JP6355133B2 - 仮想化基盤選択装置、その方法及びプログラム - Google Patents

仮想化基盤選択装置、その方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、仮想化されたネットワーク機能である仮想マシン(Virtual Machine:VM)を実現するための仮想化基盤(Network Functions Virtualisation Infrastructure:NFVI)を選択する技術に関する。
NFVIを提供する事業者は、利用者からのサービス要求に基づき、NFVaaS(仮想化したNW機能の提供)やNFVIaaS(NFVIを提供するサービス)の提供を行う場合、少なくとも1つのデータセンタ(Data Center:DC)に配備された少なくとも1台の物理サーバで構成されるNFVIから、前記サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを選択して行っていた。
この際、サービス要求(以下、「アプリ要求」と言い換える。)それ自体は具体的に必要とされる物理リソースの要求(例えば、空きメモリ16GB以上等)ではないため、従来は、経験等に基づいて物理サーバを選択していた。
また、一般的にNFVIを構成する物理サーバは需要予測に合わせ、余裕をもって配備することが多いため、アプリ要求に応じて空いている物理サーバを単純に選択したり、複数候補がある場合には要求の発生順に機体番号等に従ってシーケンスまたはランダムに選択していた。
宮坂昌宏、笠原秀樹、堀米紀貴、土屋利明、「仮想リソース管理に基づく収容設計の検討」、電子情報通信学会技術研究報告、NS2005-164、p25〜28、2006年3月2日 JiroEto,"legOS解説 第4章 メモリマネジメント−メモリ管理アルゴリズム−ベストフィット方式",[online], 1999年、[2014年12月18日検索]、インターネット<URL:http://www.ylw.mmtr.or.jp/~trustno1/legos/legos_4.html>
しかし、経験等に基づいて物理サーバを選択した場合、実際には選択した物理サーバがアプリ要求に対して十分な物理リソースを有しておらず、要求を満たすサービスを提供できないことがあるという問題があった。
また、空いている物理サーバを単純に選択したり、要求の発生順にシーケンスまたはランダムに選択した場合には、稼働させる物理サーバ数が増え、必要な電力が増えることになったり、物理リソースには複数の項目(CPU、メモリ、ディスク等)があるため、特定の物理リソースのみ上限になってしまったときでも空いていない物理サーバと判断され、選択されない結果、収容効率が下がってしまい、物理サーバ(物理リソース)の有効利用が図れなくなるという問題があった。
図1はアプリ要求を行う利用者からみたNFVIの全体構成を示すもので、少なくとも1台の物理サーバをそれぞれ備えた各DC(物理DC)は、接続されるネットワークの階層(上位か下位か)や当該物理DCが存在する場所(地域)によって複数の論理的なグループ(以下、論理DC)に分けられる。ここでは論理DCのうち、通常、ネットワークを介して利用者(の端末)と接続可能な領域の中央付近に設けられ、当該ネットワークの上位に接続された少なくとも1つの物理DCからなる論理DCをCDC(Centralized DC)と呼び、前記領域内の各地域に設けられ、前記ネットワークの下位に接続された少なくとも1つの物理DCからなる論理DCをLDC(Local DC)1,2,…と呼ぶものとする。
なお、図1ではCDCに属する物理DCをそれぞれCDC−a,CDC−b,…、LDC1に属する物理DCをそれぞれLDC1−a,LDC1−b,…、LDC2に属する物理DCをそれぞれLDC2−a,LDC2−b,…、と表記した。また、物理サーバと利用者(の端末)との間の通信遅延は、論理DC毎には異なるが、同一の論理DCに属する各物理DC中の物理サーバでは同様であるものとする。
前述したようにアプリ要求は具体的な物理リソースの要求ではないため、従来はどの論理DCを選び、どの物理DCを選び、さらにどの物理サーバを選べば、要求を満たすサービスを提供でき、稼働物理サーバ数を減らし、収容効率を上げることができるのか、判断できなかった。
図2は或る物理DC、ここではCDC−a中の各物理サーバに対し、アプリ要求を発生順にシーケンスに割り当てた場合のリソースの状態を示すもので、この場合、歯抜けが多くなってしまい、収容効率が低くなる可能性があることがわかる。
図3は物理リソースが複数の項目を有することによる収容効率の違いを示したもので、物理サーバの各リソースの利用状況に偏りがあり、アプリ要求が必要とする各リソースにも偏りがある場合、適切な物理サーバを選択しないと収容効率が低くなる可能性があることがわかる。
さらにまた、アプリ要求の中であいまいな項目(例えば、遅延要求等)に対しては、当該要求条件を満たしているか確認(例えば、アプリ要求の遅延について、要求内容に基づくとCDC配備が可能と判断できるが、実際に要求を満たしているかを確認)した上で、物理サーバを選択したいという希望も存在する。
本発明では前述した課題を解決するため、アプリ要求に基づくNFVIからの物理サーバの選択において、論理的な要求であるアプリ要求を物理的なリソースの要求に変換し、その要求を満たす物理サーバを抽出し、複数の物理サーバが抽出された場合は、最適な物理サーバを選択する。
これにより、要求を満たすサービスを提供できるとともに、物理サーバの収容効率を高め、配備した物理サーバ群における未使用となるサーバ数を最大化し、未使用サーバの電源を落とすことを可能とすることで、節電効果を高めることができる。
また、アプリ要求の物理リソースへの変換により丸め込まれた要求条件について、実際の環境で確認を行い、結果に合わせて再抽出を行うことで、要求条件に合った物理サーバを選択することができる。
本発明によれば、アプリ要求を物理的なリソースの要求へ変換することで、NFVIから配備可能な物理サーバの抽出が可能となる。抽出により複数の候補があった場合、最適なNFVIを選択することで収容効率を向上させることができる。
また、あいまいな項目があった場合、その項目について配備後の実環境で確認を行い、必要に応じて配備選択を変更することで、アプリ要求に合った配備を行うことができる。
さらに、最適なサーバの選択により、稼働停止又は待機状態となるサーバの消費電力の低減を可能とする。
利用者からみたNFVI全体を示す構成図 或る物理DC中の各物理サーバにアプリ要求をその発生順にシーケンスに割り当てた場合のリソースの状態を示す説明図 物理リソースが複数の項目を有することによる収容効率の違いを示す説明図 本発明の仮想化基盤選択装置の実施の形態の一例を示す構成図 論理DCの選択処理の概要を示す説明図 物理DCの選択処理の概要を示す説明図 物理サーバの選択処理の概要を示す説明図 本発明の仮想化基盤選択装置の実施の形態の他の例の構成及びシーケンスを示す図(その1) 本発明の仮想化基盤選択装置の実施の形態の他の例の構成及びシーケンスを示す図(その2) 要求変換処理の詳細を示す説明図 最適NFVI割り当て処理の詳細を示す説明図 最適選択方式の詳細を示す説明図
図4は本発明の仮想化基盤選択装置の実施の形態の一例を示すもので、図中、1は物理リソース変換部、2はサーバ抽出部、3は最適サーバ選択部である。
物理リソース変換部1は、論理的な要求であるアプリ要求(サービス要求)を物理的なリソースの要求に変換する。サーバ抽出部2は、NFVIに属する全ての物理サーバのリソース情報及び残りのリソース情報に基づき、NFVI中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出する。最適サーバ選択部3は、前記抽出した物理サーバの中から最適な物理サーバを選択する。
NFVIの全体が図1に示したような、少なくとも1台の物理サーバを備えた物理DCであってその存在する地域によって区分される物理DCの集合をそれぞれ含む複数の論理DCからなるような場合、物理リソース変換部1における処理には、論理DCの選択処理が含まれる。
論理DCの選択処理とは、どの論理DC内から、アプリ要求に対応するVMを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを選択するか、言い換えればアプリ要求にかかるVMをどの論理DC内に配置するかを選択する処理である。図5に論理DCであるCDC,LDC1,LDC2,…のいずれかから選択する場合のようすを示す。
論理DCの選択処理においては、アプリ要求に含まれる遅延要求及び/又は地域指定の項目に従って選択されるものとするが、アプリ要求に遅延要求の項目が含まれる場合、当該遅延要求を地域に変換した上で論理DCの選択処理を行う。
例えば、遅延要求が「1:有り(重要)」、「2:有り(可能なら)」、「3:無し」の3種類である場合において、ユーザ端末からの各論理DCに対する通信遅延がLDC1は50msec、CDCは100msec、LDC2は150msec、…であるようなときは、アプリ要求に含まれる遅延要求が「1」であればLDC1が選択対象となる。
図6は物理DCの選択処理の概要を示すものである。
物理DCの選択処理とは、前記選択された論理DC内のどの物理DC内から、アプリ要求に対応するVMを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを選択するか、言い換えればアプリ要求にかかるVMを前記選択された論理DC内のどの物理DC内に配置するかを選択する処理である。図6ではLDC1内の物理DCであるDC1,DC2,DC3,DC4,DC5のいずれかから選択するようすを示している。
物理DCの選択処理においては、各物理DCの大きさ(収容能力)、各物理DCの空き容量、物理DC毎の需要予測、物理DCの優先度、スイッチ段数等の項目に従って適切に選択されるものとするが、詳細については本願の範囲外とする。なお、通信遅延に関するサービスレベルについては、同一CDC又は同一LDC内であればどの物理DCでも要求は満たされる。
図7は物理サーバの選択処理の概要を示すものである。
物理サーバの選択処理とは、前記選択された物理DC内のどの物理サーバを、アプリ要求に対応するVMを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバとして選択するか、言い換えればアプリ要求にかかるVMを前記選択された物理DC内のどの物理サーバに配置するかを選択する処理である。図7ではLDC1に属するDC2内の物理サーバのいずれかを選択する場合のようすを示している。
物理サーバの選択処理においては、既に使用中の物理サーバを可能な限り選択し、これによって未使用の物理サーバ(使用率0%)数を最大化して節電し、物理サーバ毎の各リソースは平準化する、という目標に従って選択されるものとするが、詳細は後述する。
図8、図9は本発明の仮想化基盤選択装置のより具体的な実施の形態の構成及びシーケンスを示すもので、本実施形態の仮想化基盤選択装置は、NFVI情報データベース(DB)11、リソース状況データベース(DB)12及びNFVI管理部13からなっている。
NFVI情報DB11は、仮想化基盤(NFVI)に属する全ての物理サーバのリソース情報、具体的には物理サーバ毎の配置先論理DC(場所)、CPUの能力、メモリの容量、ディスクの容量、使用可能帯域、VM数の上限等を格納している。表1にその一例を示す。
Figure 0006355133
リソース状況DB12は、NFVIに属する全ての物理サーバの残りのリソース情報、具体的には物理サーバ毎のCPUの余剰能力、メモリの空き容量、ディスクの空き容量、余剰帯域、余剰VM数等を格納している。表2にその一例を示す。
Figure 0006355133
NFVI管理部13は、論理的な要求であるサービス要求を物理的なリソースの要求に変換する要求変換処理機能と、前記NFVI情報DB11及びリソース状況DB12を用いてNFVI中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出し、前記抽出した物理サーバの中から最適な物理サーバを選択する最適NFVI割り当て処理機能とを少なくとも含む。
また、NFVI管理部13は、最適NFVI割り当て処理機能によって選択された物理サーバが実際にサービス要求を満たすかどうかを確認し、満たさなければ再度、最適NFVI割り当て処理機能を起動する要求確認処理機能をさらに含む。
以下、本実施の形態の動作について説明する。
各物理サーバに関する情報はシステム管理者よりNFVI管理部13に入力され、この情報によってNFVI情報DB11は更新される。
アプリ要求がシステム管理者よりNFVI管理部13に入力されると、NFVI管理部13はその要求変換処理機能により、当該アプリ要求を物理リソース要求に変換する。なお、要求変換処理の詳細は後述する。
アプリ要求には、用途(アプリケーションソフトウェアか具体的なVMか)、遅延要求、処理能力、データ量、アプリ(の種別)、通信量等が含まれる。表3にその一例を示す。
Figure 0006355133
また、変換後の物理リソース要求には、場所(論理DCのID)、CPUの能力、メモリの容量、ディスクの容量、帯域等が含まれる。表4にその一例を示す。
Figure 0006355133
次に、NFVI管理部13はNFVI情報DB11及びリソース状況DB12からNFVI情報及びリソース状況をそれぞれ取得し、最適NFVI割り当て処理を行い、アプリ要求にかかるVMを割り当てる物理サーバを選択する(詳細は後述する。)。
次に、NFVI管理部13はリソース状況DB12中の前記選択された物理サーバのリソース状況に対し、前記変換後の物理リソース要求に対応するリソースの予約を行う。また、NFVI管理部13は前記選択された物理サーバにVMを立ち上げるとともに、要求確認処理を実行する。
要求確認処理では、まずVMの再配置(再選択)の可否を判定する。再配置の可否の判定とは、前述した最適NFVI割り当て処理において選択された物理サーバに関し、他の物理サーバを選択する余地があるか否かを判定するもので、例えばアプリ要求にかかるVMを配置可能な物理サーバが前記選択された物理サーバのみであれば、再配置(再選択)不可(NG)と判定されることになる。
この際、VMの再配置(再選択)を行う余地がなければ以後の要求確認処理を行うことなく、NFVI管理部13はリソース状況DB12中の前記選択された物理サーバのリソース状況に対し、前記変換後の物理リソース要求に対応するリソースの確保(+予約解放)を行い、その旨をシステム管理者又は管理システムに応答する。
一方、VMの再配置を行う余地があり、再配置(再選択)が可(OK)であれば、NFVI管理部13は利用者(の端末や利用者宅内に設置された宅内装置)に対し、実際にアプリ要求を満たすかどうかの確認を行う。具体的には、例えばアプリ要求中に遅延要求「2:有り(可能なら)」があり、変換後の物理リソース要求で選択された物理サーバの所属論理DCがCDCであった場合において、通信遅延が想定範囲内かどうかを周知のPing等を用いてチェックする。
確認結果がOK、つまり要求を満たすのであれば、NFVI管理部13はVMの再配置(再選択)不可の場合と同様の処理を実行する。
一方、確認結果がNG、つまり要求を満たさないのであれば、NFVI管理部13は物理リソース要求を変更した上で、再度、最適NFVI割り当て処理を繰り返す。例えば、通信遅延が想定範囲を超えていた場合は、アプリ要求中の遅延要求を「1:有り(重要)」とみなした物理リソース要求、つまり選択された物理サーバの所属論理DCをより利用者に近いLDCに変更した上で、再度、最適NFVI割り当て処理を繰り返す。
図10は要求変換処理の詳細を示すもので、ここでは予め定めた対比表に基づき、アプリ要求の各項目を物理リソース要求の各項目に変換するようすを示している。即ち、図示例では、遅延要求の「1,2,3」に対してそれぞれ、論理DCの「LDC,CDC,CDC」が割り当てられており、アプリ要求中の遅延要求が「2」であった場合に、論理DC(場所)が「LDC1」の物理リソース要求に変換されている。他の項目についても同様であるが、項目によっては無視する場合もある。
図11は最適NFVI割り当て処理の詳細を示すものである。
最適NFVI割り当て処理では、まず、アプリ要求を満たすNFVIの抽出(正確には物理リソース要求を満たす物理サーバの抽出)を行う。この際、抽出されたNFVIが1つであれば、そのNFVIを割り当てNFVIに決定し、1つもなければNG応答を返す。
一方、抽出されたNFVIが2つ以上であれば、その中から(後述する)最適選択方式でNFVIを抽出する。ここで抽出されたNFVIが1つであれば、そのNFVIを割り当てNFVIに決定する。
再び、抽出されたNFVIが2つ以上であれば、要求の数値等をハッシュ計算して同じ番号のNFVIを割り当てNFVIに選択・決定する。
図12は最適選択方式の詳細、ここでは「ベストフィット方式」(非特許文献2参照)を発展させた方式を示す。
具体的には、(1)各サーバの物理リソース毎にマッチ率(要求リソース/残りリソース)を算出し、(2)サーバ毎にマッチ率の平均を計算し、平均マッチ率を算出する。また、(3)全サーバの平均マッチ率の平均を算出する。さらに、(4)各サーバの物理リソース毎に受け入れ後の残リソース率(残りリソース/全リソース)を計算し、(5)その標準偏差を取る。そして、(6)平均マッチ率がサーバの平均値以上で、(7)標準偏差が最小のサーバを割り当て先のサーバとして抽出する。なお、(6)「平均値以上」の代わりに上位○○%以上から選択する等としても良い。
1:物理リソース変換部、2:サーバ抽出部、3:最適サーバ選択部、11:NFVI情報データベース(DB)、12:リソース状況データベース(DB)、13:NFVI管理部。

Claims (6)

  1. 仮想化されたネットワーク機能である仮想マシンを実現するための、少なくとも1つのデータセンタに配備された少なくとも1台の物理サーバで構成される仮想化基盤において、利用者からのサービス要求に基づき当該サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを選択する仮想化基盤選択装置であって、
    論理的な要求であるサービス要求を物理的なリソースの要求に変換する物理リソース変換部と、
    仮想化基盤に属する全ての物理サーバのリソース情報及び残りのリソース情報に基づき、仮想化基盤中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出するサーバ抽出部と、
    前記抽出した物理サーバの中から1つの物理サーバを選択するサーバ選択部とを備え、
    前記サーバ選択部は、さらに、前記選択された物理サーバが実際にサービス要求を満たすかどうかを確認し、満たさなければ再度、前記サーバ抽出部から抽出された物理サーバの中から1つの物理サーバを選択する
    ことを特徴とする仮想化基盤選択装置。
  2. 仮想化基盤が、少なくとも1台の物理サーバを備えた物理データセンタであってその存在する地域によって区分される物理データセンタの集合をそれぞれ含む複数の論理データセンタからなる場合、
    前記物理リソース変換部は、サービス要求に遅延要求が含まれるときは、当該遅延要求を地域に変換し、当該地域に対応する論理データセンタを、サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを配備した物理データセンタを含む論理データセンタとして選択する
    ことを特徴とする請求項1に記載の仮想化基盤選択装置。
  3. 仮想化されたネットワーク機能である仮想マシンを実現するための、少なくとも1つのデータセンタに配備された少なくとも1台の物理サーバで構成される仮想化基盤において、利用者からのサービス要求に基づき当該サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを選択する仮想化基盤選択装置であって、
    論理的な要求であるサービス要求を物理的なリソースの要求に変換する物理リソース変換部と、
    仮想化基盤に属する全ての物理サーバのリソース情報及び残りのリソース情報に基づき、仮想化基盤中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出するサーバ抽出部と、
    前記抽出した物理サーバの中から1つの物理サーバを選択するサーバ選択部とを備え、
    仮想化基盤が、少なくとも1台の物理サーバを備えた物理データセンタであってその存在する地域によって区分される物理データセンタの集合をそれぞれ含む複数の論理データセンタからなる場合、
    前記物理リソース変換部は、サービス要求に遅延要求が含まれるときは、当該遅延要求を地域に変換し、当該地域に対応する論理データセンタを、サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを配備した物理データセンタを含む論理データセンタとして選択する
    ことを特徴とする仮想化基盤選択装置。
  4. 仮想化されたネットワーク機能である仮想マシンを実現するための、少なくとも1つのデータセンタに配備された少なくとも1台の物理サーバで構成される仮想化基盤において、利用者からのサービス要求に基づき当該サービスに対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを仮想化基盤選択装置が選択する仮想化基盤選択方法であって、
    前記仮想化基盤選択装置の物理リソース変換部が、論理的な要求であるアプリ要求を物理的なリソースの要求に変換する物理リソース変換工程と、
    前記仮想化基盤選択装置のサーバ抽出部が、仮想化基盤に属する全ての物理サーバのリソース情報及び残りのリソース情報に基づき、仮想化基盤中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出するサーバ抽出工程と、
    前記仮想化基盤選択装置のサーバ選択部が、前記抽出した物理サーバの中から1つの物理サーバを選択するサーバ選択工程とを含み、
    前記サーバ選択工程において、さらに、前記サーバ抽出部が、前記選択された物理サーバが実際にサービス要求を満たすかどうかを確認し、満たさなければ再度、前記サーバ抽出工程から抽出された物理サーバの中から1つの物理サーバを選択する工程を含む
    ことを特徴とする仮想化基盤選択方法。
  5. 仮想化されたネットワーク機能である仮想マシンを実現するための、少なくとも1つのデータセンタに配備された少なくとも1台の物理サーバで構成される仮想化基盤において、利用者からのサービス要求に基づき当該サービスに対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを仮想化基盤選択装置が選択する仮想化基盤選択方法であって、
    前記仮想化基盤選択装置の物理リソース変換部が、論理的な要求であるアプリ要求を物理的なリソースの要求に変換する物理リソース変換工程と、
    前記仮想化基盤選択装置のサーバ抽出部が、仮想化基盤に属する全ての物理サーバのリソース情報及び残りのリソース情報に基づき、仮想化基盤中の物理サーバから前記変換後の物理的なリソースの要求を満たす物理サーバを抽出するサーバ抽出工程と、
    前記仮想化基盤選択装置のサーバ選択部が、前記抽出した物理サーバの中から1つの物理サーバを選択するサーバ選択工程とを含み、
    仮想化基盤が、少なくとも1台の物理サーバを備えた物理データセンタであってその存在する地域によって区分される物理データセンタの集合をそれぞれ含む複数の論理データセンタからなる場合、
    前記物理リソース変換工程は、サービス要求に遅延要求が含まれるときは、当該遅延要求を地域に変換し、当該地域に対応する論理データセンタを、サービス要求に対応する仮想マシンを実現するためのアプリケーションソフトウェアを動作させる物理サーバを配備した物理データセンタを含む論理データセンタとして選択する
    ことを特徴とする仮想化基盤選択方法。
  6. コンピュータを、請求項1乃至3のいずれかに記載の仮想化基盤選択装置の各部として機能させるためのプログラム。
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