CN105103506B - 用于为云计算网络中的非均匀带宽请求分配带宽的方法和系统 - Google Patents

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CN105103506B CN201480018347.7A CN201480018347A CN105103506B CN 105103506 B CN105103506 B CN 105103506B CN 201480018347 A CN201480018347 A CN 201480018347A CN 105103506 B CN105103506 B CN 105103506B
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Abstract

公开了由网络服务提供商实现的向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的方法,其中虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管虚拟机(VM)的一个或多个物理服务器的第二集合。方法开始于由一个虚拟交换机接收第一多个VM的请求,其中第一多个VM中的至少一个VM含有与一个或多个VM中其余VM的带宽不同的带宽。然后通过计算与虚拟交换机关联的分配范围(AR)的集合,确定是否接受第一多个VM的请求,其中AR集合中的每个AR表示虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间。然后,对于该请求分配VM。

Description

用于为云计算网络中的非均匀带宽请求分配带宽的方法和 系统
相关申请的交叉引用
本申请涉及2012年10月29日提交的名称为“Method and System to AllocateBandwidth in Cloud Computing Networks”的共同未决的美国专利申请No.13/663,416和2013年3月8日提交的名称为“Network Bandwidth Allocation In Multi-Tenancy CloudComputing Networks”的美国专利申请No.13/791,316,它们据此通过参考并入。
技术领域
本发明的实施例涉及云计算网络领域。更具体地说,本发明的实施例涉及用于向在云计算网络中要求带宽的租户分配带宽的方法和系统。
背景技术
云计算近年来已经变换了创建和运行应用的方式。它采用基础设施即服务(IaaS)模型,其中客户将他们的计算和软件能力外包给第三方基础设施,并且根据需要对于服务使用付费。与使用专用、室内基础设施的传统计算模型相比,云计算提供许多优点,包含规模经济、动态供应和低资本支出。它允许客户用“即用即付”的收费模型建立并在数分钟内而不是数天或数月内扩大全球存在。
尽管它增长的巨大动力,许多公司由于可靠性、性能、安全性和隐私关系仍不愿意将它们的服务或企业应用移动到云。为了最大化经济利益和资源利用,多个虚拟机(VM)同时启动以在相同物理服务器上执行。包含云提供商的许多网络服务提供商使用基于主机的虚拟化技术以实现终端主机级上的VM之间的分开和性能隔离。在互连主机的网络中,物理路由器和链路的相同集合部署成无差别地承载所有客户的业务。在这种基础设施中,网络服务提供商不向租户提供有保证的网络资源。因此,相同的租户的VM之间的带宽可根据来自其他租户的网络载荷和使用随时间显著变化。云计算环境中的这种带宽变化阻碍租户有效地操作并进行任务关键活动的能力。网络服务提供商需要更有效的网络资源分配方法。
发明内容
由网络服务提供商实现的向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的方法,其中虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管虚拟机(VM)的一个或多个物理服务器的第二集合。所述方法开始于由至少一个虚拟交换机接收第一多个VM的请求,其中第一多个VM中的至少一个VM含有与第一多个VM内的一个或多个VM中其余VM的带宽不同的带宽。然后,至少一个虚拟交换机通过计算与所述虚拟交换机关联的分配范围(AR)的集合,确定是否接受第一多个VM的所述请求,其中所述AR集合中的每个AR表示所述虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间,并且然后对于第一多个VM的请求分配VM。
一种充当用于网络服务提供商向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的虚拟交换机的网络装置,其中所述虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管虚拟机(VM)的一个或多个物理服务器的第二集合。网络装置包括:用户接口模块,配置成接收第一多个VM的请求,其中第一多个VM中的至少一个VM含有与第一多个VM内的一个或多个VM中其余VM的带宽不同的带宽。它还包括:分配范围(AR)计算模块,配置成计算与所述虚拟交换机关联的AR集合,以通过计算与虚拟交换机关联的分配范围(AR)的集合来确定是否接受第一多个VM的所述请求,其中所述AR集合中的每个AR表示虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间。所述网络装置还包括:VM分配模块,配置成响应于确定接受第一多个VM而对于第一多个VM的所述请求分配VM。
附图说明
本发明在附图中作为示例而非限制图示,附图中相似的参考指示类似的元素。应注意,此公开中对“一”或“一个”实施例的不同提及不一定针对相同实施例,并且此类提及意味着至少一个。此外,当结合一个实施例描述具体特征、结构或特性时,认为结合无论是否明确描述的其它实施例来影响此类特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。
图1是图示根据本发明一个实施例的网络配置及其关联操作的框图。
图2是图示根据本发明一个实施例的另一个网络配置及其关联操作的框图。
图3是图示对于虚拟交换机和物理服务器的带宽分配的框图。
图4是图示根据本发明一个实施例的节点的分配范围的框图。
图5是图示根据本发明一个实施例的带宽分配方法的流程图。
图6是图示根据本发明一个实施例计算虚拟交换机的AR集合的流程图。
图7是图示根据本发明一个实施例的物理服务器的AR的计算的流程图。
图8图示根据一个实施例用于解空间的聚合集合的计算。
图9图示根据本发明一个实施例用于计算节点i上的的伪代码程序。
图10图示根据本发明一个实施例在虚拟交换机的控制内在延伸段处分配VM集合。
图11图示根据本发明一个实施例在虚拟交换机的控制内在基本段处分配VM。
图12图示根据本发明一个实施例用于对于非均匀带宽请求向节点i上的每个子节点j分配VM集合的伪代码程序。
图13是图示根据本发明一个实施例配置成分配带宽的虚拟交换机的框图。
具体实施方式
在下面描述中,阐述了众多特定细节。然而,要理解,本发明的实施例可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它实例中,众所周知的电路、结构和技术未详细示出,以免模糊了对此描述的理解。然而,本领域技术人员将认识到,没有此类特定细节也可实施本发明。本领域普通技术人员用所包含的描述将能够实现适当的功能性而无需过多实验。
在说明书中“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的提及指示所描述的实施例可包含具体特征、结构或特性,但每一个实施例可能不一定都包含该具体特征、结构或特性。而且,此类短语不一定是指相同实施例。此外,当具体特征、结构或特性结合实施例进行描述时,认为结合无论是否明确描述的其它实施例实现此类特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。
在下面的说明书和权利要求书中,可使用术语“耦合”和“连接”,连同它们的派生词。应该理解,这些术语不意味着作为彼此的同义词。“耦合”用于指示两个或更多元件彼此协同操作或交互,它们可以或者可以不彼此直接物理接触或电接触。“连接”用于指示在彼此耦合的两个或更多元件之间建立通信。
如本文所使用的网络装置(例如路由器、交换机、桥)是一件连网设备,包含以通信方式互连网络上其它设备(例如其它网络装置、终端站)的硬件和软件。一些网络装置是为多个连网功能(例如路由、桥接、交换、层2聚合、会话边界控制、服务质量和/或订户管理)提供支持和/或为多个应用服务(例如数据、语音和视频)提供支持的“多服务网络装置”。订户终端站(例如服务器、工作站、膝上型计算机、上网本、掌上电脑、移动电话、智能电话、多媒体电话、因特网协议语音(VOIP)电话、用户设备、终端、便携式媒体播放器、GPS单元、游戏系统、机顶盒)访问通过因特网提供的内容/服务和/或在覆盖在因特网上(例如通过因特网遂穿)的虚拟私人网(VPN)上提供的内容/服务。内容和/或服务通常由属于服务或内容提供商的一个或多个终端站(例如服务器终端站)或参与对等服务的终端站提供,并且例如可包含公用网页(例如免费内容、店面、搜索服务)、私人网页(例如提供电子邮件服务的用户名/密码访问的网页)和/或VPN上的公司网络。通常,订户终端站(例如通过(有线或无线)耦合到接入网的客户室内设备)耦合到边缘网络装置,边缘网络装置(例如通过一个或多个核心网络装置)耦合到其它边缘网络装置,其它边缘网络装置耦合到其它终端站(例如服务器终端站)。
本发明的不同实施例可使用软件、固件和/或硬件的不同组合来实现。因此,附图中示出的技术可使用在一个或多个电子装置(例如终端站、网络装置)上存储和执行的代码和数据实现。此类电子装置使用计算机可读媒体存储和传递(在内部和/或通过网络与其它电子装置)代码和数据,计算机可读媒体例如非暂时性计算机可读存储媒体(例如磁盘、光盘、随机存取存储器、只读存储器、闪存装置、相变存储器)和暂时性计算机可读传输媒体(例如电、光、声或其它形式传播信号——诸如载波、红外信号、数字信号)。此外,此类电子装置通常包含耦合到一个或多个其它组件的一个或多个处理器的集合,其它组件诸如一个或多个存储装置(非暂时性机器可读存储媒体)、用户输入/输出装置(例如键盘、触摸屏和/或显示器)和网络连接。处理器集合与其它组件的耦合通常通过一个或多个总线和桥(也称为总线控制器)。因此,给定电子装置的存储装置通常存储代码和/或数据供在那个电子装置的一个或多个处理器的集合上执行。
在云服务环境中,理想的网络资源分配方法可具有若干期望特征。第一,它可允许租户以直观方式规定它们的应用的需求,并支持灵活更新。更具体地说,一方面,它需要保持用于配置不同服务的租户与提供商之间接口的简单性。另一方面,租户应该能够规定各种类型的需求要求。分配方法应该允许在使用的整个持续时间期间都能满足租户的请求。第二,提供商可以能够利用多路复用的优点,以在它们物理网络上支持许多虚拟网络。共享量越大,云提供商得到的收入越多。第三,分配方法可随着租户的大小缩放。如果租户的带宽请求超过云的网络容量,则应该尽可能快地向租户给出拒绝决定,使得租户能调整其请求或选择其它云提供商。如果可接受租户请求,则也应该快速完成VM分配,以允许租户更早发动其应用任务。本发明提出了含有这些特征的资源分配的方法和系统。
在段落1中所引用的共同未决的美国专利申请No.13/663,416中,公开了在云计算网络中分配带宽的方法和系统。当对于每个分配的VM给租户分配相同带宽时,可利用所公开的方法和系统。例如,租户的带宽请求可被转换成作为N个VM的请求。每个VM的所请求带宽可被表示为 (,其中N是由租户请求的VM的总数)。在共同未决的美国专利申请No.13/663,416中, ,也就是说,每个VM分配相同带宽。每个VM的相同带宽请求的这个模型被称为均匀带宽请求。虽然使用均匀带宽请求建模对于许多应用是有用的,但在其它应用中,建模可能未充分反映租户的带宽需要。在云网络中真实世界应用的轮廓中,已经发现,属于相同租户的不同VM的带宽消耗可能彻底地不同。例如,对于不同应用使用不同类型的VM。一些VM运行在网络中传送大量请求和响应的web服务,其它VM仅具有有限的网络活动,还有其它VM运行在定期传送巨量数据的数据库上。用均匀带宽请求建模可能未充分考虑来自租户的带宽请求的多样性,并且它可导致租户的成本增加,因为租户可能对于所有其分配的VM请求最大带宽。它还可导致对于云提供商的不必要带宽浪费。
因此,在此说明书中,本发明实施例假定:当对于带宽请求的集合中的至少一对i和j,(0 ≤ i< N 且 0 ≤ j < N)为真时,每个VM的请求的带宽可不同,即。此建模被称为非均匀带宽请求。由于的带宽请求的集合,租户可请求非阻塞虚拟网络基础设施以提供网络服务,即,在分配给租户的虚拟网络中没有过度预订。这个假定需要来自云提供商的更多网络资源,但向租户提供更好的服务,就好像所有VM都连接到非阻塞虚拟交换机。租户还可请求过度预订的虚拟网络基础设施。本发明的实施例适用于非阻塞的和过度预订的虚拟网络。
图1是图示根据本发明一个实施例的网络配置及其关联操作的框图。在云计算环境中,租户可以是订户终端站,例如服务器、工作站、膝上型计算机、上网本、掌上电脑、移动电话、智能电话、多媒体电话、因特网协议语音(VOIP)电话、用户设备、终端、便携式媒体播放器、GPS单元、游戏系统或机顶盒。这些租户运行需要带宽集合的软件应用。网络服务提供商(或云提供商,术语“网络服务提供商”和“云提供商”在说明书内可互换使用)通过指配租户互连虚拟机(VM)来向租户提供虚拟网络服务。租户不需要知晓虚拟网络的下面的物理基础设施,但仅需要关心是否能满足高级服务等级协定(SLA)。为此,每个租户可根据拓扑连接性、安全性策略、需要的带宽等规定其网络服务要求。此发明的实施例聚焦在带宽要求上,它是最重要的网络性能度量之一。
参考图1,在参考150处,租户向虚拟交换机110发送带宽请求的集合。虚拟交换机是在云计算环境中管理和连接VM的装置。在参考152处,虚拟交换机110将带宽请求的集合转换成VM集合的请求。如本文所讨论的,VM集合中的每个VM可具有不同带宽容量。VM集合可含有不同类型/角色的VM。例如,处理在前端服务器与记账系统之间业务交换的VM可以是与托管内联网数据库的VM不同类型的VM。
虚拟交换机110然后确定是否接受租户的带宽请求的集合。该确定基于与虚拟交换机关联的新数据结构、分配范围(AR)。对于非均匀带宽请求,在参考154处计算与虚拟交换机110关联的AR集合。基于如下面更详细讨论的若干因子计算虚拟交换机的每个AR。假定虚拟交换机110确定它具有足够的资源以对于带宽请求的集合分配带宽,它继续进行在物理服务器102上分配VM,并在参考156处让租户知道(例如用接受消息)。如果虚拟交换机110确定它不具有足够的资源对于该请求分配带宽,则在参考156它也用拒绝消息让租户知道。注意,尽管虚拟交换机110被描绘为单独装置,但它可被集成在物理服务器内。例如,管理程序(也称为虚拟机管理器(VMM),其管理物理服务器的同时发生的虚拟机会话)可含有虚拟交换机的功能性。在此说明书中,术语“物理服务器”和“服务器”可互换使用。物理服务器102内的VM1–VMN可以是不同类型或角色的VM,并且它们可消耗不同带宽。
注意,每个VM可具有不同的进入带宽和外出带宽。例如,web服务器通常接收小尺寸请求,但发送出大尺寸内容。租户不仅可为每个VM规定不同带宽,而且单独地规定两个方向上的带宽要求。本发明的实施例可首先在一个方向执行以分配VM集合,并且然后可在相反方向进行相同操作,并且仅当两个方向都满足带宽请求的集合时,接受带宽请求的集合。
图2是图示根据本发明一个实施例的另一个网络配置及其关联操作的框图。在图1中,租户的带宽请求的集合发送到虚拟交换机,并且虚拟交换机控制含有多个VM的物理服务器。图2描绘了更复杂的网络配置。在图2中,根虚拟交换机202与外部租户请求交互。根虚拟交换机202管理一组虚拟交换机,虚拟交换机组204。虚拟交换机组204中的每个交换机管理物理服务器集群,其内含有多个VM。如所示,每个交换机可含有不同数量的服务器,并且每个服务器可管理不同数量的VM。VM可以是不同类型,并且对于租户扮演不同角色,因此,VM的带宽消耗可能不同。在图2中所描绘的分层虚拟交换机网络中,仅根虚拟交换机202与租户的请求交互,并且根虚拟交换机202将租户的带宽请求转换成VM集合的请求,并且根虚拟交换机202确定多少VM并且哪些VM(由于每个VM可与不同带宽分配关联)被要求分配在它下面管理的每个虚拟交换机。
参考图2,在参考250处,租户向根虚拟交换机202发送带宽请求的集合。注意,基于树的虚拟网络中的每个节点(例如虚拟交换机)可被视为以那个节点为根的子树的根节点。在参考252处,带宽请求的集合然后被转换成VM集合的请求。VM集合的请求然后被中继到虚拟交换机集群、虚拟交换机组204。在参考256处,虚拟交换机组204内的虚拟交换机然后确定在它们管理的服务器内是否能容纳所请求数量和类型的VM。注意,即使在图2中仅描绘了两级虚拟交换机,但实际上,实现了许多更多级虚拟交换机,并且可实现类似的带宽分配方法论。另外,所提出的带宽分配方法论可以按许多不同方式实现。例如,代替根虚拟交换机,可使用云计算环境的编排层,其中云编排器检查来自多个租户的进入带宽请求,并使用本文所讨论的方法确定容纳某些请求并分配VM的可行性。另外,虚拟交换机管理器可管理租户请求,并确定容纳某些请求并且分配VM的可行性。
在作出接受或拒绝带宽请求决定时,虚拟交换机使用AR集合。AR是表示VM对于带宽请求的可用性的数据结构。数据结构基于虚拟交换机和服务器的带宽分配。图3是图示对于虚拟交换机和物理服务器的带宽分配的框图。在图3中,虚拟交换机310管理服务器302和服务器304。在服务器302/304与虚拟交换机310之间分别存在400 Mbps和100 Mbps剩余带宽。剩余带宽是当前对在通信路径中的分配可用的带宽。假定,服务器302和304分别含有8个和11个可用VM,其中在每个VM上具有100 Mbps带宽。进一步假定,租户请求带宽,并且带宽请求被转换成若干VM,其中每个VM需要100M bps。
在此示例中,服务器302可容纳从0到4个VM。服务器302总是可接受没有VM,因此0个VM分配是可行的。因为服务器302与虚拟交换机310之间的剩余带宽是400 Mbps,因此服务器302可获取高达4个VM(4×100 Mbps=400 Mbps剩余带宽)。由于剩余带宽限制,服务器302不能分配多于4个VM。然而,如果租户向服务器302分配所有其带宽请求(因此,它不需要与任何其它服务器通信),则租户可得到全部8个VM可用VM。因此,我们可将可行分配空间表示为[0,4]U[8,8],即,服务器302可被分配0到4个VM或8个VM。类似地,由虚拟交换机310管理的其它服务器、服务器304可由于100 Mbps剩余带宽限制而向一个VM分配0,或当服务器304可容纳总带宽请求时向11个VM分配0。也就是说,服务器304的可行分配空间是[0,1]U[11,11]。
在虚拟交换机310级,分配空间[0,5]是可行的,并且它通过在服务器302的分配空间[0,4]以及在服务器304处的[0,1]实现。分配空间[8,9]也是可行的,并且它由分配空间[8,8]和[0,1]实现。注意,这个分配空间是可行的,因为在虚拟交换机310与服务器304之间的链路上留下有100 Mbps剩余带宽,其是分配给单个VM的不同VM之间通信所需的最小值(100M是租户的基本带宽)。另外,分配空间[11,12]对于虚拟交换机310也是可行的,并且它通过在服务器302处的分配空间[0,1]以及在服务器304处的分配空间[11,11]实现。注意,服务器302不能分配多于一个VM的任何事物,因为虚拟交换机310与服务器304之间的剩余带宽仅是100 Mbps,并且对于属于要通信的相同租户的VM,服务器302上的VM不能获取比两个服务器之间最小管道更多的带宽。总体上,虚拟交换机310的可行分配空间是[0,5]U[8,8]U[11,12]。换句话说,虚拟交换机对于给定带宽请求不能分配连续号码的VM。
基于VM的分配可能是不连续的观察,使用新数据结构(称为分配范围(AR))表示不连续分配空间。AR可以是位流。位流的长度等于所需的VM数量加1。在一个实施例中,如果n个VM可被分配到从节点i为根的子树中,则AR的最左边第n位被设置为1,并且它是节点i的可行解,并且它表示为AR(i)。例如,如果AR(i)是11100110,则它意味着0、1、2、5或6个VM可被分配到从节点i为根的子树中。参考图3,对于请求12个VM的租户,AR具有13位。分别地,服务器302的AR因此是1111100010000,并且服务器304的AR是1100000000010。虚拟交换机310的AR是二者的组合,并且它具有1111110011011的AR。AR表示发出请求的租户的可行VM分配。如本文上面在图3的示例中所讨论的,AR的值可取决于连接服务器和虚拟交换机的链路中的可用VM数和剩余带宽。
注意,在此示例中,租户请求N×100M bps的带宽。也就是,带宽请求可被分配有相同类型的VM(因此是均匀带宽请求),具有100M带宽的VM。均匀带宽请求的带宽分配方法已经在共同未决的申请No.13/663,416中公开。对于非均匀带宽请求,例如,不同带宽(例如50Mbps、78 Mbps、125 Mbps)集合的租户请求,分配空间更难以确定。
实际上,可在数学上显示为,对于非均匀带宽请求,找到分配空间是非确定多项式时间(NP)问题。假设存在3r个正整数的集合S。这些整数的和是rB,并且每个整数在(B∕4,B∕2)之间。三重3分区问题是找到r个子集以形成S的分区,使得在每个子集中整数的和等于B。这对NP完全问题是已知的。对于云计算网络,假定有r个服务器链接到交换机。每个服务器具有3个可用的VM时隙,并且每个服务器的出站链路容量是B。如果能确定非均匀请求在此网络中的可接受性,则对于这些3r个整数,必须存在对应的三重3分区。因此,非均匀带宽请求的可接受性确定问题是NP完全问题。
为了解决非均匀带宽请求的可接受性确定问题,可使用编程方法,其担任可接受性确定方法的基准。该方法的输入如下:
• M是网络中物理服务器的数量,
是第i个服务器中的可用VM时隙的数量,
• G是网络中节点(包含服务器和交换机)的数量,
是第i个节点的出站链路上的剩余容量,
• S i 是位于以第i个节点为根的子树内的服务器集合,
• N是租户请求中的VM的总数,以及
是请求中第i个VM的带宽要求。
此外,编程变量的列表如下:
,如果请求中的第i个VM被分配给第j个服务器,则为1,并且否则为0。
是分配到第i个服务器中的所有VM的聚合带宽要求。
是应该在第i个节点的出站链路上预留的带宽。
是在分配之后以第i个节点为根的子树内可用的VM时隙的数量。
编程模型可被选择用于在分配执行中最小化链路带宽利用,因此计算旨在求解如下问题:
在上面5个约束中,约束(1)和(2)保证要在节点的出站链路上预留的带宽应该是分配给子树的VM的聚合带宽要求与分配给网络其余部分的带宽要求之间较小的那个。约束(3)确保出站链路中的预留带宽不大于链路上的剩余带宽。约束(4)和(5)保证分配给每个服务器的VM数量不超过其可用VM时隙的数量,并且每个VM应该正好被分配一次。此编程是非凸二次约束编程。
由于非均匀带宽请求的可接受性确定问题是NP完全的,因此本发明的实施例利用该问题的近似解。均匀与非均匀带宽请求之间的一个关键差异是,对于N个VM的请求,均匀带宽请求的解空间的大小是N+1,而非均匀带宽请求的解空间的大小是2N
近似解采取启发式方法降低计算复杂性。来自租户请求的N个VM被分成许多组。每组指示排序请求阵列中的若干连续VM。组可由元组表示,如果在原始次序的请求阵列中的话,则集合的开始VM索引和结束VM索引分别是x和y。应该总共存在N(N+1)/2组。在每个节点i上,计算并维持每组的AR。表示组<x,y>的AR。的长度是y–x+2位。如果组<x,y>中的大小为n的任意VM集合可被分配到从节点i为根的子树中,则的最左边n位被设置为1。
图4是图示根据本发明一个实施例的节点的分配范围的框图。节点可以是虚拟交换机或服务器。AR可具有几个连续可行解空间。为了方便,第一连续可行解空间被称为基本段(图示为基本段402),并且其它可行解空间被称为延伸段(图示为延伸段404)。可使用下界和上界的阵列表示这些段,并且它采取形式,其中b是基本段的上界,分别是第q个延伸段的下界和上界。基本段的下界是0,因为没有VM分配到子树中总是可行的解。已知AR表示用于向发出请求的租户分配VM的已知可行空间,因此,AR的计算是资源分配的关键组成部分。
图4示出含有11位(12–3+2=11)的AR的结构。表示VM3到VM12的分配空间。最左边第0位总是1,因为该节点总是能被设置成不容纳任何VM。基本段402指示该节点可容纳VM3–VM5。延伸段404指示该节点可容纳VM8-VM9和VM11-12。节点具有用于VM集合的请求的AR集合。例如,如果租户在节点200处需要VM1–VM12,则是节点200的78(12×13÷2=78)个AR当中的一个。注意,位流仅是AR的一个实施例。AR可以不同方式实现,但仍包含本文讨论的发明思想。例如,AR可实现为阵列,其中该阵列的每个元素表示向发出请求的租户分配具体VM。AR还可实现为从二进制位流转换的数字值。
图5是图示根据本发明一个实施例的带宽分配方法的流程图。该过程可选地开始于从租户接收带宽请求的集合,其中在块502,带宽请求的集合被转换成VM集合的请求。接收请求的实体可以是根虚拟交换机、管理虚拟交换机的网络管理器或网络服务提供商的编排层内的编排器。
在块504,至少由虚拟交换机接收VM集合的请求。集合内的VM不均匀,并且至少一个VM消耗与其余VM不同的带宽。虚拟交换机计算AR集合,并在块506确定它是否具有足够资源来支持发出请求的租户。如果可容纳该请求,则在块508处对于该请求将分配VM。如果不能容纳该请求,则可选地,在块520,向发出请求的租户发送回拒绝消息,并且过程结束。租户可对不同虚拟交换机进行请求,或者它可改变带宽请求的集合并再次尝试。如果虚拟交换机向发出请求的租户分配VM,则在块510,它可将租户的带宽消耗限制在所分配的VM内。
图6是图示根据本发明一个实施例计算虚拟交换机的AR集合的流程图。虚拟交换机的AR集合的计算开始于在块602,在虚拟交换机下计算所有服务器的AR。在一个实施例中,计算至少取决于服务器的VM可用性、服务器对到虚拟交换机的其出站链路的剩余带宽、所请求的VM集合(例如VM号码和带宽类型)以及服务器的每个VM的带宽。如果虚拟服务器的计算的AR含有多于一半的所请求VM,则在块604处,AR可被分成一半。然后,通过迭代地检查它管理的服务器的AR,在块606处,得出交换机的AR1。AR1是没有考虑虚拟交换机到网络内另一虚拟交换机的出站链路的剩余带宽的AR。然后,在块608,虚拟交换机增加剩余带宽的考虑,并得出虚拟交换机的AR集合。注意,基于虚拟交换机到网络内另一虚拟交换机的出站链路的剩余带宽的约束的计算可表示为AR2,并且其计算已经在此说明书的段落1中详细描述的共同未决的申请美国专利申请No.13/663,416中公开。
如本文上面所讨论的,非均匀带宽请求的可接受性确定问题是NP完全问题,并且近似解是期望的。本发明的实施例采取启发式方法,并将VM集合的请求分成许多组。组指示排序的请求阵列中的若干连续VM,并且由在节点i处的组<x,y>的表示。
对于AR计算,第一步骤是计算每个服务器的AR(参见图6的块602)。对于在外出链路中具有可用VM时隙和剩余带宽c的服务器i,受VM时隙约束的可行的解空间是:
至于受出站链路容量约束的可行解空间,如果c,则任何VM集合都可被放到服务器中,并且我们令:
否则,由于关于均匀请求的类似原因,假设:
为了将最坏的情况考虑进去,当计算第一连续空间的上界u和第二连续空间的下界l时,应该确保可分配具有来自该组的最高可能带宽要求的VM集合。作为结果,
注意,当未找到l的恰当值时,它指示第二连续空间不存在。
在一些情形下,基本段可被分割。的交集。如果,则可基本段分割。分割点是max n:
在计算服务器的AR之后,计算管理服务器的交换机的AR集合。交换机i的 (其从其子节点的AR聚合)与(其受出站链路的剩余带宽约束)的交集。以与计算服务器的AR相同的方式计算。因此,本文下面的讨论聚焦在计算
一般而言,应该从每个子节点j的AR中的基本段和延伸段聚合。对于每个聚合可使用至多一个延伸段,因为来自两个延伸段的VM的合计带宽将超过任何VM集合的总带宽要求。至于来自子节点的AR的基本段聚合,自然的方法是,简单地对来自每个子节点j的所有求和。但是,以这种方式,将漏掉许多可行解。一个示例图示了该问题。假定我们计算交换机i的,其具有两个子节点j1和j2。多组的中的基本段的上界显示如下:
如果我们用相同的组AR自然地聚合基本段,则我们令。然而,注意,当计算时,我们优选地考虑具有最高带宽要求的VM。因此,当我们已经向子节点j分配n(j)个VM时,集合中的剩余VM的最大序列至多y−n(j)。因此,我们可以能够分配更多VM,因为如果该集合的最大VM序列更低,则该集合可被放到具有较低y的组中,并且该组的最坏情况请求带宽要求将更小。在此示例中,由于子节点j1可托管具有最高带宽的5个VM,因此我们可将子节点j2中的最大VM序列降为20-5=15。以这种方式,我们令,其与自然聚合相比增加解空间。
如果交换机i具有r个子节点,则存在r!个可能阶以聚合子节点的AR。不同阶可具有不同结果。在上面示例中,我们还可从中得到。代替枚举所有r!个可能阶,本发明实施例使用渴望的方法,即,优选地考虑具有基本段的最高上界的子节点。
图7是图示根据本发明一个实施例计算物理服务器的AR的流程图。该方法开始于块702,并且在块704处,被设置成空。然后在块706处,C被设置为所有集合的集合。如果C为空,则在块710处,计算装置联合与聚合集合Aggr(-1,[0,0]),并且然后在块712处,返回
当C不是空集合时。计算装置从C中选择子节点t,并将E设置为t的延伸段的集合,并在块712处,从C中移除t。然后在块714处,计算装置确定E是否为空。如果它是,则计算装置转回到块708。如果它不为空,则计算装置从E中选择延伸段e,并在块716处从集合E中移除e。然后,在块718处,计算装置联合与聚合集合Aggr(t,e)。计算装置然后返回到块714,并执行块716-718,直到所有延伸段都已经被处理。
注意,物理服务器的AR(i)的计算可由网络内的不同装置执行。它可由服务器本身、VM的超级管理程序、虚拟交换机或不同网络管理器计算。
在图7中,利用聚合集合Aggr (t,e)。图8图示根据一个实施例用于解空间的聚合集合的计算。在一个实施例中,方法800是在图7中图示的方法700的子集。参考图8,方法开始于块802。在块804处,计算装置将S设置为所有子节点的集合。在块804处,它检查是否将使用子节点的延伸段。如果它从集合S中排除子节点t。在块808处,计算装置然后确定S是否为空。如果它为空,则对于子节点的Aggr(t,e)返回所得到的e。如果S不为空,则在块812,计算装置按降序按对S中的所有子节点排序。然后,计算装置选择第一个作为m,并从集合S中移除m。然后,它设置e和y,并返回到块808。
的计算也可以伪代码图示。图9图示根据本发明一个实施例用于计算节点i上的的伪代码程序。
在计算之后,计算装置可在交换机i上将相交。因此,计算装置得出,并且可用于作出接受性决定,如图5中所图示的。
在确定节点可托管带宽请求的集合的租户的请求之后,其中带宽请求的集合是非均匀的,计算装置(其可以是或者可以不是作出接受性确定的相同的计算装置)然后指配用于该请求的VM集合。可从节点的根以自上而下的递归方式向节点下的子树指配VM集合。在一个实施例中,计算装置从子节点向具有最高上界的延伸段分配VM。当将VM分配到子节点的基本段时,一个实施例尝试使用尽可能少的子节点来确保完全分配。另一实施例以与聚合中相同的次序分配VM,即具有基本段的最高界的子节点优先,以确保完全分配。
图10图示根据本发明一个实施例在虚拟交换机的控制内在延伸段处分配VM集合。该过程在管理下向每个服务器j分配n个VM的集合和VM,Q(j)的子集,使得所有Q(j)的组合等于总数n。因为该过程可应用于具有多级虚拟交换机和服务器的虚拟网络,因此使用通用术语。为了在控制物理服务器的虚拟交换机处使用图11的过程,节点是虚拟交换机并且子节点是物理服务器。
过程开始于1002。在块1004处,计算装置将集合E设置为所有子节点的延伸段的集合,按降序按上界排序。在块1004处,计算装置确定集合E是否为空。如果它为空,并且在块1006处未能找到适合的Q(i),则过程完成,而没有在块1008处的分配。如果集合E不为空,则在块1010,计算装置从E及其对应子节点t中选择第一延伸段e。在块1012处,计算装置确定是否为真。如果它不为真,则在块1014处计算装置计算Q(t),并在1016处找到对于子节点t的分配,并在块1050处返回真,以指示成功分配。否则,计算装置确定是否为真。如果不为真,则在块1020指配Q(t),并且然后过程在块1050处转到返回真。如果它为真,则从集合E中移除e,并且过程返回到块1004。
在具有延伸段的所有服务器都通过该过程时,则过程以没有在块1008处的分配,或者在块1050处具有规定分配结束,并且完成延伸段的分配。
图11图示根据本发明一个实施例在虚拟交换机的控制内在基本段处分配VM。如图10中所图示的分配可用服务器的延伸段仅是VM分配过程的一部分。该过程也需要分配基本段。参考图11,分配基本段的过程开始于块1102。然后,在块1104处,对于排除的子节点t,Q(i)分配被设置成0。在块1106处,集合S用作除了节点t之外的所有子节点的集合。然后,在块1112处,计算装置确定是否n(i)>0。如果否,则选择已经完成,过程以块1114处返回真完成。否则,过程在块1116处继续,其中计算装置确定S是否为空。如果它为空,则基本段未被选择,并且过程以块1150处返回假完成。如果S不为空,则计算装置按降序按对S排序,并在块1118处,选择第一个ind。然后,在块1119处,计算装置确定是否。如果是,则在块1120确定Q(ind),并且在块1126处设置n(i),并且在块1128处从集合S中移除ind。如果否,则在块1122也用不同值也确定Q(ind),并且过程也转到块1126。
交换机i的所有子节点(例如物理服务器)都通过该过程,并且该过程以在块1120处的基本段分配或在块1108处的没有分配可应用结束。注意,在一些实施例中,延伸段和基本段的计算分配的次序被反转。
分配延伸段和基本段的过程也都可被表述为伪代码。图12图示根据本发明一个实施例对于非均匀带宽请求向节点i上的每个子节点j分配VM集合。
图13是图示根据本发明一个实施例配置成分配带宽的虚拟交换机的框图。虚拟交换机1300含有网络处理器1310。为了带宽分配目的,AR管理模块1320配置用于管理AR计算和相关操作。注意,AR管理模块1320可与虚拟交换机内的其它过程/模块共享网络处理器,并且它还可具有用于管理AR和分配VM的唯一目的的专用网络处理器。
虚拟交换机1300含有用户接口模块1302。如果虚拟交换机1300是根虚拟交换机或者负责与请求带宽的租户直接交互的虚拟交换机,则用户接口模块1302接收带宽请求(例如若干Mbps)。注意,带宽请求可以是非均匀的,因此,由单个租户可接收若干不同带宽请求。在那种情况下,来自租户/用户的带宽请求的集合被发送到AR管理模块1320内的用户请求转换模块1312。在用户请求转换模块1312处,带宽请求的集合被转换成VM集合。注意,集合内的VM是不相同的,并且至少一个VM消耗与其余VM不同的带宽。如果虚拟交换机1300是虚拟交换机组中的交换机,则用户接口模块1302接收VM集合的请求,因为租户的带宽请求已经被转换成VM集合。虚拟交换机1300还含有出站链路模块1322。
出站链路模块1322可配置成与上级虚拟交换机或其对等的交换机交互。在一个实施例中,出站链路模块1322确定出站链路的剩余带宽,并向AR管理模块1320提供信息。具体地说,需要出站链路的剩余带宽以在AR计算模块1314处计算虚拟交换机1300的AR集合。在AR管理模块1320中,另一模块是VM分配模块1316,其中作出有关如何向请求分配物理服务器上的特定VM的确定。同样在虚拟交换机1300中,服务器通信模块1306可配置成与在其管理下的服务器通信。服务器通信模块1306也可配置成确定在其管理下的其到服务器的链路的剩余带宽。如本文中上面所讨论的,需要虚拟交换机与服务器之间链路上的剩余带宽以计算服务器的AR集合。在一些实施例中,虚拟交换机1300还含有服务器带宽限制模块1308。服务器带宽限制模块1308将租户的带宽消耗限制在所分配的VM内,因此,租户得到不超过它已经被分配的带宽。注意,并不是要求所有模块都在其内实现发明思想。一些模块是可选的,并且其它模块可实现为配置成在一个模块内完成几个功能的集成模块。
在一个实施例中,虚拟交换机1300在用户接口模块1302从租户接收带宽请求的集合。在用户请求转换模块1312处,它将带宽请求的集合转换成VM集合的请求。集合内的VM不是均匀的,并且至少一个VM需要含有不同于集合中其余VM的带宽。然后,虚拟交换机1300通过在AR计算模块1314计算VM集合来确定是否接受带宽请求的集合。AR计算模块1314可与服务器通信模块1306交互,以收集有关连接到虚拟交换机1300的链路的剩余带宽信息。如果虚拟交换机确定接受该请求,则它通过VM分配模块1316向该请求分配VM。否则,它可通过用户接口模块1302发送指示该请求被拒绝的拒绝消息。虚拟交换机1300可还监视租户的VM使用,并使用服务器带宽限制模块1308将租户的使用限制在所分配的VM内。
参考图13的示范实施例已经描述了流程图的操作。然而,应该理解,流程图的操作可由不同于参考图5-6、7-8和10-11讨论的那些实施例的本发明实施例执行,并且参考图13讨论的实施例可执行与参考图5-6、7-8和10-11的流程图讨论的那些操作不同的操作。
虽然本文上面附图中的流程图示出由本发明某些实施例执行的具体操作次序,但应该理解,此类次序是示范性的(例如,备选实施例可以不同次序执行操作,组合某些操作,重叠某些操作等)。
虽然本发明已经根据若干实施例进行了描述,但本领域技术人员将认识到,本发明不限于所描述的实施例,可用在所附权利要求书的精神和范围内的修改和变化来实行。因此,描述被视为说明性的而非限制性的。

Claims (26)

1.一种由网络服务提供商实现的向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的方法,其中所述虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管虚拟机VM的一个或多个物理服务器的第二集合,所述方法包括:
由至少一个虚拟交换机接收(504)对于第一多个VM的请求,其中所述第一多个VM中的至少一个VM具有与所述第一多个VM内的其余的一个或多个VM的带宽不同的带宽;
通过计算与所述虚拟交换机关联的分配范围AR的集合,确定(506)是否接受对于所述第一多个VM的所述请求,其中所述AR的集合中的每个AR表示所述虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间;以及
响应于确定接受对于所述第一多个VM的所述请求而针对对于所述第一多个VM的所述请求来分配(508)VM。
2.如权利要求1所述的方法,其中对于所述第一多个VM的所述请求从租户的带宽请求的集合中转换。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述AR的集合中的每个AR是含有指示所述第一多个VM内没有VM或者若干VM能够被分配的若干位的数据结构。
4.如权利要求1所述的方法,其中部分基于所述虚拟交换机的出站链路的剩余带宽和与由所述虚拟交换机管理的一个或多个物理服务器的第三集合关联的AR,计算所述虚拟交换机的所述AR的集合中的每个AR。
5.如权利要求4所述的方法,其中部分基于所述物理服务器的出站链路的剩余带宽和所述物理服务器的第二多个VM,计算与一个或多个物理服务器的所述第三集合关联的所述AR的集合。
6.如权利要求4所述的方法,其中与一个或多个物理服务器的所述第三集合中的物理服务器关联的所述AR的集合中的每个AR是含有等于2加上两个VM的索引号之间的差的若干位的数据结构,其中所述第一多个VM基于所需要的VM时隙的数量排序。
7.如权利要求6所述的方法,其中所述AR的集合中的每个AR含有连续基本段和至少一个延伸段。
8.如权利要求7所述的方法,其中所述连续基本段的长度小于每个AR总长度的一半。
9.如权利要求1所述的方法,其中虚拟交换机的所述第一集合在层级上配置有至少两级,更高级虚拟交换机管理至少一个更低级虚拟交换机。
10.如权利要求1所述的方法,其中按从具有AR的最高可允许延伸段上界的服务器到具有AR的更低可允许延伸段的其余服务器的次序向服务器分配VM。
11.如权利要求1所述的方法,还包括:限制(510)分配给所述租户的VM内的租户带宽消耗。
12.如权利要求1所述的方法,还包括:响应于拒绝对于所述第一多个VM的所述请求的确定而向所述租户发送(520)拒绝消息。
13.一种充当用于网络服务提供商向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的虚拟交换机的网络装置,其中所述虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管第一多个虚拟机VM的一个或多个物理服务器的第二集合,所述网络装置包括:
用户接口模块(1302),配置成接收对于第一多个VM的请求,其中所述第一多个VM中的至少一个VM具有与所述第一多个VM内的其余的一个或多个VM的带宽不同的带宽;
分配范围AR计算模块(1314),配置成计算与所述虚拟交换机关联的AR的集合,以通过计算与所述虚拟交换机关联的分配范围AR的集合来确定是否接受对于所述第一多个VM的所述请求,其中所述AR的集合中的每个AR表示所述虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间;以及
VM分配模块(1316),配置成响应于确定接受对于所述第一多个VM的所述请求而针对对于所述第一多个VM的所述请求来分配VM。
14.如权利要求13所述的网络装置,还包括:
所述用户接口模块,还配置成接收租户的带宽请求的集合;以及
用户请求转换模块(1312),配置成将来自所述租户的带宽请求的所述集合转换成对于所述第一多个VM的所述请求。
15.如权利要求13所述的网络装置,其中所述AR的集合中的每个AR是含有指示所述第一多个VM内没有VM或者若干VM能够被分配的若干位的数据结构。
16.如权利要求13所述的网络装置,还包括:服务器通信模块(1306),配置成与由所述网络装置管理的一个或多个物理服务器的第三集合通信,其中部分基于所述网络装置的出站链路的剩余带宽和与一个或多个物理服务器的所述第三集合关联的AR,计算所述网络装置的所述AR的集合中的每个AR。
17.如权利要求16所述的网络装置,其中部分基于所述物理服务器的出站链路的剩余带宽和所述物理服务器的第二多个VM,计算与一个或多个物理服务器的所述第三集合关联的所述AR的集合。
18.如权利要求16所述的网络装置,其中与一个或多个物理服务器的所述第三集合中的物理服务器关联的所述AR的集合中的每个AR是含有等于2加上两个VM的索引号之间的差的若干位的数据结构,其中所述第一多个VM基于所需要的VM时隙的数量排序。
19.如权利要求18所述的网络装置,其中所述AR的集合中的每个AR含有连续基本段和至少一个延伸段。
20.如权利要求19所述的网络装置,其中所述AR计算模块还配置成分割AR,使得对于每个AR,所述连续基本段的长度小于所述AR总长度的一半。
21.如权利要求13所述的网络装置,其中虚拟交换机的所述第一集合在层级上配置有至少两级,更高级虚拟交换机管理至少一个更低级虚拟交换机。
22.如权利要求13所述的网络装置,其中所述VM分配模块配置成按从具有AR的最高可允许延伸段上界的服务器到具有AR的更低可允许延伸段的其余服务器的次序向服务器分配VM集合。
23.如权利要求13所述的网络装置,还包括:服务器带宽限制模块,其配置成限制分配给所述租户的VM内的租户带宽消耗。
24.如权利要求14所述的网络装置,其中所述用户接口模块还配置成在确定不能满足所述带宽请求时向所述租户发送租户拒绝消息。
25.一种由网络服务提供商实现的向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的方法,并且其中所述虚拟网络包含一个或多个虚拟交换机的第一集合,所述一个或多个虚拟交换机管理托管虚拟机VM的一个或多个物理服务器的第二集合,所述方法包括:
将来自租户的带宽请求的集合转换(502)成对于第一多个VM的请求;
由至少一个虚拟交换机接收(504)对于所述第一多个VM的所述请求,其中所述第一多个VM中的至少一个VM具有与所述第一多个VM内的其余的一个或多个VM的带宽不同的带宽;
通过计算与所述虚拟交换机关联的分配范围AR的集合来确定(506)是否接受对于所述第一多个VM的所述请求,其中所述AR的集合中的每个AR表示所述虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间,并且其中部分基于所述虚拟交换机的出站链路的剩余带宽和与由所述虚拟交换机管理的一个或多个物理服务器的第三集合关联的AR,计算所述AR的集合中的每个AR;
响应于确定接受对于所述第一多个VM的所述请求,按从具有AR的最高可允许延伸段上界的服务器到具有AR的更低可允许延伸段上界的其余服务器的次序,针对对于所述第一多个VM的所述请求来分配(508)VM,接着按从具有所述AR的最低上界基本段的所述AR的集合中的AR的服务器到具有AR的更高上界基本段的其余服务器的次序分配;以及
限制(510)所分配的VM内的所述租户的带宽消耗。
26.一种充当用于网络服务提供商向在云计算环境中要求带宽的租户提供虚拟网络的虚拟交换机的网络装置,其中所述虚拟网络包含虚拟交换机的第一集合,所述虚拟交换机管理托管第一多个可用虚拟机VM的物理服务器的第二集合,所述网络装置包括:
用户接口模块(1302),配置成接收来自租户的带宽请求;
用户请求转换模块(1312),配置成将所述带宽请求转换成对于第一多个VM的请求,其中所述第一多个VM中的至少一个VM具有与所述第一多个VM内的其余的一个或多个VM的带宽不同的带宽;
分配范围AR计算模块(1314 ),配置成计算与所述虚拟交换机关联的AR的集合,以通过计算与所述虚拟交换机关联的分配范围AR的集合来确定是否接受对于所述第一多个VM的所述请求,其中所述AR的集合中的每个AR表示所述虚拟交换机内的至少一个不连续VM分配空间,所述AR集合中的每个AR是含有指示所述第一多个VM内没有VM或者若干VM能够被分配给所述带宽请求的若干位的数据结构,并且其中部分基于所述网络装置的出站链路的剩余带宽和与一个或多个物理服务器的第三集合关联的AR,计算所述网络装置的所述AR的集合中的每个AR;
VM分配模块(1316),配置成响应于确定接受对于所述第一多个VM的所述请求而按从具有AR的最高可允许延伸段上界的服务器到具有AR的更低可允许延伸段的其余服务器的次序向所述租户分配VM;以及
服务器带宽限制模块(1308),配置成限制所分配的VM内的所述租户的带宽消耗。
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