基于移動IPv4IPv6演進云計算框架設計

1、第28卷第6期 2011年6月計算機應用研究Application Research of Computers基于移動I Pv4/I Pv6演進云計算框架設計陳俊k2,陳孝威1(1.貴州大學計算機科學與信息學院,貴陽550025;2.貴州師范大學教育科學學院,貴陽550001摘要:為滿足云計算平臺的資源需求,充分利用異構網絡資源建設云計算基礎平臺,設計了一種基于移動IP 技術的IPv4/IPv6虛擬機在線遷移框架。該框架的實現(xiàn)需利用設計的云計算控制引擎為核心轉換連接異構網絡 并在NAT-PT與隧道技術協(xié)作下完成。框架建立的網絡結構適用于IP,14'與IPv6虛擬機之間的無縫遷移。并可

2、向客戶端跨IPv4/IPv6網絡提供云計算服務。該框架可應用于IPv4/IPv6過渡期間云計算基礎平臺建設。關鍵詞:云計算;移動IPv4;移動IPv6;隧道技術;NATPTMobile IPv4/IPv6transition framework design for cloud computing(1.College of Computer Science&Information,Gttizh University。Guiyang 550025,Ch/na;2.School of Education Science,Guizhou Normal ,砌M_蚵,Guiyang 550001

3、,ChinaAbstract:In order to provide resource requirement for cloud computing platform.and fully used heterogeneous network陀一 gourees,designed an IPv4/lPv6live migration framework for virtual machine based on mobile IP technology.The framework used the designed cloud computing control engine鵲a core tr

4、anslates and link heterogeneous network.and needed NAT-PT and tunnel technology collaboration.The framework established for IPv4/lPv6virtual machine seamless lire migration.and provided IPv4/IPv6cloud computing service for chent.The framework can be applied to construction cloud computing phtform in

5、 the IPv4/lPv6transition period. Key words:cloud computing;MIPv4;MIPv6;tunnel technology;NAT-PT繼分布式計算、并行計算和網格計算模型后,學術界提出了云計算模型。云計算平臺利用虛擬機在線遷移技術可在 線實現(xiàn)虛擬機和物理資源的重映射,從而動態(tài)地實現(xiàn)整個系統(tǒng) 的負載均衡,為避免產生熱點提供了解決方案。隨著普適計算 和無線移動通信技術的快速發(fā)展,互聯(lián)網正向支持大范圍移動 性方向發(fā)展。目前移動IP技術有移動IPv4和移動IPv6兩種。 移動IPv6的提出¨。o對比移動IPv4,移動節(jié)點具備了更好的效

6、率與可操作性,IPv6全面取代IPv4已是大勢所趨。但IPv4到 IPv6的過渡不是在短時間內能完成的,網絡將會呈現(xiàn)出大量 純IPv4和純IPv6網絡互相交錯的局面。云計算平臺需要海量的廉價設備構建,為充分利用異構網 絡協(xié)議的計算資源,需要解決IPv4和IPv6虛擬機之間網絡連 接重定向的過渡問題。目前國內外一些關于虛擬機遷移過渡 技術方案雖然能夠解決虛擬機跨子網的在線遷移。但沒有考慮 到IPv4/IPv6子網間的在線遷移。例如,Snoeren等人p。提出以 源虛擬機和目標虛擬機共同運行為核心的網絡連接重定向技 術;Travostino等人一。提出基于隧道建立的動態(tài)IP隧道配置網 絡連接重定向

7、技術。為了更好地利用現(xiàn)有網絡資源服務于云 計算基礎平臺建設,必須解決虛擬機在IPv4/IPv6子網間的在 線遷移。鑒于此,本文針對移動通信環(huán)境設計了基于云計算的移動 11%4虛擬機與IPv6虛擬機過渡框架。 1相關技術1.1移動IF'v4如圖I所示,移動IPv4主要由四個實體組成:移動節(jié)點 (MN、家鄉(xiāng)代理(HA、外地代理(FA和通信伙伴節(jié)點(CN。 MN在家鄉(xiāng)網絡擁有一個永久性的lP地址(home of address, HoA,當MN移動到外地網絡后將獲得一個臨時的關照地址 (care of address,CoA,此處關照地址分為兩種,即外地代理IP 地址和通過某種機制與移動節(jié)點

8、暫時對應起來的網絡地址。 MN隨后需要同HA完成移動注冊過程,MN發(fā)送綁定更新 (binding update,BU消息向其HA通告CoA,HA則通過綁定 確認(binding acknowledge,BA消息響應此前的BU。當有CN 與MN通信時,由于此前不知道MN產生移動,仍以HoA為目 標地址發(fā)送數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包被MN的HA截獲,HA以隧道方式 把數(shù)據(jù)包轉發(fā)給外地網絡的外地代理FA(第一種CoA地址 或移動節(jié)點自身(第二種CoA地址。在第一種情況下,外地 代理再把數(shù)據(jù)包轉發(fā)給移動節(jié)點。數(shù)據(jù)包在不同子網間傳送 成功。移動節(jié)點發(fā)往外地的數(shù)據(jù)包按一般的IP尋徑方法送 出,不必通過家鄉(xiāng)代理。如圖2

9、所示,移動lPv6不需要外地代理,主要由三個實體 組成:移動節(jié)點(MN、家鄉(xiāng)代理(HA和通信伙伴節(jié)點(CN。收稿日期:2010-1028;修回日期:2010.12-03基金項目:貴州大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(省研理工2010006作者簡介:陳傻(1979一,男,貴州貴陽人,講師。博士.主要研究方向為分布式計算、下一代互聯(lián)網技術(stareraftej163.eom;陳孝威 (1945,男,教授。博導,主要研究方向為網絡通信技術.2322 計算n應月研究 第28喜通信過程日參月移動IP“.T同的是當MN移動到外地月緒 后.通過鄰*發(fā)現(xiàn)擲議獲得一個臨時關照地址(c蝌“add一.CoA目移動I附無

10、外地代4,此CoA類似f移動IPM的第 二種“:并且MN若發(fā)現(xiàn)cN發(fā)率數(shù)據(jù)包經過T HA中 轉.則會向cN發(fā)送Bu消息a告當前CoA,目續(xù)發(fā)往MN的散 據(jù)包將直接“c以作為目杯地址.移動IM*信過程中=角路由得“消除。H_*, ,、覃M 1”洋盎舛 。p氈i l懸,:基 ;基.囂羞一景 t "一 t#n #2系統(tǒng)框架21月絡架構通過該i計算控制引擎連接a信伙伴。該i計算控制引摹會 與開發(fā)運行在物理主機t的特權虛擬機交互完成IP“/IPv6虛擬機跨異構同絡遷移的透明過碴。22i計算控制引ti計算控制引擎為雙棧路自8,主要由下列功能模塊g 現(xiàn):地址弛前緞管理、雒道管、遷移管理和NT-Pr

11、(圖4。 :涵一m*;堇三百 司 :霧§毛刮3f攤E巫刮 ”。童曹“童。;i眶受巫引到 n4舟*lh6目#日3i"#自口¨nPt6d#*目4i計算控翻【￥ 1地“池管理該模塊將在m渡控制引肇中建立【P¨地 址池。其月fIM虛擬機哥移到IIN6網絡后從其動態(tài)井配一 lP“地*作為關照地址,或用fmm服務獲取主機和IPv6虛 擬機進行動志lM地址分配=2前綴管理該髓塊將針對每一連接ii計算控制引擎 的IP“弼段進行IM前綴指定。其用f幫助蹦虛擬機遷移到口“網絡甩指定前綴結臺自請得到的IIN4關照地址生成 IM關照地址與原M地址綁定告知家代理。3隧遘管m 諺模

12、塊利用隧道封裝、解封裝技術為家 鄉(xiāng)代理利,”隧道轉發(fā)數(shù)據(jù)包;跨IP“剛絡宴現(xiàn)lM通信自跨 IM M絡實現(xiàn)IM通信提供支持。其封裝方式有l(wèi)M in EM、m“in I喇IP“in IP“、IPv6in IN。4遷移管理*模塊與支持移動功能的虛擬機遷移物體 主機t運行的特權虛擬機交互尋找資酥熱點,作出遷移央策。 5NAT-P1"“ 該模塊用f眠務獲取主機與服務提供虛擬 機為異構網絡協(xié)議情H下進行效據(jù)包協(xié)議轉換,從W可實#構網絡協(xié)議之同的般務提供,23特權虛擬機園跨異構月絡進行虛擬機遷移移動信的需要,每一致具 備主持移動自能窯現(xiàn)虛擬機遷移的物理主n需運行文中開發(fā) 的特#虐擬n。誠特權虛擬n

13、主要功能如下:a判斷外E月絡協(xié)議環(huán)境。blM或【Pv6m擬n遷移【M或】M網絡時幫生 &臨時美目地址。c提供隧道通信支持。d與i計算控制引擘的賢埠監(jiān)控模塊空,幫助i計算 模塊決定遷移策略7。3過渡方案原理如圖3所.現(xiàn)i¨算挖制引革IM地n為2=I,lPv4n為17216821。1的】P“地址為】92168l 2,L的 ¨地址為1。31IPv4盤擬帆移ilPv6月镕現(xiàn)令,.連接的lP“嘲絡中恃移虛擬機為日v,IPm目絡 巾完成”遷移的目的虛擬m為dv,遷移過程的數(shù)據(jù)包傳送需 *§過i計算控制引擎進行NT_盯轉換。uw征穆后據(jù)移動lM綁泌申請外代.該物理IPm

14、 ±機中運打的特權虛擬機據(jù)此判斷穆米的為lM m 擬m,b特權虛擬機“奉物理IPv6主機前綴為前綴.并“后 32&為原sv的11%4地址加t前緦(不足俺補0m成山對應 的時關罪IP*地址。此蛀為1:193168l。c特權虛擬機發(fā)送口*報立向i計算拉制引擎÷請一 IPv4地址作為臨時關照lP“地n。現(xiàn)令i計算控村引擎從 】Pv4n池中取m 17216822作為恢lM地址進行回應。 d特權虐擬機對m進行臨時關朋LM址17216822的日應。edv根據(jù)移動IM佛議發(fā).nIP',4報文.目的IM為 r】(家鄉(xiāng)代理IIN4地址,進行19216811原IP“地“% 17

15、216822臨時蘭照lP“地*綁定&m。f持虛擬機對談報文進行【Min ltN,6勝道封裝,罐道 出口為i汁算控制引擎。在出口址由i計算控制引擎的隧道 管理模塊解封裝月發(fā)往Eh收到注冊包后建i址綁定。h下時問.通信伙伴(IP“豐機欲掛取i計算務,i 計算控制引擎作出由疆sv進行務提供的策略。i談撤立被(家;代理截獲并根據(jù)移動JP“西議封裝 IP¨啪一lPv4#%潑包擊往臨時關照IM地址17216822。 i報文&自i計算控制引鼙&現(xiàn),日IP*地m 172 16822為自E地址弛中E分配IPv4地址,則解去Pv4包頭 封裝."原lP“報文進行LMin.

16、11%6重封裝。目的IPm地址 則為dY臨時關照【M地址I:192】6811。k特權虛擬機瓿獲該報女解封裝后發(fā)送給dv完成a信 Idv目應通信伙伴.該IIN4報文經特權虛擬機進行洲 in-T附封裝隧道出口為i計算控制引擎。mi計算控制引擎收到談報文解封裝后轉發(fā)給m信伙伴 完成通信?！癓步驟h一m若通信伙伴為】Pmim,則需i計算控 制引擎首先進*NAT-n轉接再將誠請求報空投i家;代理 網絡;同樣.步驟m的i計算控制引摹收到目應報文后,應先 解封裝得到琢蛤lPv4報女目再進行NT-丌轉換為IM報文 轉轟蛤fM通信伙伴完成通信。32Pv6虛擬機遷移至lPv4同絡現(xiàn),連接的IPm日絡中待征移虛擬機

17、為叭IP“網絡第6期 陳俊,等:云計算的移動IPv4/IPv6過渡框架設計 2323中完成8V遷移的目的虛擬機為dv。同樣遷移過程的數(shù)據(jù)包傳 送需要經過云計算控制引擎進行NAT-PT轉換。asv遷移后根據(jù)移動IPv6協(xié)議請求地址,該物理tPv4主 機中運行的特權虛擬機據(jù)此判斷遷移而來的為一11%6虛擬機。 b特權虛擬機用已收到發(fā)出的代理通告確定為dv 的IPv4外區(qū)代理,并與DHCP通信,為dv確定一II%4地址作 為臨時關照IPv4地址?，F(xiàn)令為。C特權虛擬機發(fā)送IPv4報文向云計算控制引擎請求本 IPv4網段的通告前綴?，F(xiàn)令為3:。特權虛擬機對dv進行請 求回應。dv獲

18、取臨時關照IPv6地址,它由與獲取的通告前綴 加臨時關照IPv4地址(不足位補0組成。d根據(jù)移動IPv6協(xié)議,dv向r2(家鄉(xiāng)代理l:1發(fā)送綁定 注冊報文。綁定地址為原SV的IPv6地址1:2與臨時關照 IPv6地址3“。該報文由特權虛擬機截獲進行 11%6一in.IPv4封裝。隧道出口為云計算控制引擎。e云計算控制引擎收到報文解封裝后發(fā)往家鄉(xiāng)代理1:1。f,2建立地址綁定。g下一時間通信伙伴1:2(IPv6主機欲獲取云計算服 務,云計算控制引擎作出由IPv6地址為1:2的原8V進行服務 提供策略。hr2截獲該報文并進行IPv6一in.IPv6封裝。外部IPv6包 頭的目

19、的IPv6地址為3:,其為dv的臨時關照 IPv6地址。j報文經由云計算控制引擎,云計算控制引擎發(fā)現(xiàn)外部 IPv6包頭的目的IPv6地址為自己通告前綴,則解包并進行 IPv6inIPv4重封裝,目的IPv4地址為。J特權虛擬機收到該包解封裝后發(fā)送給dv完成通信。 kdv發(fā)現(xiàn)該報文經由家鄉(xiāng)代理轉發(fā),則向通信伙伴發(fā)送地址 綁定信息。該綁定報文經特權虛擬機截獲進行IPv6-in.IPv4封裝。 隧道出口為云計算控制引擎。綁定地址為原SV的IPv6地址l:2與獲取的臨時關照11%6地址,此處為3:。1云計算控制引擎收到該包解封裝后轉發(fā)給

20、通信伙伴。 m通信伙伴收到報文建立地址綁定。后續(xù)發(fā)往dv的數(shù) 據(jù)包可直接使用3:地址發(fā)送。需經云計算控制 引擎利用IPd5inIPv4封裝進行隧道發(fā)送至特權虛擬機,特權 虛擬機解封裝后發(fā)送給dv完成通信。以上步驟g一in若通信伙伴為IPv4主機,則需云計算控 制引擎首先對綁定的IPv6虛擬機在IPv4地址池中指定一IPv4地址,再對以此1Pv4地址為目的IPv4地址的報文進行NAT-PT 轉換(通信伙伴的IPv6地址由其IPv4地址前加上一分配前綴 組成,然后將該請求報文發(fā)至家鄉(xiāng)代理網絡。同樣,步驟k dv發(fā)向通信伙伴的報文經特權虛擬機截獲進行IPv6.in-IPv4封裝

21、來到云計算控制引擎,云計算控制引擎應先解封裝后再進 行NAT-PT轉換。若該數(shù)據(jù)包為綁定地址的報文(步驟k即 是如此,則應將綁定內容轉變?yōu)樵朴嬎憧刂埔孀鞒鲋付?IPv6虛擬機策略時指定的IPv4地址與dv的臨時關照IPv4地 址之間的綁定。4系統(tǒng)實現(xiàn)與分析系統(tǒng)總體框架實現(xiàn)基于Libpeap和Libnet函數(shù)庫哺J,進行 數(shù)據(jù)捕獲讀取并生成發(fā)送數(shù)據(jù)包。定義IPv4/IPv6基本報頭的回調函數(shù):void ip_protoe01.paeket_callbaek(u._ehat+Brgumelat,corot struct pcappkthdrpacketheader。congt u_charpac

22、ket_content根據(jù)以上IPv4/IPv6基本報頭的格式定義相應的結構體, 然后在回調函數(shù)中定義指向相應結構體的指針。struet ipv4一headerip4_protoeol;/指向IPv4基本報頭結構體的指針street ipv6_headerip6_protocol;/指向IPv6基本報頭結構體的指針無論IPv4或IPv6,其以太網首部都完全一樣,所以此處分 析IP頭部皆從數(shù)據(jù)包首都跳躍14Byte(以太網首部的長度 找到IP頭部。實驗架構如圖3所示,可支持基于移動通信的虛擬機遷移 物理主機運行Windows XP系統(tǒng),云計算控制引擎操作系統(tǒng)為 fedora 8.0。該實驗目的為

23、驗證評估云計算的移動IPv4/IPv6過渡框架的有效性。本實驗進行了無負載基礎系統(tǒng)IPv4虛擬 機遷移至IPv6網絡和無負載基礎系統(tǒng)IPv6虛擬機遷移至IPv4網絡的驗證。實驗結果發(fā)現(xiàn),該框架可實現(xiàn)云計算的移動 IPv4/IPv6過渡。該框架的不足主要在于設計的云計算控制引擎很容易成 為云計算平臺虛擬機遷移和服務提供過程中的瓶頸,進而影響 云計算平臺的整體性能和服務質量。因為云計算平臺需要大 量的計算資源構建,遷移行為有可能較為頻繁。這樣需考慮平 滑切換與快速切換的問題。為消除瓶頸效應,可考慮設置多核 并行工作或分工協(xié)作的云計算控制引擎,并應適當考慮云計算 控制引擎的備份冗余以增加框架的整體可

24、靠性。另增加微移 動機制解決平滑切換與快速切換問題。5結束語本文描述了一種云計算的移動IPv4/IPv6過渡框架方案。 該框架在一定程度上解決了云計算環(huán)境中網絡協(xié)議異構性所 帶來的資源使用問題。下一步工作的研究重點將考慮云計算 控制引擎的并行、備份與物理主機對過渡透明性的要求。參考文獻:1】JOHNSON D,PERKINS C.RFC 3775,Mobility support in It'v6S. 2004.【2MIPLmobileIPv6for LinuxEB/OL.(2006.http:/mobileipv6. org/.3SNOEREN A c。BALAKRISHNAN H.An end to end approach to host mobilityC/Proe of the 6th Annual Internation