基于SDN的業(yè)務(wù)流量QOS保證

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于SDN的業(yè)務(wù)流量QOS保證一、研究背景隨著云計算技術(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，自動化，虛擬化，越來越多的分布式數(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。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)是一個虛擬化資源池，單個操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)端口不再一一對應(yīng)，同一臺物理服務(wù)器上運行著的多臺虛擬機對物理網(wǎng)卡存在競爭。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) QoS策略只針對物理端口，服務(wù)器所有網(wǎng)絡(luò)行為由接入交換機直接控制。而在虛擬化環(huán)境中，虛擬

2、機和交換機間隔一層服務(wù)器網(wǎng)卡，虛擬機層面的業(yè)務(wù)流量難以區(qū)分、管理和控 制，其通過預(yù)定義 SLA 作為 QoS 的參數(shù)，缺乏一定的靈活性， SDN 提供開放應(yīng)用編程接口，為 QoS 保障帶來新契機。設(shè)計一套基于SDN 的云數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)流量 QoS 保障的解決方案，為云中的虛擬機業(yè)務(wù)流量提供自動化 QoS 保障的同時，盡可能提高物理鏈路利用率。通過增加虛擬接入層軟件交換機，將網(wǎng)絡(luò)接入移至物理服務(wù)器內(nèi)部，進而實現(xiàn)對虛擬機網(wǎng) 絡(luò)策略的管理。借助 SDN 南向接口，實現(xiàn)針對業(yè)務(wù)類型的個性化流表自動下發(fā)機制，達到虛擬機業(yè)務(wù)流量調(diào)度到特別端口隊列的目的。借助 SDN 北向接口，監(jiān)控全局虛 擬機業(yè)務(wù)流量狀態(tài)以

3、及端口隊列流量狀態(tài)， 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于實時業(yè)務(wù)流量端 口隊列帶寬動態(tài)調(diào)整策略。與此同時，采取分級控制的思想，在端口隊列針設(shè)計基 于流的限速策略，從而達到虛擬機業(yè)務(wù)流量 QoS 保障的目的。二、方案特色和創(chuàng)新1.分級的虛擬機流量業(yè)務(wù)QoS保障解決方案傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量 QoS 保障通常是基于業(yè)務(wù)類型的方式，這是一種粗粒度的實現(xiàn)，在同一業(yè)務(wù)占滿物理帶寬的情況下很難區(qū)分相同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。本方案將虛擬機業(yè) 務(wù)流量服務(wù)質(zhì)量分兩級保障，分別為基于業(yè)務(wù)的帶寬保障和基于虛擬機的帶寬保障，其在為云中虛擬機業(yè)務(wù)流量提供自動化QoS保障的同時，盡可能提高物理鏈路利用率，有效解決了滿帶寬時同類業(yè)務(wù)QoS保障的問題，在更

4、精細的層面上實現(xiàn)了對虛擬機業(yè)務(wù)流量的QoS保障。2.個性化流表自動下發(fā)機制傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量QoS保障實現(xiàn)中，SLA 通常被用來作為 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現(xiàn)動態(tài)流表 自動化下發(fā)機制，捕獲 PACTET-IN 消息，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓撲中實時業(yè)務(wù)流量的情形，動態(tài)生成個性化流表并下發(fā)至交換機。3.基于實時流量的端口隊列帶寬動態(tài)調(diào)整算法在做基于業(yè)務(wù)的帶寬保障時，動態(tài)調(diào)整實時流量的端口隊列帶寬，提出一個簡 單帶寬協(xié)商自適應(yīng)算法，有效解決隊列帶寬競爭時業(yè)務(wù)流量 QoS 保障問題。4.QoS保障算法、策略動態(tài)管理本方案系統(tǒng)框架采取模塊化和熱插拔

5、思想，支持QoS 保障策略和算法動態(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.背景介紹動態(tài)性是云計算的最大特征之一，虛擬機可以隨時啟動、關(guān)閉、遷移，當(dāng)前基 于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模式在支撐云計算時缺乏一定的靈活性， 尤其體現(xiàn)在云中業(yè)務(wù)流 量 QoS 保障方面。云環(huán)境下，同一臺宿主機上的多臺虛擬機共享其物理網(wǎng)絡(luò)接口， 在數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)負載過重時，勢必會引發(fā)對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭。 傳統(tǒng) QoS 保障技術(shù)因敏捷和靈活性的天然缺失導(dǎo)致其無法很好地解決云中存在的問題，SDN 技術(shù)實現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，擺脫了硬件對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制

6、，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層次較好 的靈活性、敏捷性。除此之外，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的可編程性帶來了前所未有的靈活性，我們借助 SDN，很好地解決了云環(huán)境下基于虛擬機業(yè)務(wù)流量的 QoS 保障問題。2.研究問題陳述云計算基礎(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)點管理多個計算節(jié)點，虛擬機運行在計算節(jié)點之上，云控制節(jié)點負責(zé)虛擬機具體調(diào)度。本應(yīng)用主要針對宿主機內(nèi)部多臺虛擬機流量做 QoS 保障，從而消除網(wǎng)絡(luò)資源競爭帶給虛擬機業(yè)務(wù)的影響。3.具體解決方法為體現(xiàn)虛擬機流量業(yè)務(wù)等級， 本方案對虛擬機業(yè)務(wù)進行分類，大致分為重要和 非重要兩類。為體現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流量的優(yōu)先級，本方案在宿主機物理網(wǎng)卡對應(yīng)虛擬交 換機的端口上做多個限速隊

7、列，共享物理帶寬，通過隊列的帶寬的大小實現(xiàn)不同虛擬機業(yè)務(wù)種類優(yōu)先級的區(qū)分。業(yè)務(wù)流量 通過 SDN 控制器將形成個性化流表，決策業(yè)務(wù)流匹配至不同隊列，并下發(fā)至交換機。本方案在為虛擬機業(yè)務(wù)流量提供QoS保障的同時，盡可能提高鏈路利用率。故需滿足以下情況： 優(yōu)先保證重要業(yè)務(wù)的帶寬，即不同種類業(yè)務(wù)競爭網(wǎng)絡(luò)資源時，重要業(yè)務(wù)將盡可能 占滿帶寬，非重要業(yè)務(wù)不參與競爭。 系統(tǒng)當(dāng)前出現(xiàn)重要業(yè)務(wù)流量低谷時，非重要業(yè)務(wù)如若需要更多帶寬， 系統(tǒng)將動態(tài) 對隊列帶寬動態(tài)調(diào)整，以滿足非重要業(yè)務(wù)帶寬需求。 重要業(yè)務(wù)占滿物理帶寬時，重要業(yè)務(wù)之間也會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源競爭的情況，按虛擬 機所屬用戶的類別保障其業(yè)務(wù) QoS，即重要用戶的

8、虛擬機的重要業(yè)務(wù)將獲得更多帶寬資源。因此，本應(yīng)用提出基于分級的虛擬機流量業(yè)務(wù) QoS 保障解決方案，兩級保障如下： 基于業(yè)務(wù)的帶寬保障對端口設(shè)置隊列，在隊列上做帶寬限制，將業(yè)務(wù)分類并映射到隊列中，隊列具 備優(yōu)先級，重要的應(yīng)用映射到優(yōu)先級最高的隊列中，優(yōu)先級最高的隊列中的服務(wù)將優(yōu)先被保障，也就是說，優(yōu)先級最高的隊列在其需要最大帶寬時將獲得默認最大帶 寬的權(quán)利。為提供業(yè)務(wù)的帶寬保障，本方案設(shè)計了基于實時流量的端口隊列帶寬動 態(tài)調(diào)整算法。 基于虛擬機的帶寬保障當(dāng)端口上的所有隊列帶寬比趨于穩(wěn)態(tài)，并且每個隊列帶寬占用率處于飽和時，在相同隊列里按不同虛擬機業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級做QoS保障，重要用戶的虛擬機將擁有

9、更多的帶寬。為提供虛擬機的帶寬保障，本方案設(shè)計了基于流的細粒度QoS保障策略。4.系統(tǒng)設(shè)計虛擬機流量數(shù)據(jù)包發(fā)送至虛擬交換機，若無流表匹配，則發(fā)至控制器。控制器截獲 Packet-in 消息，根據(jù)特征庫分析其業(yè)務(wù)類型，決定轉(zhuǎn)發(fā)至不同優(yōu)先級的端口隊列，監(jiān)控端口隊列流量情況，綜合虛擬機類別，決策是否對業(yè)務(wù)流限速，同時生成個性化流表下發(fā)至虛擬交換機。個性化流表下發(fā)模塊接收到從openflow交換機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包分析其業(yè)務(wù)類型，進而調(diào)度到不同的隊列，從而實現(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地址為的虛擬機向位于不同計算節(jié)點的IP地址為10.0.0

10、.2的虛擬機發(fā)送 Http 請求時，此時下 發(fā)模塊會解析數(shù)據(jù)包，判斷其業(yè)務(wù)類型，從而在轉(zhuǎn)發(fā)路徑的節(jié)點下發(fā)流表，規(guī)劃流量的轉(zhuǎn)發(fā)細節(jié)。隊列帶寬動態(tài)調(diào)整模塊主要負責(zé)對隊列端口流量的實時監(jiān)控， 其主要實現(xiàn)一個 簡單帶寬協(xié)商自適應(yīng)算法，達到云中心重要業(yè)務(wù)優(yōu)先保障的目的。業(yè)務(wù)流帶寬動態(tài)調(diào)整模塊主要解決當(dāng)重要端口隊列占滿物理帶寬時，根據(jù)用戶虛擬機的優(yōu)先級對若干業(yè)務(wù)流進行限速，重要級別低的若干虛擬機業(yè)務(wù)流將被限速。動態(tài)策略管理模塊主要負責(zé)維護多種QoS策略的動態(tài)加載和刪除。網(wǎng)絡(luò)管理人 員可以根據(jù)業(yè)務(wù)的變化隨時添加和刪除自定義的QoS策略，即時生效。同一服務(wù)在 不同計算節(jié)點不同用戶的 SLA 需求不同,同一服務(wù)在不同