基于SDN的業(yè)務(wù)流量QOS保證

1、基于SDN的業(yè)務(wù)流量QOS保證一、研究背景隨著云計(jì)算技術(shù)及其業(yè)務(wù)的普及，數(shù)據(jù)中心云化發(fā)展逐步走向大型化，自動(dòng)化，虛擬化，越來(lái)越多的分布式數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用傾向于部署在云環(huán)境中，如 MapReduce，Storm，Spark等，云網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生超大規(guī)模東西向數(shù)據(jù)流量已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。上層應(yīng)用共享底層物理網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)擁塞成為常見(jiàn)現(xiàn)象，云業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需要保障。云基礎(chǔ)設(shè)施本質(zhì)是一個(gè)虛擬化資源池，單個(gè)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)端口不再一一對(duì)應(yīng)，同一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行著的多臺(tái)虛擬機(jī)對(duì)物理網(wǎng)卡存在競(jìng)爭(zhēng)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) QoS策略只針對(duì)物理端口，服務(wù)器所有網(wǎng)絡(luò)行為由接入交換機(jī)直接控制。而在虛擬化環(huán)境中，虛擬機(jī)和交換機(jī)間隔一層服務(wù)器網(wǎng)

2、卡，虛擬機(jī)層面的業(yè)務(wù)流量難以區(qū)分、管理和控 制，其通過(guò)預(yù)定義 SLA 作為 QoS 的參數(shù)，缺乏一定的靈活性， SDN 提供開(kāi)放應(yīng)用編程接口，為 QoS 保障帶來(lái)新契機(jī)。設(shè)計(jì)一套基于SDN 的云數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)流量 QoS 保障的解決方案，為云中的虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量提供自動(dòng)化 QoS 保障的同時(shí)，盡可能提高物理鏈路利用率。通過(guò)增加虛擬接入層軟件交換機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)接入移至物理服務(wù)器內(nèi)部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)網(wǎng) 絡(luò)策略的管理。借助 SDN 南向接口，實(shí)現(xiàn)針對(duì)業(yè)務(wù)類(lèi)型的個(gè)性化流表自動(dòng)下發(fā)機(jī)制，達(dá)到虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量調(diào)度到特別端口隊(duì)列的目的。借助 SDN 北向接口，監(jiān)控全局虛 擬機(jī)業(yè)務(wù)流量狀態(tài)以及端口隊(duì)列流量狀態(tài)， 并在

3、此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流量端 口隊(duì)列帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整策略。與此同時(shí)，采取分級(jí)控制的思想，在端口隊(duì)列針設(shè)計(jì)基 于流的限速策略，從而達(dá)到虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量 QoS 保障的目的。二、方案特色和創(chuàng)新1.分級(jí)的虛擬機(jī)流量業(yè)務(wù)QoS保障解決方案?jìng)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量 QoS 保障通常是基于業(yè)務(wù)類(lèi)型的方式，這是一種粗粒度的實(shí)現(xiàn)，在同一業(yè)務(wù)占滿(mǎn)物理帶寬的情況下很難區(qū)分相同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。本方案將虛擬機(jī)業(yè) 務(wù)流量服務(wù)質(zhì)量分兩級(jí)保障，分別為基于業(yè)務(wù)的帶寬保障和基于虛擬機(jī)的帶寬保障，其在為云中虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量提供自動(dòng)化QoS保障的同時(shí)，盡可能提高物理鏈路利用率，有效解決了滿(mǎn)帶寬時(shí)同類(lèi)業(yè)務(wù)QoS保障的問(wèn)題，在更精細(xì)的層面上實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬機(jī)

4、業(yè)務(wù)流量的QoS保障。2.個(gè)性化流表自動(dòng)下發(fā)機(jī)制傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量QoS保障實(shí)現(xiàn)中，SLA 通常被用來(lái)作為 QoS 輸入的參數(shù)， 最終生 成的網(wǎng)絡(luò)層策略往往是預(yù)先定義的、靜態(tài)的。本方案在控制器層面上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流表 自動(dòng)化下發(fā)機(jī)制，捕獲 PACTET-IN 消息，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袑?shí)時(shí)業(yè)務(wù)流量的情形，動(dòng)態(tài)生成個(gè)性化流表并下發(fā)至交換機(jī)。3.基于實(shí)時(shí)流量的端口隊(duì)列帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整算法在做基于業(yè)務(wù)的帶寬保障時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)時(shí)流量的端口隊(duì)列帶寬，提出一個(gè)簡(jiǎn) 單帶寬協(xié)商自適應(yīng)算法，有效解決隊(duì)列帶寬競(jìng)爭(zhēng)時(shí)業(yè)務(wù)流量 QoS 保障問(wèn)題。4.QoS保障算法、策略動(dòng)態(tài)管理本方案系統(tǒng)框架采取模塊化和熱插拔思想，支持QoS 保障策略

5、和算法動(dòng)態(tài)加載、更新和刪除，系統(tǒng)管理人員能夠自定義多種算法或者策略，實(shí)現(xiàn)策略算法模塊和系 統(tǒng)本身的高內(nèi)聚與低耦合。三、方案介紹1.背景介紹動(dòng)態(tài)性是云計(jì)算的最大特征之一，虛擬機(jī)可以隨時(shí)啟動(dòng)、關(guān)閉、遷移，當(dāng)前基 于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模式在支撐云計(jì)算時(shí)缺乏一定的靈活性， 尤其體現(xiàn)在云中業(yè)務(wù)流 量 QoS 保障方面。云環(huán)境下，同一臺(tái)宿主機(jī)上的多臺(tái)虛擬機(jī)共享其物理網(wǎng)絡(luò)接口， 在數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)負(fù)載過(guò)重時(shí)，勢(shì)必會(huì)引發(fā)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)。 傳統(tǒng) QoS 保障技術(shù)因敏捷和靈活性的天然缺失導(dǎo)致其無(wú)法很好地解決云中存在的問(wèn)題，SDN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，擺脫了硬件對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層次較好 的靈活

6、性、敏捷性。除此之外，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的可編程性帶來(lái)了前所未有的靈活性，我們借助 SDN，很好地解決了云環(huán)境下基于虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量的 QoS 保障問(wèn)題。2.研究問(wèn)題陳述云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)采取集中式控制的架構(gòu)，由云控制節(jié)點(diǎn)管理多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，虛擬機(jī)運(yùn)行在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之上，云控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)虛擬機(jī)具體調(diào)度。本應(yīng)用主要針對(duì)宿主機(jī)內(nèi)部多臺(tái)虛擬機(jī)流量做 QoS 保障，從而消除網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)帶給虛擬機(jī)業(yè)務(wù)的影響。3.具體解決方法為體現(xiàn)虛擬機(jī)流量業(yè)務(wù)等級(jí)， 本方案對(duì)虛擬機(jī)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，大致分為重要和 非重要兩類(lèi)。為體現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流量的優(yōu)先級(jí)，本方案在宿主機(jī)物理網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)虛擬交 換機(jī)的端口上做多個(gè)限速隊(duì)列，共享物理帶寬，通過(guò)隊(duì)列

7、的帶寬的大小實(shí)現(xiàn)不同虛擬機(jī)業(yè)務(wù)種類(lèi)優(yōu)先級(jí)的區(qū)分。業(yè)務(wù)流量 通過(guò) SDN 控制器將形成個(gè)性化流表，決策業(yè)務(wù)流匹配至不同隊(duì)列，并下發(fā)至交換機(jī)。本方案在為虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流量提供QoS保障的同時(shí)，盡可能提高鏈路利用率。故需滿(mǎn)足以下情況： 優(yōu)先保證重要業(yè)務(wù)的帶寬，即不同種類(lèi)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，重要業(yè)務(wù)將盡可能 占滿(mǎn)帶寬，非重要業(yè)務(wù)不參與競(jìng)爭(zhēng)。 系統(tǒng)當(dāng)前出現(xiàn)重要業(yè)務(wù)流量低谷時(shí)，非重要業(yè)務(wù)如若需要更多帶寬， 系統(tǒng)將動(dòng)態(tài) 對(duì)隊(duì)列帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿(mǎn)足非重要業(yè)務(wù)帶寬需求。 重要業(yè)務(wù)占滿(mǎn)物理帶寬時(shí)，重要業(yè)務(wù)之間也會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)的情況，按虛擬 機(jī)所屬用戶(hù)的類(lèi)別保障其業(yè)務(wù) QoS，即重要用戶(hù)的虛擬機(jī)的重要業(yè)務(wù)將獲得更多

8、帶寬資源。因此，本應(yīng)用提出基于分級(jí)的虛擬機(jī)流量業(yè)務(wù) QoS 保障解決方案，兩級(jí)保障如下： 基于業(yè)務(wù)的帶寬保障對(duì)端口設(shè)置隊(duì)列，在隊(duì)列上做帶寬限制，將業(yè)務(wù)分類(lèi)并映射到隊(duì)列中，隊(duì)列具 備優(yōu)先級(jí)，重要的應(yīng)用映射到優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列中，優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列中的服務(wù)將優(yōu)先被保障，也就是說(shuō)，優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列在其需要最大帶寬時(shí)將獲得默認(rèn)最大帶 寬的權(quán)利。為提供業(yè)務(wù)的帶寬保障，本方案設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)流量的端口隊(duì)列帶寬動(dòng) 態(tài)調(diào)整算法。 基于虛擬機(jī)的帶寬保障當(dāng)端口上的所有隊(duì)列帶寬比趨于穩(wěn)態(tài)，并且每個(gè)隊(duì)列帶寬占用率處于飽和時(shí)，在相同隊(duì)列里按不同虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級(jí)做QoS保障，重要用戶(hù)的虛擬機(jī)將擁有更多的帶寬。為提供虛擬機(jī)的

9、帶寬保障，本方案設(shè)計(jì)了基于流的細(xì)粒度QoS保障策略。4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬機(jī)流量數(shù)據(jù)包發(fā)送至虛擬交換機(jī)，若無(wú)流表匹配，則發(fā)至控制器?？刂破鹘孬@ Packet-in 消息，根據(jù)特征庫(kù)分析其業(yè)務(wù)類(lèi)型，決定轉(zhuǎn)發(fā)至不同優(yōu)先級(jí)的端口隊(duì)列，監(jiān)控端口隊(duì)列流量情況，綜合虛擬機(jī)類(lèi)別，決策是否對(duì)業(yè)務(wù)流限速，同時(shí)生成個(gè)性化流表下發(fā)至虛擬交換機(jī)。個(gè)性化流表下發(fā)模塊接收到從openflow交換機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包分析其業(yè)務(wù)類(lèi)型，進(jìn)而調(diào)度到不同的隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)粗粒度的QoS保障，最大程度 提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，例如：當(dāng)IP地址為的虛擬機(jī)向位于不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的IP地址為的虛擬機(jī)發(fā)送 Http 請(qǐng)求時(shí)，此時(shí)下 發(fā)模塊會(huì)解析數(shù)據(jù)包，判斷其業(yè)務(wù)類(lèi)型，從而在轉(zhuǎn)發(fā)路徑的節(jié)點(diǎn)下發(fā)流表，規(guī)劃流量的轉(zhuǎn)發(fā)細(xì)節(jié)。隊(duì)列帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)隊(duì)列端口流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控， 其主要實(shí)現(xiàn)一個(gè) 簡(jiǎn)單帶寬協(xié)商自適應(yīng)算法，達(dá)到云中心重要業(yè)務(wù)優(yōu)先保障的目的。業(yè)務(wù)流帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊主要解決當(dāng)重要端口隊(duì)列占滿(mǎn)物理帶寬時(shí)，根據(jù)用戶(hù)虛擬機(jī)的優(yōu)先級(jí)對(duì)若干業(yè)務(wù)流進(jìn)行限速，重要級(jí)別低的若干虛擬機(jī)業(yè)務(wù)流將被限速。動(dòng)態(tài)策略管理模塊主要負(fù)責(zé)維護(hù)多種QoS策略的動(dòng)態(tài)加載和刪除。網(wǎng)絡(luò)管理人 員可以根據(jù)業(yè)務(wù)的變化隨時(shí)添加和刪除自定義的QoS策略，即時(shí)生效。同一服務(wù)在 不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)不同用戶(hù)的 SLA 需求不同,