CN107193638A - 一种基于多维环境感知的网络功能快速自适应迁移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多维环境感知的网络功能快速自适应迁移方法，包含迁移的触发、待迁移虚拟功能的选择方法以及迁移目的虚拟机的匹配方法。在网络服务过程中用户的业务需求动态变化，虚拟网络功能也相应地变化，当虚拟机节点资源使用率超过阈值时，触发迁移条件，相应虚拟机VM节点进入过载虚拟机序列，通过待迁移虚拟功能选择方法，选择出过载虚拟机上待迁出的虚拟功能，迁移目的虚拟机匹配方法根据待迁移的虚拟网络功能选择相应的目的虚拟机，进行虚拟功能的迁移，从而实现网络的负载均衡。

Description

一种基于多维环境感知的网络功能快速自适应迁移方法

技术领域

本发明属于软件定义网络(SDN)和网络虚拟化(NFV)领域，涉及一种用户业务需求动态变化的场景下，基于环境感知的网络功能快速迁移的方法。

背景技术

随着网络的发展，传统的网络架构面临着诸多问题，例如协议臃肿、业务部署困难以及资源调度不灵活等，因而迫切需要提出新的技术来改变这一状况。NFV(NetworkFunction Virtualization，网络功能虚拟化)和SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)应运而生。NFV技术可以将虚拟网络功能运行在通用硬件之上，SDN可以控制流量转发路径，实现网络可编程。

目前，网络中已存在结合NFV和SDN技术的案例，通过NFV技术将网络资源进行静态映射，容易导致网络流量分布的不均衡，进而引起负载失衡。在SDN和NFV部署的可重构网络中，可编程交换机将目的流量转发到相应的网络功能单元进行处理，因此网络功能的动态部署可能导致网络控制域之间的负载不均衡。此外，当用户终端移动时，网络功能需要根据业务需求进行移动，实现网随人动的网络。

发明内容

技术问题：本发明针对NFV和SDN部署中出现的负载失衡问题，提供一种用户业务需求动态变化的场景下，基于环境感知的网络功能快速迁移的方法。

技术方案：本发明基于用户业务需求动态变化的场景下，基于环境感知的网络功能快速迁移的方法，该方法包括以下步骤：

迁移的触发：

1-1)迁移的触发通过物理机节点上的虚拟机资源状态监测模块实现，该模块位于物理机节点上，监测部署于本物理机节点上的虚拟机节点的各项资源使用状况，包括计算资源、存储资源和通信资源等。

1-2)迁移的触发条件：迁移的触发条件由管理人员预设的资源使用阈值进行迁移的触发，可以对不同的资源类型定义不同的资源使用阈值，当虚拟机内任一资源的使用情况超过预设的阈值，该虚拟机过载，触发迁移条件，该虚拟机进入过载虚拟机序列；

待迁移虚拟功能的选择方法：

2-1)待迁移虚拟功能的选择方法通过控制器的待迁移虚拟功能选择模块实现。当迁移条件触发时，物理机的虚拟机资源状态监测模块将过载虚拟机的相关资源使用状况上报SDN控制器，待迁移虚拟功能选择方法读取过载虚拟机序列以及相关虚拟机资源的使用状况；

2-2)待迁移虚拟功能选择模块根据虚拟机过载资源类型以及其上部署的虚拟功能对各个资源的占用情况，选择待迁移的虚拟功能；

迁移目的虚拟机的匹配方法：

3-1)迁移目的虚拟机的匹配方法通过控制器的迁移目的虚拟机选择模块实现。该模块读入待迁移的虚拟功能，以及控制器控制域下所有物理机上虚拟机的资源使用状况；

3-2)迁移目的虚拟机选择模块通过待迁移虚拟功能对各项资源的需求，以及各个虚拟机的剩余资源状况，匹配目的虚拟机。

迁移的触发所述步骤1-1)中，包含虚拟机资源状态监测模块，具体流程如下：

a)VNFs监测模块监测虚拟机VM节点上部署的所有VNF各项资源的占用情况；

b)VM资源状态监测模块监测物理机节点部署的所有虚拟机VM的资源占用情况；

c)当某虚拟机VM的任一资源占用超过预设阈值时，该虚拟机过载，触发迁移条件，VNFs监测模块和VM资源状态监测模块向控制器上报相关数据，同时将该虚拟机添加到过载虚拟机序列；

待迁移虚拟功能的选择方法所述步骤2-1)中，包含待迁移虚拟功能选择模块，具体流程如下：

a)当迁移条件触发后，控制器获取到过载虚拟机序列和相关虚拟机上的VNF信息；

b)待迁移虚拟功能选择模块根据过载虚拟机的过载资源类型，以及其上VNF的资源占用情况，定义迁移指数，采用动态资源权重保证对过载资源占用越高的VNF的迁移指数越大；

c)根据迁移指数对过载虚拟机上的VNF集合进行排序，选出待迁移虚拟功能；

迁移目的虚拟机的匹配方法所述步骤3-1)中，包含迁移目的虚拟机选择模块，具体流程如下：

a)迁移目的虚拟机选择模块从待迁移虚拟功能选择模块处获取待迁移的虚拟虚拟功能序列；

b)迁移目的虚拟选择模块从控制器获取过载虚拟机集合、控制器下所有虚拟机集合以及本物理机上的虚拟机集合；

c)迁移目的虚拟机选择模块根据待迁移虚拟功能对各项资源的需求情况，优先在本物理机上的未过载虚拟机集合中进行匹配，匹配的要求：

i.满足虚拟功能的各项资源占用需求；

ii.虚拟功能迁移至此后，本虚拟机的任一资源占用不会超过预设阈值；

当满足以上条件后，匹配成功，输出迁移目的虚拟机；否则继续在其他未过载虚拟机集合中进行匹配，匹配要求相同；

d)当虚拟功能迁出后，检查过载虚拟机的资源占用是否降至阈值以下，当资源占用降至阈值以下时，将该虚拟机从过载虚拟机序列中移除，添加至未过载虚拟机序列；否则继续迁移过程，直至最终实现网络的负载均衡。

缩略词说明：

NFV Network Function Virtualization 网络功能虚拟化

SDN Software Defined Networking 软件定义网络

VM Virtual Machine 虚拟机

VNF Virtualized Network Function 虚拟网络功能

有益效果

本发明解决了SDN和NFV部署中，通过NFV技术将网络资源进行静态映射，容易导致网络流量分布的不均衡，进而引起负载失衡的问题，提供了一种基于资源使用状况的虚拟功能动态迁移方法，通过感知虚拟机资源使用情况，当某项资源使用请过超过预设阈值，触发迁移条件，进入迁移状态，将虚拟机状态上报控制器的迁移虚拟功能选择模块，得到待迁移虚拟功能，通过控制器的迁移目的虚拟机选择模块匹配目的虚拟机，进行虚拟功能迁移，降低过载虚拟机的资源使用率，实现网络负载均衡。

附图说明

图1为SDN网络中，基于多维环境感知的网络功能快速自适应迁移方法的迁移流程图。

图2为场景图。

图3为VNF动态迁移过程图

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图对本发明技术方案进行详细描述。

1.本发明的场景如图2所示；在该场景下，控制器根据用户的服务请求，以及物理机和虚拟机资源的使用情况，在一定的位置上进行VNF虚拟网络功能的实例化放置。当用户需求发生变化后，对应的VNF也发生相应的变化。当VNF所在虚拟机的资源占用率超过预设的阈值时，触发迁移条件。虚拟机监测模块将过载虚拟机存入过载虚拟机序列，并上报控制器。控制器根据过载虚拟机的资源占用情况以及其上部署的VNF，选择待迁移VNF并匹配迁移目的虚拟机，降低过载虚拟机的资源使用率，实现网络的动态均衡。

说明：

1)SDN控制器：控制整个网络的拓扑连接、数据转发流表、监听VNF迁移的触发以及VNF的迁移规划和迁移。

2)物理机节点：位于某个SDN控制器的控制域下，由通用硬件组成，包含计算、存储和通信资源；

3)虚拟机VM节点：通过软件在物理机节点上模拟的具有完整硬件系统功能的计算机系统，包含计算、存储和通信资源，可以在同一物理机节点上部署多个虚拟机节点。

4)虚拟网络功能VNF节点：虚拟网络功能节点是依据用户的业务需求在合适的虚拟机上部署相应的软件以实现相应的功能。

5)待迁移虚拟功能选择模块：从过载虚拟机上选择虚拟功能进入待迁移序列

6)迁移目的虚拟机选择模块：选择待迁移虚拟功能迁移的目的虚拟机；

7)虚拟机资源状态监测模块：用以监测物理机上的虚拟机VM节点的资源使用状况；

8)VNFs监测模块：监测虚拟机节点上部署的虚拟网络功能对各项资源的使用情况；

2.如图1所示，基于多维环境感知的VNF快速自适应迁移过程如下：

1)初始条件下，SDN控制器根据用户的业务需求在虚拟机VM节点上进行VNF的实例化放置；

2)虚拟机资源状态监测模块：每个物理机对本物理机上部署的虚拟机进行计算、存储和通信资源的实时监测，当虚拟机某项资源的占用率超过预设的阈值时，触发VNF的迁移条件，系统进入待迁移状态，同时将该虚拟机添加到过载虚拟机序列；

3)待迁移虚拟功能选择模块：监听迁移是否触发，当VM触发迁移条件后，读入过载虚拟机序列，以及相关虚拟机上VNFs监测模块中的数据，包含该虚拟机上所有VNF对计算、存储以及通信资源的占用情况；依据虚拟机的过载资源类型定义动态权重，计算VNF的迁移系数，迁移系数的定义为每种资源的动态权重与VNF对虚拟机资源占用比值的乘积和；按照迁移指数进行排序后，输出待迁移VNF；

4)迁移目的虚拟机选择模块：当待迁移虚拟功能选择模块输出待迁移VNF后，进入迁移目的虚拟机选择模块，该模块的作用是根据输入的待迁移VNF，为其匹配适当的迁移目的虚拟机；在满足用户业务需求的前提下有限匹配本地物理机内的未过载虚拟机，这样能够最大化的降低迁移的开销；当本地物理机上的未过载虚拟机集合不能满足VNF的迁移需求，转而匹配其他物理机上的未过载虚拟机集合；注意匹配的过程中需防止VNF迁移至该VM节点后导致该VM节点的资源使用率达到阈值，再次触发迁移条件，造成再次迁移；这样会极大的消耗网络资源，导致用户服务体验的降低。

正如上文所述，在不增加网络结构和网络复杂度的同时，实现利用SDN控制器实现基于多维环境感知的虚拟功能快速迁移。如图3所示，系统中虚拟机存在两个序列：未过载虚拟机序列和过载虚拟机序列；两者互不相交，两者并集构成全部虚拟机。初始情况下，虚拟机位于未过载序列，VNF按照业务需求部署在VM节点上。当VM的资源占用率超过阈值后，从未过载序列中移除，添加到VM过载序列。此时，待迁移VNF选择模块接收VM状态数据以及VNF状态数据，选出待迁移的虚拟网络功能VNF。迁移目的VM选择模块通过输入的待迁移VNF占用的相关资源量，在满足用户业务需求的前提下优先在本地物理机的未过载VM集合中进行匹配；当本地物理机内匹配失败后，再在其他物理机的未过载VM集合中进行匹配。

当VM发生过载的时候，整个VNF迁移过程如下:

(1)监测：物理机上的虚拟机资源状况监测模块实时监测该物理机上部署的虚拟机各项资源的使用率，当虚拟机的某项资源的占用率超过预定的阈值时，触发VNF的迁移条件，系统进入待迁移状态，将过载虚拟机加入过载虚拟机序列；

(2)排序：待迁移虚拟功能选择模块根据过载虚拟机的过载资源类型，定义不同的资源权重，计算出过载虚拟机上所有VNF的迁移指数，迁移指数的定义为动态资源权重与VM中VNF对该资源的占用比的乘积和，选出待迁移的虚拟网络功能。

(3)匹配：迁移目的虚拟机选择模块根据待迁移的虚拟网络功能对各项资源的占用，在未过载虚拟机中进行匹配，寻找满足迁移条件的目的虚拟机。匹配过程中，优先在本地物理机的未过载虚拟机集合中进行匹配，匹配成功则结束匹配；否则在其他物理机的未过载虚拟机集合中进行匹配。

(4)迁移：当匹配到合适的目的虚拟机，控制器向待迁移虚拟机发送指令，进行虚拟网络功能的迁移，以降低过载虚拟机的负载，实现网络负载均衡。

本发明的有益效果如下：

当业务需求不断变化时，部署的VNF占用过多虚拟机资源，导致虚拟机过载，在保证业务需求的前提下，控制器能够根据网络中各个虚拟机的负载情况，进行VNF快速动态迁移，进而实现网络的动态负载均衡。解决了SDN和NFV部署中，通过NFV技术将网络资源进行静态映射，容易导致网络流量分布的不均衡，进而引起负载失衡的问题。

Claims (4)

1.一种基于多维环境感知的网络功能快速自适应迁移方法，其特征在于，该方法包含迁移的触发、待迁移虚拟功能的选择方法以及迁移目的虚拟机的匹配方法，具体如下：

1)迁移的触发：

1-1)迁移的触发通过物理机节点上的虚拟机资源状态监测模块实现，该模块位于物理机节点上，监测部署于本物理机节点上的虚拟机节点的各项资源使用状况，包括计算资源、存储资源和通信资源；

1-2)迁移的触发条件：迁移的触发条件由管理人员预设的资源使用阈值进行迁移的触发，对不同的资源类型定义不同的资源使用阈值，当虚拟机内任一资源的使用情况超过预设的阈值，该虚拟机过载，触发迁移条件，该虚拟机进入过载虚拟机序列；

2)待迁移虚拟功能的选择方法：

2-1)待迁移虚拟功能的选择方法通过控制器的待迁移虚拟功能选择模块实现；当迁移条件触发时，物理机的虚拟机资源状态监测模块将过载虚拟机的相关资源使用状况上报SDN控制器，待迁移虚拟功能选择方法读取过载虚拟机序列以及相关虚拟机资源的使用状况；

2-2)待迁移虚拟功能选择模块根据虚拟机过载资源类型以及其上部署的虚拟功能对各个资源的占用情况，选择待迁移的虚拟功能；

3)迁移目的虚拟机的匹配方法：

3-1)迁移目的虚拟机的匹配方法通过控制器的迁移目的虚拟机选择模块实现，该模块读入待迁移的虚拟功能，以及控制器控制域下所有物理机上虚拟机的资源使用状况；

3-2)迁移目的虚拟机选择模块通过待迁移虚拟功能对各项资源的需求，以及各个虚拟机的剩余资源状况，匹配目的虚拟机。

2.如权利要求1所述的方法中，其特征在于，所述1)迁移的触发所述步骤1-1)中，包含虚拟机资源状态监测模块，具体流程如下：

a)VNFs监测模块监测虚拟机VM节点上部署的所有VNF各项资源的占用情况；

b)VM资源状态监测模块监测物理机节点部署的所有虚拟机VM的资源占用情况；

c)当某虚拟机VM的任一资源占用超过预设阈值时，该虚拟机过载，触发迁移条件，VNFs监测模块和VM资源状态监测模块向控制器上报相关数据，同时将该虚拟机添加到过载虚拟机序列。

3.如权利要求1所述的方法中，其特征在于，所述2)待迁移虚拟功能的选择方法所述步骤2-1)中，包含待迁移虚拟功能选择模块，具体流程如下：

a)当迁移条件触发后，控制器获取到过载虚拟机序列和相关虚拟机上的VNF信息；

b)待迁移虚拟功能选择模块根据过载虚拟机的过载资源类型，以及其上VNF的资源占用情况，定义迁移指数，采用动态资源权重保证对过载资源占用越高的VNF的迁移指数越大；

c)根据迁移指数对过载虚拟机上的VNF集合进行排序，选出待迁移虚拟功能。

4.如权利要求1所述的方法中，其特征在于，所述3)迁移目的虚拟机的匹配方法所述步骤3-1)中，包含迁移目的虚拟机选择模块，具体流程如下：

a)迁移目的虚拟机选择模块从待迁移虚拟功能选择模块处获取待迁移的虚拟虚拟功能序列；

b)迁移目的虚拟选择模块从控制器获取过载虚拟机集合、控制器下所有虚拟机集合以及本物理机上的虚拟机集合；

c)迁移目的虚拟机选择模块根据待迁移虚拟功能对各项资源的需求情况，优先在本物理机上的未过载虚拟机集合中进行匹配，匹配的要求：

i.满足虚拟功能的各项资源占用需求；

ii.虚拟功能迁移至此后，本虚拟机的任一资源占用不会超过预设阈值；

当满足以上条件后，匹配成功，输出迁移目的虚拟机；否则继续在其他未过载虚拟机集合中进行匹配，匹配要求相同；

d)当虚拟功能迁出后，检查过载虚拟机的资源占用是否降至阈值以下，当资源占用降至阈值以下时，将该虚拟机从过载虚拟机序列中移除，添加至未过载虚拟机序列；否则继续迁移过程，直至最终实现网络的负载均衡。