CN105553725A - 一种多租户数据中心软件中间件的部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多租户数据中心软件中间件的部署方法，以数据中心的物理拓扑信息和租户的请求作为输入，基于租户虚拟机需求模型给出租户对虚拟机、中间件以及网络资源的需求，通过寻找最小子树、部署租户虚拟机、保留网络带宽的步骤，为租户保留带宽，能够有效协调存放租户的应用虚拟机和中间件虚拟机的部署问题，使得数据中心在保证租户对于虚拟机、中间件和网络需求的同时，最大化接受租户请求的数量，提高数据中心的收益。

Description

一种多租户数据中心软件中间件的部署方法

技术领域

本发明涉及多租户数据中心软件的部署技术，尤其涉及一种多租户数据中心软件中间件的部署方法。

背景技术

多租户数据中心为用户提供计算系统和一些相关组件(例如通信系统、存储系统等)功能。租户通过租用数据中心中提供的计算和网络资源，获得高质量的物理基础设施和管理服务。这些的服务通常包括虚拟机资源，如CPU、内存等计算资源和网络磁盘等存储资源，网络资源，如带宽、中间件等资源。

中间件是一个能够对数据流进行转换、检测、过滤的网络设备。防火墙、入侵检测系统、负载均衡器等都是常见的中间件。目前数据中心的中间件大多是硬件中间件，这种中间件以硬件的形式挂在网络设备上，处理能力有限，不能够满足租户的需求。首先，数据中心的中间件是被租户共享使用的，因此一些租户可能会因为竞争不到中间件资源而花费时间来等待中间件的服务从而造成拥塞。其次，这种被租户共享使用的中间件可扩展性差，难以满足不同租户的个性化需求。此外，由于这种中间件是需要额外的硬件设备支持，成本也比较高。

综上所述，数据中心运营商考虑使用通用虚拟机资源来替代中间件的功能，在数据中心中引入虚拟机中间件。由于虚拟机是数据中心当中固有的资源，不需要额外引入硬件设备。而且运营商可以为每个租户分配单独的个性化定制的软件中间件从而在避免拥塞的同时提高系统的可扩展性。

现有的工作在如何部署软件中间件从而在保证租户需求的前提下最大化接受租户的问题上，尚未有可行的解决方法。这主要是由于租户的请求复杂，既要请求虚拟机资源，又对中间件的网络通信模式以及带宽有特定的要求。由于数据中心当中每条链路的带宽以及物理机上能够开启的虚拟机的数量都是有限制的，需要总结并抽象租户的需求模型，明确租户的请求，从而设计出解决多租户数据中心中软件中间件的部署问题的算法。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多租户数据中心软件中间件的部署方法，能够有效协调存放租户的应用虚拟机和中间件虚拟机的部署问题，使得在数据中心在保证租户对于虚拟机、中间件和网络需求的同时，进一步增加被接受的租户请求数量，甚至使得被接受的租户请求数量最多，整体大幅提升了数据中心的收益。

技术方案：本发明提供的一种多租户数据中心软件中间件的部署方法，该方法以数据中心的物理拓扑信息和基于租户虚拟机需求模型给出的租户的请求作为输入，所述租户请求包括租户请求的APPVM的数量、租户请求的MBVM的数量、租户APPVM之间通信所需求的每个APPVM的最小通信带宽保障、租户之间通信所需求的每个虚拟机每条连接的最小外部通信带宽保障、以及租户之间通信的依赖关系，其中APPVM即为用于应用的虚拟机，MBVM即为中间件虚拟机；该方法包括以下步骤：

1)寻找最小子树：在数据中心的树形拓扑结构中，基于所述租户虚拟机需求模型，通过最小子树查找算法，找到虚拟机个数满足租户需求的最小子树，如不存在这样的子树，则拒绝租户的请求；

2)部署租户虚拟机：对步骤1)中最小子树的每一个孩子逐一部署APPVM，如果该最小子树的孩子中还有剩余的虚拟机，则部署MBVM，当租户的APPVM和MBVM请求都被成功满足后，进入步骤3)，否则进入步骤1)中重新寻找一个最小子树；

3)保留网络带宽：根据租户虚拟机需求模型中给出的租户内部APPVM通信、租户之间相互通信、以及租户之间的通信依赖对于网络资源的需求，为租户保留带宽，如保留成功则该租户成功被数据中心接受，否则进入步骤1)重新寻找一个最小子树。

优选的，本部署方法基于租户虚拟机需求模型给出租户对虚拟机、中间件以及网络资源的需求，其中一个租户的请求通过如下五元组表示：

T＝<N,R,Bⁱⁿ,B^ex,dependency>(1)；

其中：

N表示租户请求的用于部署APP的VM的数量；

R是一向量<r₁,r₂,…,r_n>，表示租户请求的每类MBVM能够服务的APPVM的数量，通过向量R和请求的APPVM数量N，得到每一类MB_i需要的虚拟机的数量N/r_i；

Bⁱⁿ表示租户内部的APPVM通信需求，即每个APPVM的最小内部通信带宽；

B^ex表示租户之间的通信需求，即每个APPVM在每条连接下的最小外部通信带宽；

dependency是一向量，表示租户之间的通信依赖关系，其中，当dependency＝<i>

时表示本租户与第i个租户有通信需求，当dependency＝<*>时，则表示该租户

可以接受来自任何其他租户的通信请求。

优选的，所述步骤1)中的最小子树查找算法为：使用深度优先遍历搜索数据中心的树形拓扑结构，找到第一个能够满足租户对APPVM和MBVM个数需求的、并且没有被该租户打过作为最小子树标记的最小子树，然后打上作为过该租户最小子树的标记。

作为优选的，所述步骤3)保留网络带宽包括：基于租户内部和租户之间的通信模型,对于一个租户内部的通信，需要为该租户的每个APPVM保留带宽为Bⁱⁿ；对于租户之间的通信，当租户A和租户P之间有通信需求时，为这个通信需求保留的带宽为：

$min(N_A{B}_A^{ex},N_p{B}_p^{ex})---\left(2\right);$

其中：N_A表示租户A请求的用于部署APPVM的数量，表示租户A外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；N_p表示租户P请求的用于部署APPVM的数量，表示租户P外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；

上述公式(2)保留的带宽均匀分配到租户A的APPVM到租户P的MBVM、租户P的MBVM到租户P的APPVM、租户P的APPVM到租户A的MBVM、租户A的MBVM到租户A的APPVM之间的每条链路上。

有益效果：本发明提出了一种多租户数据中心软件中间件的部署方法，相较于现有技术，如简单朴素的部署算法等，能够有效协调存放租户的应用虚拟机和中间件虚拟机的部署问题，使得在数据中心在保证租户对于虚拟机、中间件和网络通信需求的同时，进一步增加被接受的租户请求数量，甚至使得被接受的租户请求数量最多，整体大幅提升了数据中心的收益。

附图说明

图1为应用本发明的数据中心拓扑示意图；

图2为将租户A(tenantA)请求的Middelbox和Application虚拟机部署在数据中心物理机上的示意图；

图3为两租户通信的数据流向图，其中租户P包含两类MB＝<MB1，MB2>；

图4为两种简单朴素的部署算法；

图5为对一种简单朴素的部署算法的优化示意图；

图6为不失一般性的情况下MBVM和APPVM部署示意图；

图7为本发明与图4给出的两种部署算法比较的仿真实验结果图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，本实施列对本发明不构成限定。

本发明给出的多租户数据中心软件中间件的部署方法，以真实的数据中心的物理拓扑信息以及租户的请求作为输入。图1表示一个数据中心的网络拓扑，如图1所示，一个真实的数据中心的网络拓扑包括：网络拓扑结构，链路容量，物理机容量(可开启虚拟机个数)。租户的请求包括：租户请求的APPVM的数量、租户请求的MBVM的数量、租户APPVM之间通信所需求的每个APPVM的最小通信带宽保障、租户之间通信所需求的每个虚拟机每条连接的最小外部通信带宽保障、以及租户之间通信的依赖关系。图2给出了把租户A请求的APPVM和MBVM部署到数据中心网络中的例子。可以看到租户A请求的APPVM和MBVM分别被部署到了数据中心一个机架中的三台物理机中。

文中APPVM为ApplicationVirtualMachine的简称，表示用于应用的虚拟机，其用于计算和存储等应用；MBVM为MiddleboxVirtualMachine的简称，表示中间件虚拟机。

本发明需要满足的租户需求有三个：

(1)虚拟机资源：保证租户请求的APPVM和MBVM数量。

(2)内部通信带宽：同一租户的APPVM通信时，每台虚拟机的最小通信带宽保障。

(3)外部通信带宽：不同租户的APPVM之间通信时，每台虚拟机对每条连接的最小通信带宽保障。

为了清楚地刻画数据中心当中软件中间件的部署问题，本发明为租户的请求建立了如下租户虚拟机需求的数学模型，以形式化地表达了租户对于虚拟机、中间件以及网络资源的需求。在该模型下，一个租户的请求可以通过一个五元组来表示。

Tenant＝<N,R,Bⁱⁿ,B^ex,dependency>(1)；

其中：

(1)N表示租户请求的用于部署APP的VM的数量；

(2)R是一向量<r₁,r₂,…,r_n>，表示租户请求的每类MBVM能够服务的APPVM的数量，通过向量R和请求的APPVM数量N，得到每一类MB_i需要的虚拟机的数量N/r_i；本实施例中，用户请求的MB可以包含多种类型，如<防火墙，入侵检测系统，负载均衡器>等；

(3)Bⁱⁿ表示租户内部的APPVM通信需求，即租户内部的APPVM之间通信时每个APPVM的最小内部通信带宽；

(4)B^ex表示租户之间的通信需求，即表示租户与其他租户通信时，该租户每个APPVM在每条连接下的最小外部通信带宽；

(5)dependency是一向量，表示租户之间的通信依赖关系，该向量的每个分量代表与该租户有通信需求的其他租户ID，其中，当dependency＝<i>时表示本租户与第i个租户有通信需求，当dependency＝<*>时，则表示该租户可以接受来自任何其他租户的通信请求。

本实施例中，如图3所示的两个租户之间通信时的数据流向。当租户A到租户P有数据流时，从租户A的APPVM发出的数据先依次流向租户P的各类MBVM，然后再流入租户P的APPVM。需要为这个通信需求保留的带宽为：

$min(N_A{B}_A^{ex},N_p{B}_p^{ex})---\left(2\right);$

如上所述，这个带宽不仅需要保留在租户A的APPVM到租户P的每个MBVM链路，也要保留在租户P的MBVM到租户P的APPVM之间。

不失一般性，在以下分析中我们把所有种类的Middlebox看作一种，用R表示每个MBVM能够服务的APPVM的数量。即R＝r₁+r₂+…+r_n。

图4给出了两种简单朴素的部署算法。图中每个虚线框表示的是一个与交换机相连的物理机，每个物理机上都可以部署APPVM和MBVM。可以看出，图4(a)表示的部署算法是把刚好能够匹配需求R的APPVM和MBVM部署在同一个物理机上。图4(b)表示的部署算法是把APPVM和MBVM分别放在不同的物理机上。

相较于简单朴素的部署算法，本发明能更为有效地在满足上述提到的租户的需求以及通信需求的同时，最大化数据中心接受租户的请求，尽量避免物理机上还有虚拟机空闲，然而出口链路带宽已经耗尽的情况。为了有效利用虚拟机资源，本方法在满足租户需求的同时，尽量减少带宽的消耗。

本部署算法的原理分析如下：

图5为对图4(b)表示的简单朴素的部署算法的优化示意图。图5(a)表示采用图4(b)的简单朴素的部署算法时数据流的流向和带宽需求a。如图5(b)中所示，通过把图5(a)中左边物理机上的一个MBVM转移到右边APPVM所在的物理机上，可以看到图5(b)中原本左边物理机到交换机的上下行带宽均为a，在进行移动过后，带宽均变成了:

$a-\frac{{\mathrm{MB}}_r}{MB}a---\left(3\right);$

MB_r表示右边物理机上的MBVM个数，MB表示该租户请求的MBVM的总个数，由此可以看出上下行带宽均有了减少。

接下来考虑更一般的情况。不失一般性，假设三个物理机与一个交换机相连，如图6所示，最左边一个物理机上的MBVM的个数为MB₁，没有APPVM；中间一个物理机上的MBVM的个数为MB₂，APPVM表示为AAP_l，个数为N_l；右边一个物理机上的MBVM个数为MB₃，APPVM表示为APP_r，个数为N_r。由于N表示该租户请求的所有APPVM的个数，因此，N＝N_l+N_r。MB表示该租户请求的所有MBVM的数量，因此，MB＝MB₁+MB₂+MB₃。a表示所有到该租户的流量带宽，a＝N×B^ex。由于在本例中，我们把所有种类的Middlebox看作一种，用R表示每个MBVM能够服务的APPVM的数量。因此，MB×R＝N_l+N_r＝N。

现在分以下两种情况来对图6给出的不失一般性的APPVM和MBVM部署方法的示例进行分析，进而找到更优化的虚拟机部署策略：

情况1：MB₂的数量足以服务APP_l，但是MB₃的数量不足够服务APP_r，需要从MB₁获取中间件服务。

这种情况可写成如下约束：

MB₂×R≥N_l,MB₃×R≤N_r,N_l≤N/2(4)；

需要为三条从交换机到物理机的链路保留的下行带宽可表示为：

$\frac{{\mathrm{MB}}_1}{MB}a+a+2N_l{B}^{in}+\frac{{\mathrm{MB}}_2}{MB}a-N_l{B}^{ex}=2a-\frac{{\mathrm{MB}}_3}{MB}a+(2B^{in}-B^{ex})N_l---\left(5\right);$

通过约束化简得上式大于等于：

$\begin{array}{c}2a+(2B^{in}-B^{ex})N_l-\frac{a}{NB}\frac{N-N_l}{R}\\ =2a-\frac{aN}{MB\&times;R}+(2B^{in}-B^{ex}+\frac{{\mathrm{NB}}^{ex}}{MB\&times;R})N_l\\ =a+2B^{in}{N}_l\end{array}---\left(6\right);$

情况2：MB₂的数量和MB₃的数量均不足够服务APP_l和APP_r，都需要从MB₁获取中间件服务。

这种情况可写成如下约束：

${\mathrm{MB}}_2\&times;R\&le;N_l,{\mathrm{MB}}_3\&times;R\&le;N_r,N_l\&le;\frac{N}{2},N_l+N_r=N---\left(7\right);$

需要为三条从交换机到物理机的链路保留的下行带宽可以表示为：

$\frac{{\mathrm{MB}}_1}{MB}a+a+2N_l{B}^{in}=(1-\frac{{\mathrm{MB}}_2}{MB}-\frac{{\mathrm{MB}}_3}{MB})a+a+2B^{in}{N}_l---\left(8\right);$

通过约束化简得上式大于等于：

$\begin{array}{c}2a+2B^{in}{N}_l-\frac{N_{l}a}{MB\&times;R}-\frac{N_{r}a}{MB\&times;R}\\ =2a+2B^{in}{N}_l-a\\ =a+2B^{in}{N}_l\end{array}---\left(9\right);$

根据以上分情况讨论的结果，可以发现需要保留的带宽总是随着N_l递增。据此分析得出：为了减少带宽的消耗，应最大化地把用户请求的APPVM放在同一个物理机上。

根据以上原理分析的结论，本发明提供的多租户数据中心软件中间件的部署方法，以上述数据中心的物理拓扑信息以及租户的请求作为输入，对于每个租户的请求T＝<N,R,Bⁱⁿ,B^ex,dependency>，其中：

N表示租户请求的用于部署APP的VM的数量；

R是一向量<r₁,r₂,…,r_n>，表示租户请求的每类MBVM能够服务的APPVM的数量，通过向量R和请求的APPVM数量N，得到每一类MB_i需要的虚拟机的数量N/r_i；

Bⁱⁿ表示租户内部的APPVM通信需求，即每个APPVM的最小内部通信带宽；

B^ex表示租户之间的通信需求，即每个APPVM在每条连接下的最小外部通信带宽；

dependency是一向量，表示租户之间的通信依赖关系，其中，当dependency＝<i>时表示本租户与第i个租户有通信需求。当dependency＝<*>时，则表示该租户可以接受来自任何其他租户的通信请求。

该方法包括以下步骤：

1)寻找最小子树：在数据中心的树形拓扑结构中，基于所述租户虚拟机需求模型，通过最小子树查找算法，找到虚拟机个数满足租户需求的最小子树，即找到一个最小的，且虚拟机个数能够满足N+N/R的子树，进入步骤2)如不存在这样的子树，则拒绝租户的请求；

2)部署租户虚拟机，把租户T的APPVM和MBVM按如下规则放入步骤1)中的最小子树中：对步骤1)中最小子树的每一个孩子逐一部署APPVM，如果该最小子树的孩子中还有剩余的虚拟机，则部署MBVM，当租户的APPVM和MBVM请求都被成功满足后，进入步骤3)，否则进入步骤1)中重新寻找一个最小子树；

3)保留网络带宽：根据租户虚拟机需求模型中给出的租户内部APPVM通信、租户之间相互通信、以及租户之间的通信依赖对于网络资源的需求，即Bⁱⁿ,B^ex,dependency，为租户保留带宽，如保留成功则该租户成功被数据中心接受，否则进入步骤1)重新寻找一个最小子树。

上述数据中心的物理拓扑信息中包括网络拓扑结构，链路容量，物理机容量(可开启虚拟机个数)。

对于上述步骤1)中的最小子树查找算法为：使用深度优先遍历搜索数据中心的树形拓扑结构，找到能够满足租户对APPVM和MBVM个数需求的最小子树，同时通过标记节点保证同一个租户不会两次尝试同一个子树作为最小子树。即使用深度优先遍历搜索数据中心的树形拓扑结构，找到第一个能够满足租户对APPVM和MBVM个数需求的、并且没有被该租户打过作为最小子树标记的最小子树，作为此次查找到的最小子树，然后打上作为过该租户最小子树的标记，避免同一个租户下次再次尝试将该子树作为最小子树。

上述步骤3)保留网络带宽包括：基于租户内部和租户之间的通信模型,对于一个租户内部的通信，需要为该租户的每个APPVM保留带宽为Bⁱⁿ；对于租户之间的通信，当租户A和租户P之间有通信需求时，为这个通信需求保留的带宽为：

$min(N_A{B}_A^{ex},N_p{B}_p^{ex})---\left(2\right);$

其中：N_A表示租户A请求的用于部署APPVM的数量，表示租户A外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；N_p表示租户P请求的用于部署APPVM的数量，表示租户P外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；

上述公式(2)保留的带宽均匀分配到租户A的APPVM到租户P的MBVM、租户P的MBVM到租户P的APPVM、租户P的APPVM到租户A的MBVM、租户A的MBVM到租户A的APPVM之间的每条链路上。

实验：

实验条件：在一个中等的数据中心网络拓扑结构上针对租户的请求<N,R,Bⁱⁿ,B^ex,dependency>进行了仿真实验。其中该租户请求的APPVM的数量N在5-15之间按均匀分布随机取值；R是一个向量，表示每个种类的MBVM能够服务APPVM的数量，该向量的长度，即MBVM的种类在1-4之间按均匀分布随机取值，每个分量在2-8之间按均匀分布随机取值；Bⁱⁿ和B^ex分别示该租户的内部带宽保障和与其它租户的通信保障，Bⁱⁿ在500-1000Mbps之间按均匀分布随机取值，B^ex随横坐标变化±50Mbps按均匀分布随机取值；有50％的租户之间有相互的通信需求。

实验结果：图7给出了在如上配置下，本发明与图4中两种部署算法(即图4(a)和图4(b))在数据中心能够稳定接受租户的请求时，对租户的接受率(AcceptRate)的比较。可以看出，在不同的B^ex配置下，相比图4的两种配置算法，本发明提供的部署方法在对租户的接受率上具有明显的优势。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多租户数据中心软件中间件的部署方法，其特征在于：以数据中心的物理拓扑信息和基于租户虚拟机需求模型给出的租户的请求作为输入，所述租户请求包括租户请求的APPVM的数量、租户请求的MBVM的数量、租户APPVM之间通信所需求的每个APPVM的最小通信带宽保障、租户之间通信所需求的每个虚拟机每条连接的最小外部通信带宽保障、以及租户之间通信的依赖关系，其中APPVM即为用于应用的虚拟机，MBVM即为中间件虚拟机；该方法包括以下步骤：

1)寻找最小子树：在数据中心的树形拓扑结构中，基于所述租户虚拟机需求模型，通过最小子树查找算法，找到虚拟机个数满足租户需求的最小子树，如不存在这样的子树，则拒绝租户的请求；

2)部署租户虚拟机：对步骤1)中最小子树的每一个孩子逐一部署APPVM，如果该最小子树的孩子中还有剩余的虚拟机，则部署MBVM，当租户的APPVM和MBVM请求都被成功满足后，进入步骤3)，否则进入步骤1)中重新寻找一个最小子树；

3)保留网络带宽：根据租户虚拟机需求模型中给出的租户内部APPVM通信、租户之间相互通信、以及租户之间的通信依赖对于网络资源的需求，为租户保留带宽，如保留成功则该租户成功被数据中心接受，否则进入步骤1)重新寻找一个最小子树。

2.根据权利要求1所述的多租户数据中心软件中间件的部署方法，其特征在于，基于租户虚拟机需求模型给出租户对虚拟机、中间件以及网络资源的需求，其中一个租户的请求通过如下五元组表示：

T＝<N,R,Bⁱⁿ,B^ex,dependency>(1)；

其中：

N表示租户请求的用于部署APP的VM的数量；

R是一向量<r₁,r₂,…,r_n>，表示租户请求的每类MBVM能够服务的APPVM的数量，通过向量R和请求的APPVM数量N，得到每一类MB_i需要的虚拟机的数量N/r_i；

Bⁱⁿ表示租户内部的APPVM通信需求，即每个APPVM的最小内部通信带宽；

B^ex表示租户之间的通信需求，即每个APPVM在每条连接下的最小外部通信带宽；

dependency是一向量，表示租户之间的通信依赖关系，其中，当dependency＝<i>时表示本租户与第i个租户有通信需求，当dependency＝<*>时，则表示该租户可以接受来自任何其他租户的通信请求。

3.根据权利要求1所述的多租户数据中心软件中间件的部署方法，其特征在于所述步骤1)中的最小子树查找算法为：使用深度优先遍历搜索数据中心的树形拓扑结构，找到第一个能够满足租户对APPVM和MBVM个数需求的、并且没有被该租户打过作为最小子树标记的最小子树，然后打上作为过该租户最小子树的标记。

4.根据权利要求1所述的多租户数据中心软件中间件的部署方法，其特征在于所述步骤3)保留网络带宽包括：基于租户内部和租户之间的通信模型,对于一个租户内部的通信，需要为该租户的每个APPVM保留带宽为Bⁱⁿ；对于租户之间的通信，当租户A和租户P之间有通信需求时，为这个通信需求保留的带宽为：

$min(N_A{B}_A^{ex},N_p{B}_p^{ex})---\left(2\right);$

其中：N_A表示租户A请求的用于部署APPVM的数量，表示租户A外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；N_p表示租户P请求的用于部署APPVM的数量，表示租户P外部通信时每个APPVM在每条连接下的最小通信带宽保障；

上述公式(2)保留的带宽均匀分配到租户A的APPVM到租户P的MBVM、租户P的MBVM到租户P的APPVM、租户P的APPVM到租户A的MBVM、租户A的MBVM到租户A的APPVM之间的每条链路上。