬機發(fā)送信息的帶寬分配比例的影響。

第二步：把每條線路上每個虛擬機的帶寬分配轉(zhuǎn)化為每條線路上每條信道路徑上的帶寬分配。系統(tǒng)運行一個本地分配通過分布式的計算，把每條線路上每個虛擬機的帶寬分配給每條信道分配帶寬。

4 小結(jié)

本文研究出一種新穎的帶寬權(quán)重賦予機制（PES權(quán)重賦予機制，）和一種基于網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的帶寬分配算法。通過和現(xiàn)有機制在所提性能評價指標(biāo)上的對比，分析我們所提出機制的性能優(yōu)越性。

參考文獻：

[1] Katz R H， Tech Titans Building Boom [C]. IEEE SPECTRUM， Feb 2009.

[2] Roscnblum M，Garl'mkel T.Virtual Machine Monitors：Current technology and future Trends[J].Computer， 2005，38（5）：39-47.

[3] Guo C， Lu G， Wang H J， et al. Secondnet： a data center network virtualization architecture with bandwidth guarantees[C]. In Proceedings of the 6th International Conference， Co-NEXT 10， pages 15：1–15：12， New York， NY， USA， ACM，2010.

[4] Shieh A， Kandula S， Greenberg A， et al. Sharing the data center network. In Proceedings of the 8th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation （NSDI） [C]. USENIX， March-April，2011.

[5] Shieh A， Kandula S， Sirer E. SideCar： Building Programmable Datacenter Networks without Programmable Switches[C]. In HotNets， 2010.