CN103747059A - 一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云计算服务器集群网络保障方法，包括：虚拟机资源分配管理模块对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化，请求调度管理模块接收租户提交的创建服务请求，根据虚拟机资源分配管理模块中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器，虚拟机资源分配管理模块根据请求调度管理模块中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新。本发明通过提出的网络资源预留和调节方案，不仅保障了租户的网络资源间的隔离性，而且提高了网络资源的利用率。

Description

一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法和系统

技术领域

本发明属于计算系统虚拟化技术领域，更具体地，涉及一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法和系统。

背景技术

云计算改变了应用程序创建和运行的方式，采用基础设施即服务（IaaS）模式，租户将计算和软件部署在第三方的基础设施，并按需付费。在云计算的环境中，租户将各自的应用部署在共享环境中。每个租户的服务由部署在服务器集群上的虚拟机组成。由于租户之间彼此是不可信任的，在共享服务器集群里，云计算需要提供不可信的租户之间的性能保障，然而现有的机制缺乏对服务器集群网络I/O资源的性能保障。

不同于CPU和内存，网络资源比较难于管理。因为它是分布式资源。每台虚拟机的网络资源分配不仅与同一台服务器上的虚拟机相关，而且也与同该虚拟机通信的其他虚拟机相关。同一台服务器上的虚拟机彼此竞争链路带宽，而与其通信的虚拟机则影响该虚拟机的网络实际使用情况；此外，传统网络的TCP拥塞控制只能提供尽力服务（Best-effort），其仅仅能实现网络流之间的公平，而非租户虚拟机之间的公平。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法和系统，其目的在于，使得现有服务器集群能够满足多租户之间的通讯带宽需求，保证租户虚拟机基本使用带宽，并通过服务器集群全局网络资源统一管理结合资源预留、考虑网络需求的服务部署、采样实时监控和实时调整租户网络利用率，在为租户提供最小网络带宽保障的同时，充分利用空闲带宽，提高网络资源的利用率，为租户在服务器集群提供网络隔离，保障稳定网络资源环境。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障系统，包括请求调度管理模块、虚拟机资源分配管理模块、以及虚拟机网络资源调度管理模块，虚拟机资源分配管理模块用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化，请求调度管理模块用于接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器，虚拟机资源分配管理模块还用于根据请求调度管理模块中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽，虚拟机网络资源调度模块用于实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

优选地，请求调度管理模块包括请求接口交互子模块、消息队列子模块、请求调度处理子模块、以及服务请求资源分配子模块，虚拟机资源分配管理模块包括集群网络拓扑管理子模块、服务器机资源管理子模块、虚拟机通信状态子模块、虚拟机网桥管理子模块、集群放置策略调度子模块、虚拟机放置子模块、通信速率管理子模块、以及网络资源调度子模块，虚拟机网络资源调度模块包括虚拟机通信监控子模块、通讯速率反馈子模块、策略调度子模块、节流策略子模块、放弃策略子模块、以及策略执行子模块。

优选地，请求接口交互子模块用于获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息，B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽，请求调度处理子模块用于判断消息队列子模块中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入服务请求资源分配子模块，服务请求资源分配子模块用于根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

优选地，集群网络拓扑管理子模块用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化，集群放置策略调度子模块用于根据请求调度管理模块放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额，虚拟机放置子模块用于根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机，虚拟机通信状态子模块用于在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率，虚拟机网桥管理子模块用于在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号，虚拟机放置子模块用于向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求，网络资源调度子模块用于接收来自虚拟机放置子模块的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块，通信速率管理子模块用于根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块的初始化参数设定该网桥的通信速率。

优选地，虚拟机通信监控子模块用于监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块，通讯速率反馈子模块用于根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块，并将监控结果反馈给策略调度子模块，策略调度子模块用于根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则判断上行带宽是否超过阈值，如果是则分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，否则判断虚拟机的通信速率是否接近阈值，如果接近，则判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，如果不接近阈值则判断虚拟机速率是否低于步骤阈值的70%，如果是则将放弃请求发送到放弃策略子模块；如果是下行则判断下行带宽是否达到阈值，如果达到则将节流请求发送到节流策略子模块，放弃策略子模块用于根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源，节流策略子模块用于根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案，策略执行子模块用于将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用在云计算服务器集群网络保障系统中的云计算服务器集群网络保障方法，该方法包括以下步骤：

（1）虚拟机资源分配管理模块对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化；

（2）请求调度管理模块接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器；

（3）虚拟机资源分配管理模块根据请求调度管理模块中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽；

（4）虚拟机网络资源调度模块实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

优选地，步骤（2）包括以下子步骤：

（2-1）请求接口交互子模块获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息，B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽；

（2-2）请求调度处理子模块判断消息队列子模块中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入步骤（2-3），否则过程结束；

（2-3）服务请求资源分配子模块根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后转入步骤（2-4），否则过程结束；

（2-4）服务请求资源分配子模块判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则转入步骤（2-5），否则过程结束；

（2-5）服务请求资源分配子模块确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

优选地，步骤（2-3）包括以下子步骤：

（2-3-1）判断是否可在服务器集群中找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到则转入步骤（2-3-2），否则转入步骤（2-3-4）；

（2-3-2）根据带宽请求矩阵B并利用无向图最小割算法将虚拟机集群分割为两个虚拟机组；

（2-3-3）判断是否可分别为两个虚拟机组找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到，则过程结束，否则转入步骤（2-3-4）；

（2-3-4）确认虚拟机组与服务器组之间的对应关系，过程结束。

优选地，步骤（3）包括以下子步骤：

（3-1）集群放置策略调度子模块根据请求调度管理模块放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额；

（3-2）虚拟机放置子模块根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机；

（3-3）虚拟机通信状态子模块在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率；

（3-4）虚拟机网桥管理子模块在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号；

（3-5）虚拟机放置子模块向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求；

（3-6）网络资源调度子模块接收来自虚拟机放置子模块的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块；

（3-7）通信速率管理子模块根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块的初始化参数设定该网桥的通信速率。

优选地，步骤（4）包括以下子步骤：

（4-1）虚拟机通信监控子模块监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块；

（4-2）通讯速率反馈子模块根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块，并将监控结果反馈给策略调度子模块；

（4-3）策略调度子模块根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则转入步骤（4-4），如果是下行则转入步骤（4-13）；

（4-4）策略调度子模块判断上行带宽是否超过阈值，如果是则转入步骤（4-5），否则转入步骤（4-7）；

（4-5）策略调度子模块分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤（4-6），否则过程结束；

（4-6）策略调度子模块释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-7）策略调度子模块判断虚拟机的通信速率是否接近步骤（4-4）中的阈值，如果接近，则表示达到上行带宽设定的饱和状态，然后转入步骤（4-8），否则转入步骤（4-10）；

（4-8）策略调度子模块判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则转入步骤（4-9），否则过程结束；

（4-9）策略调度子模块根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-10）策略调度子模块判断虚拟机速率是否低于步骤（4-4）中阈值的70%，如果是则转入步骤（4-11），否则过程结束；

（4-11）策略调度子模块将放弃请求发送到放弃策略子模块；

（4-12）放弃策略子模块根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源，然后转入步骤（4-16）；

（4-13）策略调度子模块判断下行带宽是否达到步骤（4-4）中的阈值，如果达到则转入步骤（4-14），否则过程结束；

（4-14）策略调度子模块将节流请求发送到节流策略子模块；

（4-15）节流策略子模块根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案；

（4-16）策略执行子模块将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器；

（4-17）该虚拟机所在服务器的策略执行子模块将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块；

（4-18）该服务器机上的网络资源调度子模块根据处理结果调整虚拟机网络资源的配额。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、由于采用了步骤（3），在创建虚拟机的同时，为虚拟机设定通信速率，保障每台虚拟机可用的网络通信带宽，因此本发明使得现有服务器集群能够满足多租户之间的通讯带宽需求，保证租户虚拟机基本使用带宽全局网络资源管理：

2、由于采用了步骤（4），将虚拟机未使用的空闲链路带宽增加给在相同服务器机上其他虚拟机的可用带宽，因此本发明能够全局提高网络资源的利用率。

3、由于采用了步骤（3），关于虚拟机的监控和虚拟机的速率控制都在服务器层完成，因此本发明兼容性好，能够支持不同的虚拟机化技术，例如KVM、Xen等。

4、由于采用了步骤（3），虚拟机通信速率的监控通过采样的方式完成，因此本发明能够满足高速通信情况下的数据监控，并降低了系统对网络资源的开销。

5、本发明所有的功能在服务器上完成，没有采用任何类似探针的方式侵入虚拟机内部，保证了租户虚拟机的隐私的安全性。

6、本发明能够满足服务器房基础设施的可扩展性要求，能够很方便的在扩展的基础设施进行部署。

附图说明

图1是本发明面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法的流程图。

图2是本发明面向多租户的云计算服务器集群网络保障系统的模块框图。

图3是本发明方法中步骤（2）的细化流程图。

图4是本发明方法中步骤（3）的细化流程图。

图5是本发明方法中步骤（4）的细化流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明面向多租户的云计算服务器集群网络保障方法是应用在一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障系统中，该系统包括请求调度管理模块1、虚拟机资源分配管理模块2、以及虚拟机网络资源调度管理模块3，请求调度管理模块1包括请求接口交互子模块11、消息队列子模块12、请求调度处理子模块13、以及服务请求资源分配子模块14，虚拟机资源分配管理模块2包括集群网络拓扑管理子模块21、服务器机资源管理子模块22、虚拟机通信状态子模块23、虚拟机网桥管理子模块24、集群放置策略调度子模块25、虚拟机放置子模块26、通信速率管理子模块27、以及网络资源调度子模块28，虚拟机网络资源调度模块包括虚拟机通信监控子模块31、通讯速率反馈子模块32、策略调度子模块33、节流策略子模块34、放弃策略子模块35、以及策略执行子模块36，该方法包括以下步骤：

（1）虚拟机资源分配管理模块2对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化；具体而言，计算和存储资源包括CPU、内存和磁盘容量，具体是由虚拟机资源分配管理模块2中的集群网络拓扑管理子模块21执行本步骤；

（2）请求调度管理模块1接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块2中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器；

本步骤的优点在于，相比于传统的租户请求，在考虑网络资源需求的情况下，通过三元组的描述方式，使得租户能够很方便的描述虚拟机集群的资源请求；相比于传统的负载均衡的虚拟机放置方法，在考虑网络资源需求下，能够提高服务器集群网络资源的利用率。

（3）虚拟机资源分配管理模块2根据请求调度管理模块1中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽；

本步骤的优点在于，能够根据租户的网络通信速率需求，在服务器上实现虚拟机的通讯速率控制，保障租户虚拟机的最小使用带宽；并且根据虚拟机网桥动态的调整虚拟机的可用带宽。

（4）虚拟机网络资源调度模块3实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块2，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块2根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

本步骤的优点在于，通过采样的方式进行虚拟机通信速率监控，能够保障在高速网络下的速率监控；放弃策略使得空闲资源能够被其他虚拟机使用，提高网络资源的利用率；节流策略通过源端节流的方式，避免的下行链路的网络抢占。

如图3所示，本发明的步骤（2）包括以下子步骤：

（2-1）请求接口交互子模块11获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块12；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息（例如cpu、内存等），B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽；

（2-2）请求调度处理子模块13判断消息队列子模块12中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入步骤（2-3），否则过程结束；

（2-3）服务请求资源分配子模块14根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后转入步骤（2-4），否则过程结束；具体而言，本步骤包括以下子步骤：

（2-3-1）判断是否可在服务器集群中找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到则转入步骤（2-3-2），否则转入步骤（2-3-4）；具体而言，服务器组就是连接到相同的边缘交换机的服务器；

（2-3-2）根据带宽请求矩阵B并利用无向图最小割算法将虚拟机集群分割为两个虚拟机组；具体而言，虚拟机组就是构成虚拟机集群的虚拟机；

（2-3-3）判断是否可分别为两个虚拟机组找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到，则过程结束，否则转入步骤（2-3-4）；

（2-3-4）确认虚拟机组与服务器组之间的对应关系，过程结束；

（2-4）服务请求资源分配子模块14判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则转入步骤（2-5），否则过程结束；

（2-5）服务请求资源分配子模块14确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

如图4所示，本发明方法的步骤（3）包括以下子步骤：

（3-1）集群放置策略调度子模块25根据请求调度管理模块1放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额；

（3-2）虚拟机放置子模块26根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机；

（3-3）虚拟机通信状态子模块23在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率；

（3-4）虚拟机网桥管理子模块24在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号；

（3-5）虚拟机放置子模块22向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求；

（3-6）网络资源调度子模块28接收来自虚拟机放置子模块22的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块27；初始化参数包括虚拟机的名称、虚拟机的通信速率；

（3-7）通信速率管理子模块27根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块24中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块28的初始化参数设定该网桥的通信速率。

如图5所示，本发明方法的步骤（4）包括以下子步骤：

（4-1）虚拟机通信监控子模块31监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块32；监控结果包括虚拟机的通信速率、以及该虚拟机通信的源地址和目的地址；

（4-2）通讯速率反馈子模块32根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块23，并将监控结果反馈给策略调度子模块33；

（4-3）策略调度子模块33根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则转入步骤（4-4），如果是下行则转入步骤（4-13）；具体而言，如果监控结果中虚拟机通信的源地址是虚拟机的IP，则表示通信状态是上行，如果目的地址是虚拟机的IP，则表示通信状态为下行；

（4-4）策略调度子模块33判断上行带宽是否超过阈值，如果是则转入步骤（4-5），否则转入步骤（4-7）；具体而言，阈值等于带宽请求矩阵B中对应行元素的和；

（4-5）策略调度子模块33分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤（4-6），否则过程结束；

（4-6）策略调度子模块33释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-7）策略调度子模块33判断虚拟机的通信速率是否接近步骤（4-4）中的阈值，如果接近，则表示达到上行带宽设定的饱和状态，然后转入步骤（4-8），否则转入步骤（4-10）；

（4-8）策略调度子模块33判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则转入步骤（4-9），否则过程结束；

（4-9）策略调度子模块33根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-10）策略调度子模块33判断虚拟机速率是否低于步骤（4-4）中阈值的70%，如果是则转入步骤（4-11），否则过程结束；

（4-11）策略调度子模块33将放弃请求发送到放弃策略子模块35；

（4-12）放弃策略子模块35根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源，然后转入步骤（4-16）；

（4-13）策略调度子模块33判断下行带宽是否达到步骤（4-4）中的阈值，如果达到则转入步骤（4-14），否则过程结束；

（4-14）策略调度子模块33将节流请求发送到节流策略子模块34，

（4-15）节流策略子模块34根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案；具体而言，本步骤包括以下子步骤：

（4-15-1）确定虚拟机集群中与该虚拟机通信的所有虚拟机；

（4-15-2）统计确定的虚拟机的发送速率，以及每台虚拟机的发送速率与确定的所有虚拟机的发送速率之和之间的比例；

（4-15-3）将确定的所有虚拟机的发送速率降低步骤（4-15-2）所统计的对应比例；

（4-16）策略执行子模块33将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器；

（4-17）该虚拟机所在服务器的策略执行子模块36将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块28；

（4-18）该服务器机上的网络资源调度子模块28根据处理结果调整虚拟机网络资源的配额。

如图2所示，本发明面向多租户的云计算服务器集群网络保障系统包括请求调度管理模块1、虚拟机资源分配管理模块2、以及虚拟机网络资源调度管理模块3，请求调度管理模块1包括请求接口交互子模块11、消息队列子模块12、请求调度处理子模块13、以及服务请求资源分配子模块14。

虚拟机资源分配管理模块2包括集群网络拓扑管理子模块21、服务器机资源管理子模块22、虚拟机通信状态子模块23、虚拟机网桥管理子模块24、集群放置策略调度子模块25、虚拟机放置子模块26、通信速率管理子模块27、以及网络资源调度子模块28。

虚拟机网络资源调度模块包括虚拟机通信监控子模块31、通讯速率反馈子模块32、策略调度子模块33、节流策略子模块34、放弃策略子模块35、以及策略执行子模块36。

虚拟机资源分配管理模块2用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化。

请求调度管理模块1用于接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块2中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

虚拟机资源分配管理模块2还用于根据请求调度管理模块1中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽；

虚拟机网络资源调度模块3用于实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块2，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块2根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

请求接口交互子模块11用于获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块12；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息（例如cpu、内存等），B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽。

请求调度处理子模块13用于判断消息队列子模块12中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入服务请求资源分配子模块14。

服务请求资源分配子模块14用于根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

集群网络拓扑管理子模块21用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化。

集群放置策略调度子模块25用于根据请求调度管理模块1放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额。

虚拟机放置子模块26用于根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机。

虚拟机通信状态子模块23用于在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率；

虚拟机网桥管理子模块24用于在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号；

虚拟机放置子模块22用于向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求；

网络资源调度子模块28用于接收来自虚拟机放置子模块22的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块27；初始化参数包括虚拟机的名称、虚拟机的通信速率；

通信速率管理子模块27用于根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块24中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块28的初始化参数设定该网桥的通信速率。

虚拟机通信监控子模块31用于监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块32；监控结果包括虚拟机的通信速率、以及该虚拟机通信的源地址和目的地址。

通讯速率反馈子模块32用于根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块23，并将监控结果反馈给策略调度子模块33。

策略调度子模块33用于根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则判断上行带宽是否超过阈值，如果是则分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，否则判断虚拟机的通信速率是否接近阈值，如果接近，则判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，如果不接近阈值则判断虚拟机速率是否低于步骤阈值的70%，如果是则将放弃请求发送到放弃策略子模块35；如果是下行则判断下行带宽是否达到阈值，如果达到则将节流请求发送到节流策略子模块34。

放弃策略子模块35用于根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源。

节流策略子模块34用于根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案。

策略执行子模块36用于将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块28。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向多租户的云计算服务器集群网络保障系统，其特征在于，

包括请求调度管理模块、虚拟机资源分配管理模块、以及虚拟机网络资源调度管理模块；

虚拟机资源分配管理模块用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化

请求调度管理模块用于接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器；

虚拟机资源分配管理模块还用于根据请求调度管理模块中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽；

虚拟机网络资源调度模块用于实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

2.根据权利要求1所述的云计算服务器集群网络保障系统，其特征在于，

请求调度管理模块包括请求接口交互子模块、消息队列子模块、请求调度处理子模块、以及服务请求资源分配子模块；

虚拟机资源分配管理模块包括集群网络拓扑管理子模块、服务器机资源管理子模块、虚拟机通信状态子模块、虚拟机网桥管理子模块、集群放置策略调度子模块、虚拟机放置子模块、通信速率管理子模块、以及网络资源调度子模块；

虚拟机网络资源调度模块包括虚拟机通信监控子模块、通讯速率反馈子模块、策略调度子模块、节流策略子模块、放弃策略子模块、以及策略执行子模块。

3.根据权利要求2所述的云计算服务器集群网络保障系统，其特征在于，

请求接口交互子模块用于获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息，B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽；

请求调度处理子模块用于判断消息队列子模块中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入服务请求资源分配子模块；

服务请求资源分配子模块用于根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

4.根据权利要求3所述的云计算服务器集群网络保障系统，其特征在于，

集群网络拓扑管理子模块用于对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化；

集群放置策略调度子模块用于根据请求调度管理模块放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额；

虚拟机放置子模块用于根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机；

虚拟机通信状态子模块用于在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率；

虚拟机网桥管理子模块用于在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号；

虚拟机放置子模块用于向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求；

网络资源调度子模块用于接收来自虚拟机放置子模块的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块；

通信速率管理子模块用于根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块的初始化参数设定该网桥的通信速率。

5.根据权利要求4所述的云计算服务器集群网络保障系统，其特征在于，

虚拟机通信监控子模块用于监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块；

通讯速率反馈子模块用于根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块，并将监控结果反馈给策略调度子模块；

策略调度子模块用于根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则判断上行带宽是否超过阈值，如果是则分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，否则判断虚拟机的通信速率是否接近阈值，如果接近，则判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器，如果不接近阈值则判断虚拟机速率是否低于步骤阈值的70%，如果是则将放弃请求发送到放弃策略子模块；如果是下行则判断下行带宽是否达到阈值，如果达到则将节流请求发送到节流策略子模块；

放弃策略子模块用于根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源；

节流策略子模块用于根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案；

策略执行子模块用于将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块。

6.一种应用在权利要求1-5中任意一项所述云计算服务器集群网络保障系统中的云计算服务器集群网络保障方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）虚拟机资源分配管理模块对管理员提供的服务器集群网络拓扑、服务器集群计算和存储资源进行初始化；

（2）请求调度管理模块接收租户提交的创建服务请求，包括虚拟机集群所需的虚拟机数量、虚拟机计算和存储资源、以及虚拟机之间的通讯带宽，根据虚拟机资源分配管理模块中的服务器集群网络拓扑以及服务器集群计算和存储资源进行服务请求放置分析，以确定创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器；

（3）虚拟机资源分配管理模块根据请求调度管理模块中虚拟机放置的分析结果在虚拟机集群中虚拟机对应的服务器上创建虚拟机，对服务器集群计算和存储资源进行更新，并在虚拟机创建成功之后，添加新创建的虚拟机的通信状态和该虚拟机的网桥信息，并根据创建服务请求中虚拟机之间的通讯带宽以及虚拟机的网桥信息初始化新创建的虚拟机的网络带宽；

（4）虚拟机网络资源调度模块实时监控服务器集群中每台服务器机上虚拟机的通信速率，对通信速率进行持久化操作和分析，将结果反馈给虚拟机资源分配管理模块，并根据分析结果选择相关的策略，并通知虚拟机资源分配管理模块根据选择的策略更新创建的虚拟机的网络资源配额。

7.根据权利要求1所述的云计算服务器集群网络保障方法，其特征在于，步骤（2）包括以下子步骤：

（2-1）请求接口交互子模块获取用户提交的创建服务请求，对创建服务请求进行解析，以获取三元组格式的创建服务请求，并将三元组格式的创建服务请求发送到消息队列子模块；具体而言，三元组为<N，R，B>的格式，其中N表示服务部署所需虚拟机的数量，R表示元组，用于描述每台虚拟机的基本系统配置信息，B表示N*N规模的带宽请求矩阵，用于描述虚拟机之间的依赖关系和彼此间的通讯带宽；

（2-2）请求调度处理子模块判断消息队列子模块中是否有等待处理的创建服务请求，若存在则转入步骤（2-3），否则过程结束；

（2-3）服务请求资源分配子模块根据三元组格式的创建服务请求判断服务器集群的可用带宽是否大于三元组格式的创建服务请求中带宽请求矩阵B中一行元素的和，若满足则表示服务器集群的可用带宽满足租户的网络通讯需求，然后转入步骤（2-4），否则过程结束；

（2-4）服务请求资源分配子模块判断服务器集群的服务器资源是否满足虚拟机的基本系统配置信息R，若满足则转入步骤（2-5），否则过程结束；

（2-5）服务请求资源分配子模块确定三元组格式的创建服务请求对应的虚拟机所要放置的服务器。

8.根据权利要求7所述的云计算服务器集群网络保障方法，其特征在于，步骤（2-3）包括以下子步骤：

（2-3-1）判断是否可在服务器集群中找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到则转入步骤（2-3-2），否则转入步骤（2-3-4）；

（2-3-2）根据带宽请求矩阵B并利用无向图最小割算法将虚拟机集群分割为两个虚拟机组；

（2-3-3）判断是否可分别为两个虚拟机组找到满足租户网络通讯需求的服务器组，如果无法找到，则过程结束，否则转入步骤（2-3-4）；

（2-3-4）确认虚拟机组与服务器组之间的对应关系，过程结束。

9.根据权利要求8所述的云计算服务器集群网络保障方法，其特征在于，步骤（3）包括以下子步骤：

（3-1）集群放置策略调度子模块根据请求调度管理模块放置虚拟机的结果设定虚拟机集群中每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额；

（3-2）虚拟机放置子模块根据每台虚拟机在对应服务器上的网络资源配额创建虚拟机；

（3-3）虚拟机通信状态子模块在虚拟机创建完成后添加创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和来设定虚拟机的初始化速率；

（3-4）虚拟机网桥管理子模块在虚拟机创建完成后添加虚拟机对应的网桥信息，并将该网桥的初始化通信速率设定为创建服务请求中带宽请求矩阵B一行元素的和；其中矩阵B的行序号即为虚拟机集群中虚拟机的序号；

（3-5）虚拟机放置子模块向虚拟机集群中所有虚拟机所在的服务器发送网络资源初始化请求；

（3-6）网络资源调度子模块接收来自虚拟机放置子模块的网络资源初始化请求，并根据该网络资源初始化请求设置初始化参数，并将初始化参数发送给通信速率管理子模块；

（3-7）通信速率管理子模块根据资源初始化请求查询虚拟机网桥管理子模块中的网桥信息，并根据来自网络资源调度子模块的初始化参数设定该网桥的通信速率。

10.根据权利要求9所述的云计算服务器集群网络保障方法，其特征在于，步骤（4）包括以下子步骤：

（4-1）虚拟机通信监控子模块监控机上所有虚拟机的通信状态，并将监控结果传送到通讯速率反馈子模块；

（4-2）通讯速率反馈子模块根据监控结果更新虚拟机通信状态子模块，并将监控结果反馈给策略调度子模块；

（4-3）策略调度子模块根据监控结果判断服务器上虚拟机的通信状态是上行还是下行，如果是上行则转入步骤（4-4），如果是下行则转入步骤（4-13）；

（4-4）策略调度子模块判断上行带宽是否超过阈值，如果是则转入步骤（4-5），否则转入步骤（4-7）；

（4-5）策略调度子模块分析该服务器上的其他虚拟机是否要求回收网络资源，如果是则转入步骤（4-6），否则过程结束；

（4-6）策略调度子模块释放该虚拟机占用的额外通讯带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-7）策略调度子模块判断虚拟机的通信速率是否接近步骤（4-4）中的阈值，如果接近，则表示达到上行带宽设定的饱和状态，然后转入步骤（4-8），否则转入步骤（4-10）；

（4-8）策略调度子模块判断虚拟机所在服务器是否存在空闲通讯带宽，如果存在则转入步骤（4-9），否则过程结束；

（4-9）策略调度子模块根据虚拟机所在服务器的空闲网络资源为虚拟机分配额外的网络带宽，然后转入步骤（4-16）；

（4-10）策略调度子模块判断虚拟机速率是否低于步骤（4-4）中阈值的70%，如果是则转入步骤（4-11），否则过程结束；

（4-11）策略调度子模块将放弃请求发送到放弃策略子模块；

（4-12）放弃策略子模块根据放弃请求放弃虚拟机未使用的部分空闲的网络资源，然后转入步骤（4-16）；

（4-13）策略调度子模块判断下行带宽是否达到步骤（4-4）中的阈值，如果达到则转入步骤（4-14），否则过程结束；

（4-14）策略调度子模块将节流请求发送到节流策略子模块；

（4-15）节流策略子模块根据节流请求决策与该虚拟机通信的其他虚拟机的节流方案；

（4-16）策略执行子模块将处理结果传送到该虚拟机所在的服务器；

（4-17）该虚拟机所在服务器的策略执行子模块将处理结果发送到该服务器上的网络资源调度子模块；

（4-18）该服务器机上的网络资源调度子模块根据处理结果调整虚拟机网络资源的配额。

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