TWI650979B - 負載平衡調整系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種負載平衡調整系統及其方法，是基於虛擬化網路功能(VNF，Virtualized Network Function)之負載，動態調整服務功能鏈(SFC，Service Function Chain)之方法。當屬於服務功能鏈內其中一或多個虛擬化網路功能出現過載或低載時，會根據當下服務功能鏈的虛擬化網路功能之狀態，透過模擬試算的機制計算出新的最佳服務功能鏈拓樸，最後將該新拓樸實際部署至實際動態調整服務功能鏈之上。

Description

負載平衡調整系統及其方法

本發明係關於一種負載平衡調整系統及其方法，特別是關於一種基於虛擬化網路功能之負載來動態調整服務功能鏈之負載平衡調整系統及其方法。

目前，服務功能鏈技術本身是將一或多個以上之虛擬化網路功能，透過網路將其相連以提供對應之網路功能，而在本發明中係利用軟體定義網路技術(Software-Defined Network)來實現虛擬化網路功能之底層網路相連接。

有鑑於上述習知技藝之狀況，本發明之目的就是在提供一種負載平衡調整系統及其方法，以確保網路服務品質。

本發明之負載平衡調整系統包含至少一虛擬化網路功能模組以及一服務功能鏈控制器。其中虛擬化網路功能模組提供多個網路服務功能；服務功能鏈控制器連接虛擬化網路功能模組，並判斷虛擬化網 路功能模組是否為過載狀態或低載狀態；其中，若虛擬化網路功能模組為低載狀態，服務功能鏈控制器進行虛擬化網路功能模組縮減模擬試算；若虛擬化網路功能模組為過載狀態，該服務功能鏈控制器進行虛擬化網路功能模組擴展試算。

本發明之負載平衡調整方法包含下列步驟：以虛擬化網路功能模組提供多個網路服務功能；以服務功能鏈控制器連接虛擬化網路功能模組，並判斷虛擬化網路功能模組是否為過載狀態或低載狀態；若虛擬化網路功能模組為低載狀態，以服務功能鏈控制器進行虛擬化網路功能模組縮減模擬試算；若虛擬化網路功能模組為過載狀態，以服務功能鏈控制器進行虛擬化網路功能模組擴展試算。

承上所述，依本發明之負載平衡調整系統及其方法，其可具有一或多個下述優點：

1.本發明提供動態調整服務功能鏈之拓樸並根據需求擴展或縮減虛擬化網路功能，以確保網路服務品質。

2.本發明於服務功能間提供存在一或多條封包傳輸路徑，使封包能以多重路徑傳輸封包，以降低封包延遲。

3.本發明提供虛擬化網路功能之擴展及縮減之方法，好處在於系統可以根據回傳結果全面性的進行擴展或縮減而不必重覆相同行為，一方面可以減少系統負荷外，同時減少資本支出

4.本發明提供自動化調整服務功能鏈，係因於原先實體設備能利用虛擬化網路功能取代，不必如傳統方式需人員介入操作實體設備，用以減少運營商之營運支出。

101‧‧‧用戶端

102‧‧‧服務閘道

103‧‧‧定標器

104‧‧‧服務

105‧‧‧虛擬化網路功能

106‧‧‧封包轉送交換器

107‧‧‧服務功能鏈控制器

108‧‧‧基礎設施即服務

109‧‧‧服務功能鏈致能領域

201‧‧‧服務功能鏈

202‧‧‧服務功能鏈實際拓樸

601‧‧‧過載狀態

602‧‧‧過載狀態

603‧‧‧穩定狀態

604‧‧‧定標器

605‧‧‧定標器

606‧‧‧定標器

607‧‧‧定標器

608‧‧‧定標器

2030‧‧‧虛擬化網路功能

2031‧‧‧虛擬化網路功能

2032‧‧‧虛擬化網路功能

2050‧‧‧虛擬化網路功能

2051‧‧‧虛擬化網路功能

2052‧‧‧虛擬化網路功能

S301~S307‧‧‧步驟流程

S401~S405‧‧‧步驟流程

S501~S503‧‧‧步驟流程

圖1係為本發明之負載平衡調整系統之系統架構示意圖。

圖2係為本發明之負載平衡調整系統之一實施例示意圖。

圖3係為本發明之負載平衡調整方法之流程圖。

圖4係為本發明之擴展模擬試算之流程圖。

圖5係為本發明之縮減模擬試算之流程圖。

圖6係為本發明之負載平衡調整系統之另一實施例示意圖。

本發明係根據虛擬化網路功能之負載，動態調整服務功能鏈之方法。圖1為本發明之系統應用，服務功能鏈對外會有服務閘道102以供用戶端101存取服務(Service)104，服務閘道102到服務104之間會經過多個定標器(Scaling block)103，而定標器103內含有一個以上之虛擬化網路功能(VNF)模組105(以下敘述省略「模組」)，定標器103彼此間透過網路連接起來即成為一條服務功能鏈。當服務功能鏈運作過程中，鏈結中一或多個虛擬化網路功能發生或預測，此處預測指根據過往紀錄歸納統整出的歷史數據，並以此數據進行預測，出現過載或低載之情事，服務功能鏈控制器(Service Function Chain Controller)107此時會依據鏈結負載情況來計算出最佳服務功能鏈新拓樸，並依據新拓樸擴展或縮減對應之虛擬化網路功能105。並利用軟體定義網路基礎設施即服務(IaaS Controller)108上自行設計之程式來產生對應之封包轉送(OpenFlow)協定所規範之網路封包繞送規則，如Flow Rule、Flow Table、Group Table，並將繞送規則推送至支援OpenFlow協定之封包轉送交換器(OpenFlow Switch)106，進而得以調整服務功能鏈致能領域(SFC-enabled domain)109內之網路拓樸並改變封包傳輸路徑。

本發明之服務功能鏈構如圖2所示，服務功能鏈共分成兩種呈現樣貌：一、服務功能鏈示意圖201、二、服務功能鏈實際拓樸202，前者服務功能鏈示意圖201主要是在圖形使用者介面(GUI)操作介面上所呈現的樣貌，此樣貌僅列出服務功能鏈連接情況以及服務功能鏈上包含虛擬化網路功能2030~2032的資訊，方便使用者能快速明瞭現在服務功能鏈情況，以便進行調整而無須知道實際情況。後者服務功能鏈實際拓樸202為在系統端呈現的服務功能鏈實際樣貌，而一條實際的服務功能鏈係由多個定標器2040~2042連接而成，而每個定標器係由一個或以上之同種虛擬化網路功能2050~2052所組成，可將定標器視為巨型虛擬化網路功能叢集，當每次網路連線發生且通過該定標器時，會從中挑選一台虛擬機負責該次網路連線，定標器擁有包含虛擬化網路功能彼此間進行負載平衡、服務備援以及高可用性等特性。

本發明之主要方法服務功能鏈負載平衡調整方式，當服務功能鏈內任意定標器裡的虛擬化網路功能之虛擬機出現過載或低載情況而需要以子方法一虛擬化網路功能：虛擬機擴展模擬試算，或子方法二虛擬化網路功能：虛擬機縮減模擬試算，此時會觸發服務功能鏈負載平衡調整機制的模擬試算機制，模擬計算會在定標器進行增減虛擬機等動作， 待計算結果收斂，即服務功能鏈內之任意的虛擬化網路功能不會出現過載或低載情況，將計算出之新的服務功能鏈拓樸回傳。此種方法好處在於系統可以根據回傳結果全面性的進行擴展或縮減而不必重覆相同行為，一方面可以減少系統負荷外，也由於是最佳結果使得服務功能鏈內的虛擬機能保持在足夠維持服務品質的情況下，讓營運成本降低。

本發明之主方法服務功能鏈負載平衡調整步驟如圖3，首先步驟S301收到可能出現過載或低載時，觸發負載平衡調整機制，步驟S302判斷虛擬機是否為過載，是則觸發擴展模擬試算S303，若否判斷是否為低載，是則啟用縮減模擬試算S304，步驟S305待收到模擬試算結果後進行實際擴展或縮減，步驟S306經由軟體定義網路控制器調整網路拓樸並改變封包傳輸路徑，將使服務功能鏈持續穩定運作。

本發明之一虛擬機擴展模擬試算步驟如圖4，首先步驟S401收到擴展模擬試算的請求，開始進行試算，由於定標器內的虛擬化網路功能之虛擬機數量會受到其他定標器內的虛擬機數量影響，當虛擬化網路功能虛擬機服務時其處理網路封包時其CPU使用率、記憶體使用率、硬碟使用率、封包處理效率，有可能會受到其自身的機器規格、服務種類等因素影響，所以必須事先量測的每種虛擬化網路功能之虛擬機在不同情況下的數據，並透過此數據計算當定標器進行擴展或縮減時是否會影響到其他定標器，因此步驟S402使用動態表格(Dynamic Table)演算法找到每個定標器離最佳結果最接近的虛擬機數量，這邊動態表格是指系統分配時，一次分配n倍不夠時再分配n倍的概念，意思是可以是原數量的1.5或1.3倍之類擬態(puseudo)作法。接著步驟S403判斷定標器是否穩定， 是則步驟S405回傳擴展模擬試算結果，否則進行步驟S404利用二元搜尋(Binary Search)找尋並試算每個定標器最佳的虛擬機數量。

本發明之虛擬機縮減模擬試算步驟如圖5，首先步驟S501收到縮減模擬試算的請求，開始進行試算，接著步驟S502利用二元搜尋找尋並試算每個定標器最佳的虛擬機數量，步驟S503回傳縮減模擬試算結果。

請參閱圖6，服務功能鏈擴展實例狀態圖，由服務閘道(GW，Gateway)、防火牆(FW，Firewall)虛擬化網路功能、負載平衡器(LB，Load Balancer)虛擬化網路功能、伺服器(WEB，Web Server)所組成。由於當中央處理器(CPU)使用率到達一定程度時，中央處理器會忙於環境切換(Context Switch)而使得實際處理封包的效率減少，因此需要在部署虛擬化網路功能虛擬機前先量測出數據，才能根據此數據進行擴展或縮減的判斷，假設實驗測得結果如表1；另外假設，本發明之主方法步驟S306軟體定義網路控制器調整封包傳輸路徑預設為平均分配封包情況之下。

過載狀態601代表服務功能鏈內防火牆虛擬化網路功能定標器604出現過載的情況，過載原因在於從服務閘道到防火牆虛擬化網路功能每秒有9000個封包，但從表1得知防火牆虛擬化網路功能最高每秒僅能處理5000個封包，因此步驟S301收到過載警報後觸發S303的擴展模擬試算。

過載狀態602為模擬試算過程中，利用動態表格演算法在防火牆虛擬化網路功能所屬的定標器模擬新增一台防火牆虛擬化網路功能。依步驟S306軟體定義網路控制器調整封包傳輸路徑平均分配封包前提下，兩台防火牆虛擬化網路功能各自負責每秒4500個封包，由於4500仍在防火牆虛擬化網路功能可承受範圍內，因此兩台每秒都能處理4500個封包並傳給後方的負載平衡器虛擬化網路功能。

在過載狀態601可以看到負載平衡器虛擬化網路功能由於前方的防火牆虛擬化網路功能每秒最高僅能處理5000個封包，因此僅傳送每秒5000個封包給後方負載平衡器虛擬化網路功能；但過載狀態602中，由於多一台防火牆虛擬化網路功能，使得兩台防火牆虛擬化網路功能送到後方負載平衡器虛擬化網路功能的總流量變成每秒9000個封包(4500+4500)，導致虛擬化網路功能定標器605出現過載。因此系統再次經由動態表格演算法模擬加入一台負載平衡器虛擬化網路功能如穩定狀態603中負載平衡器虛擬化網路功能定標器608所示。

依步驟S306軟體定義網路控制器調整封包傳輸路徑平均分配封包前提下，此時每台負載平衡器虛擬化網路功能的負荷量變成每秒4500個封包(2250+2250)，而使得防火牆虛擬化網路功能定標器607 與負載平衡器虛擬化網路功能定標器608皆達到穩定狀態，因為此時服務功能鏈內任意虛擬化網路功能之虛擬機皆處於穩定狀態，無需進行二元搜尋調整虛擬化網路功能之數量並回傳模擬試算之結果，此時系統將依步驟S305實際進行擴展虛擬化網路功能，並由步驟S306調整封包路徑，使服務功能鏈持續維持運作。

綜上所述，本發明之負載平衡調整系統及其方法會根據實時服務功能鏈的虛擬化網路功能之狀態，透過模擬試算的機制計算出新的最佳服務功能鏈拓樸，最後將該新拓樸實際部署至實際動態調整服務功能鏈之上。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (6)

1. 一種負載平衡調整系統，包含：至少一虛擬化網路功能模組，提供多個網路服務功能；及一服務功能鏈控制器，連接該虛擬化網路功能模組，並判斷該虛擬化網路功能模組是否為一過載狀態或一低載狀態；其中，若該虛擬化網路功能模組為該低載狀態，該服務功能鏈控制器進行一虛擬化網路功能模組縮減模擬試算；若該虛擬化網路功能模組為該過載狀態，該服務功能鏈控制器進行一虛擬化網路功能模組擴展試算，其中該服務功能鏈控制器進行該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算是根據一動態表格演算法決定一最接近虛擬化網路功能模組數量，再利用一二元搜尋法決定一確定虛擬化網路功能模組數量，最後產生該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算的結果，其中該服務功能鏈控制器進行該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算是利用一二元搜尋法決定一確定虛擬化網路功能模組數量，再產生該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算的結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之負載平衡調整系統，其中該服務功能鏈控制器於產生該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算的結果後，對該虛擬化網路功能模組進行一縮減操作。
3. 如申請專利範圍第1項所述之負載平衡調整系統，其中該服務功能鏈控制器於產生該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算的結果後，對該虛擬化 網路功能模組進行一擴展操作。
4. 一種負載平衡調整方法，包含：以至少一虛擬化網路功能模組提供多個網路服務功能；以一服務功能鏈控制器連接該虛擬化網路功能模組，並判斷該虛擬化網路功能模組是否為一過載狀態或一低載狀態；若該虛擬化網路功能模組為該低載狀態，以該服務功能鏈控制器進行一虛擬化網路功能模組縮減模擬試算；以及若該虛擬化網路功能模組為該過載狀態，以該服務功能鏈控制器進行一虛擬化網路功能模組擴展試算，其中以該服務功能鏈控制器進行該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算包含下列步驟：根據一動態表格演算法決定一最接近虛擬化網路功能模組數量；利用一二元搜尋法決定一確定虛擬化網路功能模組數量；以及產生該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算的結果，其中以該服務功能鏈控制器進行該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算包含下列步驟：利用一二元搜尋法決定一確定虛擬化網路功能模組數量；以及產生該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算的結果。
5. 如申請專利範圍第4項所述之負載平衡調整方法，其中以該服務功能鏈控制器於產生該虛擬化網路功能模組縮減模擬試算的結果後，更包含下列步驟：以該服務功能鏈控制器對該虛擬化網路功能模組進行一縮減操作。
6. 如申請專利範圍第4項所述之負載平衡調整方法，其中以該服務功能鏈控制器於產生該虛擬化網路功能模組擴展模擬試算的結果後，更包含下列步驟：以該服務功能鏈控制器對該虛擬化網路功能模組進行一擴展操作。