CN102972080A - 用于网络虚拟化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

当前可用的网络虚拟化解决方案被特别地调整，用于由具有非常大的处理功率和存储空间的节点组成的有线网络。本发明涉及被特别地调整以适于无线网络的新颖的虚拟化网络框架。这种网络框架给无线互联网服务供应商提供有效的虚拟化解决方案，允许生产业务与可变数量的网络片段共享可用网络资源的一部分，其中，新颖的解决方案，例如新的路由协议、服务或网络操作工具，能够在严格受控的但又是现实的环境中被实验性地测试。

Description

用于网络虚拟化的方法和系统

发明领域

本发明涉及网络虚拟化的领域。

发明背景

网络虚拟化当前被认为是在今天的网络中实现创新的最有前途的方式之一。一般来说，网络虚拟化能够被视为用于多个应用的基础手段，所述多个应用为：

-评价在大规模现实环境中的新的、非必须的向后兼容的互联网体系结构，从而帮助克服当前的互联网僵化问题；

-通过将物理基础架构的供给与通信/计算资源的供给脱钩，来改变互联网供应商的功能角色和商业模式。以这种方式，其允许引入新的参与者：例如基础架构供应商、虚拟网络供应商和服务供应商，最终改善了这一部分的竞争；

-通过将新颖的服务从已经部署的应用中分离，允许在操作网络中流畅和受控地引入这些新颖的服务，从而提升了电信网络中的创新；

-在基础架构中移动节点和服务的逻辑实体，从而最优化网络性能并最小化操作开销。作为例子，将服务移近用户可以导致物理网络的功率消耗的降低，因而限制了网络的碳排放量。

网络虚拟化包括通过将公共物理网络基础架构分成若干个逻辑网络实例（通常称为“片段(slice)”）而有效地共享公共物理网络基础架构的方法和技术，其中，逻辑网络实例由虚拟节点（“分片(sliver)”）和虚拟链路组成[1，2]。

逻辑网络实例之间的相互作用可以由适当的软件和硬件组件来控制。与供应商当今提出的“逻辑路由器”的概念相比较，在网络虚拟化中，片段中的虚拟节点是完全可编程的，以允许网络实例的实例化，其中新颖的基础架构或服务（可能从常规的基于IP的基础架构分离）能够在将其投入生产之前，在受控的环境中被测试。

当前提出的网络虚拟化解决方案通常针对由具有非常大的处理功率和存储空间的节点组成的有线网络来调整(PlanetLab[3],VIN[4],G-Lab[5])。另一方面，通常少有已进行的、关于资源受限环境的研究，且特别是关于多跳无线网络的研究。此外，其主要关注于不同的无线媒介虚拟化技术在隔离和稳定性方面如何影响全部网络片段性能[6，7]。这样的解决方案不适于由无线互联网服务供应商（WISP）使用，其想要允许生产业务(production traffic)与可变数量的网络片段共享可用网络资源的一部分，其中，新颖的解决方案能够在严格受控的但又是现实的环境中被实验性地测试。在这种场景下，生产业务必须指派在其中信道带宽和节点处理等网络资源被保证的具有特权的片段上，这对于运行实验性测试的其它片段有损害。本发明提供了对于这些需求的解决方案。

附图简述

图1：网络虚拟化的简化的部署场景。

图2：网络级配置：具有共享公共物理基础结构的一个生产片段和一个实验性片段的示例。

图3a：示出带宽划分装置操作原则的流程图。

图3b：示出实际数据包传输程序的流程图。

图4a-4d：示出软件路由器输出和输入数据包的步骤的流程图。

图5：支持本发明的网络虚拟化方案的网络节点的示意图示。

图6：在无线链路质量恶化的条件下的场景中的三个片段的性能。

本发明的详细描述

无线网络中的网络虚拟化需要解决两个附加的主要问题：

（i）如何隔离属于同时共存的网络片段的无线资源，以确保其间最小的干扰，以及

（ii）如何控制无线资源利用，以确保一个片段不侵犯另一个片段的资源。

这些问题通过如权利要求1所述的方法和如权利要求12所述的系统来解决。

已经提出的若干项技术来保证在同时共存的片段中的无线资源的隔离[14]：

-SDM（空分复用），其中物理的无线节点在空间中被划分，形成分立的子网络，因而将不同片段间的干扰最小化。

-FDM（频分复用），其中，通过平衡在每个网络节点上的多个无线接口的可用性，在频域中划分不同的片段。

-CDM（码分复用），类似于FDM，只是给每个片段指派不同的码。

-TDM（时分复用），其中，通过针对片段的通信需要而指派给片段具体的时隙，在时域内划分这些片段。

虽然关于这些方式中的每一个（或其组合）的灵活性以及其利弊的研究已经在文献[6，7]中提出，不过其无法通过在网络中对无线和节点资源的使用的良好控制来解决在多跳的无线网络中的同时共存的片段间的有效隔离的问题。

特别地，本发明获得了一定程度的灵活性，没有一种以单独的方式使用的前述技术能够获得这种灵活性。此外，本发明目标在于提供一种方法，以确保享有特权的片段（通常是承载生产业务的一个片段）能够具有得到保证的资源，而从事实验活动的片段可以共享剩余的（可能是时变的）网络资源。

下文中，介绍了涉及具体被调整以适应多跳无线网络的新颖的虚拟化网络构架的本发明的特定实施方式。与在诸如FEDERICA[8],AKARI[9]或GENI[10]的项目中所使用的传统的载波类联网设备相比较，这种网络通常使用商品部件来构建，并且以相当地受限的计算能力为特征。

到目前为止，所设计的大部分的网络虚拟化体系结构[8,9,10]目标在于，在真实世界的网络上提供其中实验能够并行运行的多个隔离的环境。另一方面，本发明提供给无线网络操作者综合的虚拟化解决方案，其中生产业务（即，由端用户产生的业务）与可变数量的实验片段共享部分可用网络资源，在实验片段中测试新颖的解决方案例如路由协议。

图1描绘了简化的设置，其中由组织为串列状拓扑的三个节点构成的网络正运行三个不同的片段：一个生产片段（A）以及两个实验片段（B和C）。在此场景中，链路是对称的，且其容量假定为时变的。而且，网状路由器装配有单个无线电接口，然而本发明还能够在多载波/多信道设置中以变动的容量处理不对称链路。

在此简化的场景中，生产片段A被分配了网络中80%的资源，而两个实验片段均等地分享剩余的20%的资源。本体系结构预见一个场景，其中5到10个片段共享整个网络资源。这种限制由计算和存储约束所要求，其特征在于当前使用无线多跳联网设备，但可以在将来被扩大。

业务整形在每个节点处施行，以便限制每个分片所使用的网络资源量。在该简化的设置中，每个分片能够使用的资源由固定的阈值设定上限，所述阈值由在规划阶段给出的相对性能目标得出。因此，片段A“看见”在节点1和节点2之间的800Kb/s双向链路，同时节点2和节点3之间的可用带宽为1600Kb/s。在该设置中，某些带宽是自动被留下来未使用的。然而，也支持其中分片能够充分使用全部可用带宽的场景。

图2描绘了可能的使用情况，其中利用固定形式的路由协议的生产片段与实验片段并行运行，实验片段中新颖的路由策略被测试。在此场景中，链路代理（Link Broker）用于将两种不同的连接图(connectivity graph)公开给两个可用的网络片段（生产和实验）。另一方面，带宽划分装置用于在竞争的片段中重新分配可用的链路带宽，即，80%的全部网络容量给生产片段，20%的全部网络容量给实验片段。请注意，最小网络带宽例如1Mb/s能够也被分配给生产片段。

节点级体系结构

下文中，详细描述了本发明节点的体系结构（见图5）。本发明依赖于能够提供性能隔离和资源管理的虚拟化解决方案，例如OpenVZ[12]。优选基于容器的虚拟化解决方案，因为它们提供了减小的开销和更好的性能。它们还提供良好的性能隔离（关于CPU循环、内存消耗、及存储），因为在容器内部运行的进程与在主机系统内部运行的进程并无显著不同。基于容器的虚拟化解决方案的主要弊端在于，由于单个内核用于每个分片，不允许内核修正。

由于后一项限制，本发明的一个实施方式使用了用户空间中新的无线网络虚拟化栈，其使用软件路由器，例如单击模块化路由器[13]。虽然与纯粹的内核级实现相比较其特征在于更高的开销，但是基于软件路由器例如单击模块化路由器的解决方案具有更加可定制的优势，允许避开基于典型的容器的解决方案的灵活性限制[14]。

在每个分片（客户软件路由器）中以及在主机操作系统级别（主机软件路由器）都使用软件路由器。更具体地，在分片中运行的软件路由器实例提供了客户环境，具有一组虚拟接口(ath0，ath1，…athN)，其实现为Linux TAP设备。TAP设备在传统的ISO/OSI网络栈的第二层操作，并模拟以太网设备。

运行在分片内的用户空间进程能够利用虚拟接口来实现它们的路由策略。虚拟接口上的通信能够使用两种不同的帧格式来进行。

·802．3首部（以太网）。用于展示标准以太网接口。

·802．11首部。用于展示原始的无线接口。在此情况下，用户空间应用必须使用radiotap首部格式来适当地封装其业务。radiotap首部格式是提供关于802．11帧的、从驱动器到用户空间应用以及从用户空间应用到驱动器的、用于通信的额外信息的机制。

在任一种情况下，输出的业务由客户软件路由器封装，并通过由虚拟容器提供的虚拟接口ath0被发送至主机软件路由器进程。如果用户空间应用已经在使用radiotap首部，客户单击进程不执行额外的封装，并且帧未加改变地被递送至主机操作系统。主机软件路由器进程接收进入的帧，并按照由链路代理和带宽划分装置维持的一组策略将其分派给合适的设备。

链路代理是软件模块，其能够展示不同的连接图给各种分片，而无需节点必须被物理地分开（即，在无线电范围之外）。连接图根据每一片段被定义，允许我们为每一片段定义不同的拓扑。对于在节点子集上测试新颖的路由策略，这特别有用。此外，如果无线路由器被装备有多个无线电接口，则可能产生操作于正交频带上的多个片段（其基数等于无线电接口的数量），因此实现了FDM无线网络虚拟化解决方案。还支持其中仅分片的一个子集操作于正交频率的混合解决方案。虽然网络连接图在部署时间被定义，不过它们在操作期间可以改变，从而产生模拟不同操作条件（即，链路故障/中断）的连接场景。

链路容量估计

由于使用共享媒介，估计无线链路的容量并非不重要。来自外部源的干扰改变了传播特性，或者来自沿不同路径传播的相同信号的干扰使得链路的总容量随时间波动。即使我们限于关注使用IEEE802.11标准的设备实现的通信，从接入点到一般站点的链路容量的理想估计应考虑（在接收站点测量到的）数据帧SNR和（在接入点测量到的）ACK帧SNR。

如果不引入额外的信令和/或修改标准IEEE802.11MAC操作，难以获得这样级别的精度。

在一个实施方式中，本发明使用评估链路的总容量的非直接方式，这基于在当前IEEE802.11设备中已可利用的与传输速率自适应相关的功能。特别地，该算法收集了已经被传送的所有数据包的统计数据。

软性能隔离

分片之间的软性能隔离通过调度装置来提供（例如由Linux内核2.6.x支持的分层令牌桶(HTB)[15]），其能够实现精确的业务整形策略。HTB以树型结构组织业务类，每一类被分配平均速率（速率）和最大速率（最高限度）。三种类的类型为：根、中部、叶。根类对应于物理链路，其带宽是一个当前可用于传输的带宽。叶类置于层次结构的底部，对应于给定类型的业务（例如，TCP受控的或VoIP等等）。对每一类维持两个内部令牌桶。未超过其速率的类能够被无条件地传输，超过其允许速率但未超过其上限（最高限度）的类仅能够（如果可能，从其它类）借用未使用的带宽来传输。为了借用带宽，在树中向上传播请求。超过最高限度的请求将被终止。满足允许速率的请求将被接受。不满足允许速率限制但满足最高限度的请求将被向上传播，直到程序完成。

由于无线链路容量的随机特性，HTB调度装置独自不能在无线网络中在竞争的业务流之间递送性能公正。为了在本发明中解决此问题，引入了带宽划分装置。

该带宽划分装置组件利用通过无线网络接口卡（WNIC）驱动器收集的本地信道统计数据，来估计当前可用链路带宽，并基于一组预定策略在不同的分片之间划分带宽。这种信息随即被传递给资源代理，其将该信息与一组用户定义的策略相结合，以便产生配置模板给调度装置，即，HTB调度装置。资源代理被实现为软件或硬件形式，其在每个无线路由器内部运行，并周期性地更新调度装置配置，以便反映实际的信道容量。如果在网络上部署了一新的片段或者策略已发生变化，调度装置配置也被更新。

下文详细描述本发明的带宽划分和速率适配的各种实现。

图3A是示出带宽划分装置操作（图5中的128）的步骤的流程图。参考图3A，显示了流程图*210*。在开始步骤后，在步骤*212*中，信道监控进程可以从图5中的无线NIC124读取无线信道统计数据，并且，在步骤*216*中，可以在图5中的预先定义的策略130的基础上，更新被指派给图5中的每类链路调度装置122的带宽。在步骤*216*之后，流程图*210*中的进程可以行进至结束步骤。进程*210*可每隔固定或可变的时间段重复。

图3B是示出根据本发明的实施方式的数据包传输步骤的流程图。参考图3B，显示了流程图*220*。在开始步骤后，在步骤*222*中，当传输数据包从虚拟节点进入传输队列时，在步骤*224*中，其可被指派给链接到该发送虚拟节点的链路调度装置类。根据由进程*210*指派给该类的带宽，在步骤*226*中，数据包可被发送给图5中的无线NIC124，且在步骤*228*中最终发送至网络。在步骤*228*后，流程图*220*中的进程可以行进至结束步骤。

图4A是示出图5中软件路由器138输出业务的步骤的流程图。参考图4A，显示了流程图*310*。在开始步骤*312*之后，软件路由器等待来自网络层的输出数据帧的到来。帧随后从输入接口athN（*140*）被读取。如果接口被配置成原始模式，则输出帧被封装进以太网II首部（326），然后被分派给eth0（140）接口（328）。如果接口未配置成原始模式，软件路由器选择传输速率和调制方案（316），选择传输功率（318），决定是否必须使用RTS/CTS程序（320），封装帧到802.11首部中（324），并随即封装到radiotap首部中（326），然后递送所得到的帧到模块326。

图4B是示出图5中软件路由器138输入业务的步骤的流程图。参考图4B，显示了流程图*330*。在开始步骤*332*之后，软件路由器等待来自接口eth0的输入数据帧的到来（332）。路由器随后从以太网II首部解封装帧（324），并检查帧是否损坏（326）。软件路由器读取帧的目的地址。如果该帧被寻址的接口配置为原始模式，则该帧被分配给适当的athN接口（348）。否则，软件路由器处理传输反馈信息（338），丢弃非数据帧（340），将帧从radiotap首部（342）和802.11首部（344）解封装。所得到的帧被分派给模块348。

图4C是示出图5中软件路由器132输出业务的步骤的流程图。参考图3C，显示了流程图*350*。在开始步骤*352*之后，软件路由器从接口tapN（图5中136）接收输出帧（352）。软件路由器随即从以太网II首部（354）读取源地址（SA）和目的地址（DA），并将帧从以太网II首部（356）解封装。软件路由器向链路代理（图1中134）查询从DA到SA的链路走向。如果链路在链路代理缓存中可得，则帧被分派给适当的接口（362）；否则，链路被静默地放弃，且不再采取进一步行动（358）。

图4D是示出图5中软件路由器132输入业务的步骤的流程图。参考图4D，显示了流程图*370*。在开始步骤*372*之后，软件路由器从接口athN（144）接收输入帧（372）。软件路由器随即从帧中读取源地址（SA）和目的地址（DA）。软件路由器向链路代理（图5中134）查询从DA到SA的链路走向。如果链路在链路代理缓存中可得，则帧被封装到以太网II首部（378）并分派给适当的接口（380）；否则，链路被静默地放弃，且不再采取进一步行动（376）。

为了展示本发明在具有挑战性的环境中保持生产业务的效果，设置了下面的实验性场景：两个无线节点，每个运行三个分片，共享相同的无线链路。链路质量的变化通过逐步地移开两个节点来模拟，以便模拟恶化的信道质量情况。在两个节点间产生连续的UDP流，其速率使得无线链路总是处于饱和。

两个具有特权的片段（#1和#2）被定义。这两个片段都比第三个片段具有更高的传输优先权，并且最小的受保证的输出带宽分别设置为5Mb/s和3Mb/s。第三个片段不具有受保证的带宽（这模拟WISP，该WISP具有用于生产业务的片段#1，以及其余的片段#2和#3，片段#2和#3分别用于测试新颖的视频流业务并用于网络管理和监控）。图6中描绘出的结果示出了在不同的可用无线链路容量情况下的每一片段的吞吐量图示。如所能够看到的，本发明保证了片段#1和片段#2的吞吐量只是轻微地受到无线链路情况的影响，其对于片段#3有损害，以此方式解决了多跳无线环境中有效虚拟化的问题。

参考文献

1.N.M.K.Chowdhury and R.Boutaba,"网络虚拟化：技术及研究挑战的现状（Network Virtualization:State of the Art and Research Challenges）"IEEE通信期刊,2009年7月.

2."关于无线、移动及传感器网络综述的技术文件（Technical Document onOverview Wireless,Mobile and Sensor Networks）"The GENI项目办公室,Tech.Rep.GDD-06-14,2006年.

3.行星实验室项目,http://www.planet-lab.org.

4.VINI项目,http://www.vini-veritas.net.

5.德国实验室项目,http://www.german-lab.de/.

6.G.Smith,A.Chaturvedi,A.Mishra,和S.Banerjee,"商用802.11硬件的无线虚拟化（Wireless Virtualization on Commodity 802.11 Hardware）"，Proc.of ACM WinTECH,蒙特利尔,魁北克,加拿大,2007年.

7.R.Mahindra,G.Bhanage,G.Hadjichristo,I.Seskar,D.Raychaudhuri,和Y.Zhang,"室内网格中用于无线虚拟化的空时分离（SpaceVersus Time Separation for wireless virtualization On an Indoor Grid）"，Proc.of EURO NGI,克拉科夫,波兰,2008年.

8.FEDERICA项目,http://www.fp7-federica.eu.

9.AKARI项目,http://akari-project.nict.go.jp.

10.GENI项目,http://www.geni.net.

11.Linux无线,http://linuxwireless.org/.

12.OpenVZ，http://openvz.org/.

13.E.Kohler,R.Morris,B.Chen,J.Jannotti,和M.F.Kaashoek,"单击模块路由器（The Click modular router）"计算机系统ACM学报18卷3册,263页-297页,2000年8月.

14.A.Nakao,R.Ozaki,和Y.Nishida,"核心实验室：使用主机托管虚拟机监控的新兴网络实验台（Corelab:An emerging network testbed employinghosted virtual machine monitor）"，Proc.of ACM ROADS,马德里,西班牙,2008年.

15.Linux的HTB调度装置,http://luxik.cdi.cz/~devik/qos/htb/。

Claims (15)

1.一种提供无线网络虚拟化的方法，包括：

-使用带宽划分装置在虚拟节点间分配可用带宽，

-使用TAP协议为每个虚拟节点提供一组虚拟接口，

所述方法特征在于还包括使用链路代理模块来在相同的物理基础架构内共存的网络片段间自适应地提供彻底的无线电隔离，使得数据帧被分派至适当的虚拟节点。

2.如权利要求1所述的方法，其中数据帧也从所述虚拟节点被分派至所述物理基础架构上的适当接口。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述网络是多跳网络。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述带宽划分装置从无线NIC获知无线信道统计数据，并更新指派给每类所述链路代理的带宽。

5.如权利要求4所述的方法，其中，根据由所述带宽划分装置指派的所述带宽，数据包传输被指派给链接到虚拟节点的链路调度装置类。

6.如权利要求5所述的方法，其中另外的软件路由器选择传输速率、调制方案、传输功率以及RTS/CTS程序的使用，以递送所述数据帧。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述链路代理模块还基于预先要求的策略来为不同的网络片段限定不同的连接图。

8.如权利要求7所述的方法，其中用于不同网络片段的所述连接图的节点未被物理地分离。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述在虚拟节点间分配可用带宽是依据实际的无线信道条件和一组用户定义的策略来实现的。

10.如权利要求9所述的方法，其中，如果以站模式或主控模式工作的标准IEEE 802.11设备面临一个或更多客户操作系统，则所述TAP协议驱动底层物理适配器。

11.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，用于执行如权利要求1-10所述的方法。

12.一种用于提供无线网络虚拟化的系统，包括：

-带宽划分装置，其用于在虚拟节点间分配可用带宽，

-能够运行TAP协议以为每个虚拟节点提供一组虚拟接口的设备，

所述系统特征在于还包括链路代理，该链路代理用于在相同的物理基础架构内共存的网络片段间自适应地提供彻底的无线电隔离，使得数据帧被分派至适当的虚拟节点，且数据帧也从所述虚拟节点被分派至所述物理基础架构上的适当接口。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述带宽划分装置从无线NIC获知无线信道统计数据，并更新指派给每类所述链路代理的带宽；

根据由所述带宽划分装置指派的所述带宽，数据包传输被指派给链接到虚拟节点的链路调度装置类；

路由器选择传输速率、调制方案、传输功率以及RTS/CTS程序的使用，以递送所述数据帧。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述链路代理还基于预先要求的策略来为不同的网络片段限定不同的连接图。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述在虚拟节点间分配可用带宽是依据实际的无线信道条件和一组用户定义的策略来实现的，且其中，如果以站模式或主控模式工作的标准IEEE 802.11设备面临一个或更多客户操作系统，则所述TAP协议驱动底层物理适配器。

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