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CN105610715B - 一种基于sdn的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法 - Google Patents

一种基于sdn的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法 Download PDF

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CN105610715B CN201610144020.5A CN201610144020A CN105610715B CN 105610715 B CN105610715 B CN 105610715B CN 201610144020 A CN201610144020 A CN 201610144020A CN 105610715 B CN105610715 B CN 105610715B
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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，综合考虑了待迁移虚拟机的内存、可用链路带宽、宿主机CPU计算能力、同属一个VDC的虚拟机之间的内部通信流量等各种影响因子，作为确定虚拟机迁移优先级的综合决定因素。同时提出利用SDN自动感知网络状态的优势，提高迁移带宽利用率，优化虚拟机管理。本发明主要目的在于降低虚拟机集群的总体迁移时间，同时有效减少由于迁移导致的虚拟数据中心和每个虚拟机的平均宕机时间，从而提升云计算应用的服务质量水平，提升数据中心的性能。

Description

一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法
技术领域
本发明涉及一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，属于云计算技术领域。
背景技术
随着云计算技术的进步，现在越来越多的用户将应用或者服务部署在云端。云服务提供商通过虚拟化技术向用户提供相应服务。随着新一代互联网业务的兴起，用户部署应用规模的不断扩大，作为云计算服务最重要的基础底层服务设施云数据中心，数据中心网络流量呈现迅猛增长的趋势，运行压力越来越大。由于数据中心的建设成本巨大，而且管理难度和维护复杂，而虚拟机迁移技术的成熟为数据中心的管理和维护提供了十分有效的技术手段。虚拟机迁移的优点在于可以简化系统维护管理，在数据中心减少运营开销，负载均衡，防止网络拥塞，减少运行服务宕机时间等方面起到十分有效的作用。
虚拟机迁移技术虽然避免了以前在业务运行环境发生变化时，必须长时间中断业务，重新部署运行环境的缺点，但是，当大规模的虚拟机需要同时迁移时，依然会产生宕机时间过长、应用服务严重中断的情况。如何制定有效的多虚拟迁移计划，有效地减少总体迁移时间和宕机时间，对提升用户的服务质量水平，起到良好的促进作用。而软件定义网络SDN的出现，提供了一种新型的网络交换模型，采用控制层和数据层分离的模式，能够自动的感知全局底层网络的状态，实现云计算数据中心网络中虚拟机迁移流量的更快转发。
目前的虚拟机迁移调度计划研究，一般将迁移可用带宽作为影响迁移的主要和单一影响因子，主要存在两种迁移方案：1、基于单个虚拟机的迁移。这种技术在所需要迁移的虚拟机的数目比较少的场景中，经常用到。根据一定的规则，采用贪心策略决定每个虚拟机迁移的顺序，每次只能迁移一个虚拟机，显然采用这种方式，总体的迁移时间比较长，造成的虚拟机集群的宕机时间也比较长。2，同时迁移计划。这种迁移方案，相比较于第一种迁移方案有了一定的提升，但是由于物理链路可用带宽容量的限制，对于迁移到同一个目的主机上的虚拟机来讲，分配到每个虚拟机的可用带宽很少，与此同时，因为虚拟机还在不断的产生赃页，需要传输的数据量会越来越大，很容易造成网络的拥塞。因此，如何制定一项合理的多虚拟机迁移计划，减少总的迁移时间，降低服务宕机时间，提升用户服务质量水平，还存在着研究的空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法；
本发明综合考虑了待迁移虚拟机的内存、可用链路带宽、宿主机CPU计算能力、同属一个虚拟数据中心VDC内的虚拟机之间内部通信流量等各种影响因子。本发明提出的基于SDN的新型虚拟机迁移架构，使得控制器可以实时自动的感知底层网络的状态变化，为虚拟机的迁移提供全局最优路径，提高的迁移链路带宽的利用率，提升虚拟数据中心VDC的自动化管理水平。降低了虚拟机集群的总体迁移时间，有效减少了由于迁移导致的虚拟数据中心和每个虚拟机的平均宕机时间，从而提升了云计算应用的服务质量水平，提升了数据中心的性能。
术语解释
1、SP：Service Providers的缩写，是指服务运营商。
2、VDCs migration request：是指虚拟机集群迁移请求。
3、Sequencer module:迁移排序算法模块，计算生成待迁虚拟机的迁移优先级序列。
4、VM:虚拟机。
5、VDC：虚拟数据中心。
6、SDN；软件定义网络。
7、SDN global orchestrator；SDN全局控制器。
8、Server Manager:服务器管理器，负责实施监控物理节点的应用状态，为迁移提前准备物资资源内存、CPU、链路带宽，实例化VM。
9、OpenFlowcontroller:OpenFlow控制器，通过OpenFlow协议向交换机下发迁移流量转发策略，控制迁移网络流量转发。
10、VDCs Controller:虚拟数据中心控制器，负责开启并管理虚拟机集群的迁移，通过APIs接口为不同的应用服务提供网络性能保证。
本发明的技术方案为：
一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，该方法在基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统运行，所述基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统包括SDN全局控制器、Sequencer模块、VDC控制器、交换机、虚拟机，所述SDN全局控制器包括Sequencer module、Server Manager、OpenFlow controller、Network Info数据库、VDCs Info数据库；所述Server Manager主要负责实例化虚拟机或者虚拟交换机，并且实时获取并监控物理节点的应用状态；所述OpenFlow controller负责与汇聚层和边缘层交换机(支持OpenFlow协议)直接通信，下发迁移流量转发策略，控制迁移网络流量转发；Network Info数据库主要存储网络的拓扑信息、底层网络的状态和Sequencer module产生的多虚拟机迁移方案策略；VDCs Info数据库主要存储VDC网络的拓扑信息，虚拟节点的状态。整个global orchestrator中的核心部分是Sequencer module，多虚拟机迁移方案策略产生算法嵌入在该模块当中。连接关系如图1所示，箭头表示相互的交互与连接，具体步骤包括：
(1)SDN全局控制器接收服务运营商SP提交的虚拟机集群迁移请求；所述虚拟机集群迁移请求包括vi表示待迁移的虚拟机，表示待迁移的虚拟机所在的源端主机，表示待迁移的虚拟机的目的主机，表示待迁移的虚拟机的最小迁移带宽；
(2)SDN全局控制器收集底层网络信息；
(3)将步骤(2)收集到的底层网络信息输入至Sequencer(迁移排序)模块，Sequencer模块生成优化后的虚拟机集群迁移方案策略；
(4)SDN全局控制器将生成的优化后的虚拟机集群迁移方案和迁移流量转发策略发给VDC控制器和各底层交换机；
(5)根据优化后的虚拟机集群迁移方案策略，VDC控制器开启并管理虚拟机集群迁移；
(6)同一虚拟数据中心VDC中，虚拟机之间用于内部通信的虚拟链路重新映射到相应物理链路上；
(7)重新启用虚拟机，虚拟数据中心VDC恢复服务。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中，所述底层网络信息包括底层物理网络信息、虚拟网络信息，G(Ns，Ss，Ls)表示所述底层物理网络信息，Ns表示物理节点，Ss表示物理交换机，Ls表示物理链路的集合；G(Nv，Sv，Lv)表示所述虚拟网络信息，Nv表示虚拟机，Sv表示虚拟交换机，Lv表示虚拟链路的集合；
将所述底层物理网络信息存储在Network Info(网络信息)数据库，将所述虚拟网络信息存储在VDCs Info(虚拟数据中心信息)数据库中。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，Sequencer模块根据提出的虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)不断的迭代计算，求出最优的多虚拟机迁移调度方案Order；虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)的计算公式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，CPU(vi)表示待迁移虚拟机vi的CPU大小,Mem(vi)表示待迁移虚拟机vi的内存，bw表示待迁移虚拟机vi的迁移可用链路带宽；∑jCPU(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的CPU总和，∑jMem(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的内存总和；di表示迁移所用链路带宽的容量大小，α表示CPU大小影响因子的权重，β表示内存影响因子的权重，γ表示迁移可用链路带宽的权重，α+β+γ＝1，β∈[0，1]，γ∈[0，1]。α、β、γ的具体取值可以根据业务需要进行调节。
根据本发明优选的，所述步骤(4)中，OpenFlow控制器将步骤(3)中生成的虚拟机集群迁移方案策略下发到各底层交换机，所述虚拟机集群迁移方案策略包括选择的路径、每条路径分配的带宽大小；同时，SDN全局控制器通知VDCs(虚拟数据中心)控制器准备开始虚拟机的迁移。
根据本发明优选的，所述步骤(5)之前执行以下操作：Server Manager提前为分配虚拟机迁移所需的各种底层物理资源，所述各种底层物理资源包括物理主机、CPU、内存、物理链路。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，具体步骤包括：
3-1)初始化算法输入变量：迁移开始时刻t←0,迁移方案V←{所有待迁移的虚拟机}；
3-2)判断V是否为空，如果不是，执行3-3)；如果是，输出Order，结束步骤(3)，执行步骤(4)；
3-3)创建t时刻满足迁移条件，所述迁移条件是指：剩余链路带宽是否满足迁移最低带宽要求，目的物理主机剩余CPU、内存大小是否满足迁移所需CPU、内存要求，能够进行迁移的虚拟机集合Vt：遍历V，对于i∈V,只要i满足迁移条件且能够进行迁移的，就将i添加到集合Vt中；
3-4)确定t时刻能够同时迁移的虚拟机集合G(t)：
3-5)判断Vt中是否还有元素，如果是，初始化优先级综合确定因子Q←0，执行3-6)；如果不是，执行3-8)；
3-6)遍历Vt，对于vj∈Vt，根据式(I)计算Q(vj)’Q_max←Q(vj)，如果Q←Q_max，对Q重新赋值：Q←Q_max，迁移的虚拟机vm←v；如果不是，Q值不变；
3-7)步骤3-6)遍历结束后，将3-6)遍历操作挑选出的待迁移虚拟机vm添加到t时刻能够同时迁移的虚拟机集合G(t)中：G(t)←G(t)∪{vm}；
更新底层网络状态信息：在算法上释放之前迁移的带宽，更新剩余待迁虚拟机在t时刻迁移的可行性，为本轮选中的虚拟机安排迁移带宽。
更新t时刻可迁移的虚拟机集合Vt，返回步骤3-5)。
3-8)更新迁移计划Order:Order←Order∪{＜t，G(t)＞}。
3-9)更新总的虚拟机迁移集合V:V←V/G(t)。
3-10)更新迁移开始时刻t←t+inter(w)，返回步骤3-2)。
inter(w)是Order中两个相邻迁移虚拟机结束迁移时刻之间的时间差。
本发明的有益效果为：
1、本发明综合考虑了待迁移虚拟机的CPU大小、内存、可用链路带宽，宿主机CPU计算能力，同属一个VDC的虚拟机之间内部通信流量等各种影响因子，根据综合影响因子确定待迁虚拟机的优先级，确保满足迁移条件的虚拟机可以同时迁移。
2、本发明采用SDN的新型架构，使得控制器可以实时自动的感知底层网络的状态变化，为虚拟机的迁移提供全局最优路径，提高的迁移链路带宽的利用率。
3、本发明可以同时降低虚拟机集群的总体迁移时间，同时有效减少由于迁移导致的虚拟数据中心和每个虚拟机的平均宕机时间，从而提升云计算应用的服务质量水平，提升数据中心的性能。
4、传统迁移策略在同时迁移虚拟机确定虚拟机的优先级时，仅仅考虑单一影响因子作为优先级确定因素。本发明采取多种影响因子的有机结合作为优先级确定因素，而且可以根据对虚拟机迁移时各种影响因子不同权重的调节，适用于各种不同的应用场景，相对于传统迁移策略，本方法的使用范围更广，可扩展性更好。
附图说明
图1为本发明基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统框图。
图2为本发明基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划流程图。
图3为Sequencer模块内综合优先级算法运行流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例
一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，该方法在基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统运行，所述基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统包括SDN全局控制器、Sequencer模块、VDC控制器、交换机、虚拟机，所述SDN全局控制器包括Sequencer module、Server Manager、OpenFlow controller、Network Info数据库、VDCs Info数据库；所述Server Manager主要负责实例化虚拟机或者虚拟交换机，并且实时获取并监控物理节点的应用状态；所述OpenFlow controller负责与汇聚层和边缘层交换机(支持OpenFlow协议)直接通信，下发迁移流量转发策略，控制迁移网络流量转发；Network Info数据库主要存储网络的拓扑信息、底层网络的状态和Sequencer module产生的多虚拟机迁移方案策略；VDCs Info数据库主要存储VDC网络的拓扑信息，虚拟节点的状态。整个global orchestrator中的核心部分是Sequencer module，多虚拟机迁移方案策略产生算法嵌入在该模块当中。所述基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统框图如图1所示，图1中箭头表示不同模块之间的交互与连接，具体步骤包括：
(1)SDN全局控制器接收服务运营商SP提交的虚拟机集群迁移请求；所述虚拟机集群迁移请求包括vi表示待迁移的虚拟机，表示待迁移的虚拟机所在的源端主机，表示待迁移的虚拟机的目的主机，表示待迁移的虚拟机的最小迁移带宽；
(2)SDN全局控制器收集底层网络信息；
(3)将步骤(2)收集到的底层网络信息输入至Sequencer(迁移排序)模块，Sequencer模块生成优化后的虚拟机集群迁移方案策略；
(4)SDN全局控制器将生成的优化后的虚拟机集群迁移方案和迁移流量转发策略发给VDC控制器和各底层交换机；
(5)根据优化后的虚拟机集群迁移方案策略，VDC控制器开启并管理虚拟机集群迁移；
(6)同一虚拟数据中心VDC中，虚拟机之间用于内部通信的虚拟链路重新映射到相应物理链路上；
(7)重新启用虚拟机，虚拟数据中心VDC恢复服务。本发明基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划流程图如图2所示。
所述步骤(2)中，所述步骤(2)中，所述底层网络信息包括底层物理网络信息、虚拟网络信息，G(Ns，Ss，Ls)表示所述底层物理网络信息，Ns表示物理节点，Ss表示物理交换机，Ls表示物理链路的集合；G(Nv，Sv，Lv)表示所述虚拟网络信息，Nv表示虚拟机，Sv表示虚拟交换机，Lv表示虚拟链路的集合；
将所述底层物理网络信息存储在Network Info(网络信息)数据库，将所述虚拟网络信息存储在VDCs Info(虚拟数据中心信息)数据库中。
所述步骤(3)中，Sequencer模块根据提出的虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)不断的迭代计算，求出最优的多虚拟机迁移调度方案Order；虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)的计算公式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，CPU(vi)表示待迁移虚拟机vi的CPU大小,Mem(vi)表示待迁移虚拟机vi的内存，bw表示待迁移虚拟机vi的迁移可用链路带宽；∑iCPU(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的CPU总和，∑jMem(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的内存总和；di表示迁移所用链路带宽的容量大小，α表示CPU大小影响因子的权重，β表示内存影响因子的权重，γ表示迁移可用链路带宽的权重，α+β+γ＝1，β∈[0，1]，γ∈[0，1]。α、β、γ的具体取值可以根据业务需要进行调节。
所述步骤(4)中，OpenFlow控制器将步骤(3)中生成的虚拟机集群迁移方案策略下发到各底层交换机，所述虚拟机集群迁移方案策略包括选择的路径、每条路径分配的带宽大小；同时，SDN全局控制器通知VDCs(虚拟数据中心)控制器准备开始虚拟机的迁移。
所述步骤(5)之前执行以下操作：Server Manager提前为分配虚拟机迁移所需的各种底层物理资源，所述各种底层物理资源包括物理主机、CPU、内存、物理链路。
所述步骤(3)中，具体步骤包括：如图3所示：
3-1)初始化算法输入变量：迁移开始时刻t←0,迁移方案y←{所有待迁移的虚拟机}；
3-2)判断V是否为空，如果不是，执行3-3)；如果是，输出Order，结束步骤(3)，执行步骤(4)；
3-3)创建t时刻满足迁移条件，所述迁移条件是指：剩余链路带宽是否满足迁移最低带宽要求，目的物理主机剩余CPU、内存大小是否满足迁移所需CPU、内存要求，能够进行迁移的虚拟机集合Vt：遍历V，对于i∈V,只要i满足迁移条件且能够进行迁移的，就将i添加到集合Vt中；
3-4)确定t时刻能够同时迁移的虚拟机集合G(t)：
3-5)判断Vt中是否还有元素，如果是，初始化优先级综合确定因子Q←0，执行3-6)；如果不是，执行3-8)；
3-6)遍历Vt，对于vj∈Vt，根据式(Ⅰ)计算Q(vj)’Q_max←Q(vj)，如果Q＜Q_max，对Q重新赋值：Q←Q_max，迁移的虚拟机vm←v；如果不是，Q值不变；
3-7)步骤3-6)遍历结束后，将3-6)遍历操作挑选出的待迁移虚拟机vm添加到t时刻能够同时迁移的虚拟机集合G(t)中：G(t)←G(t)∪{vm}；
更新底层网络状态信息：在算法上释放之前迁移的带宽，更新剩余待迁虚拟机在t时刻迁移的可行性，为本轮选中的虚拟机安排迁移带宽。
更新t时刻可迁移的虚拟机集合Vt，返回步骤3-5)。
3-8)更新迁移计划Order：Order←Order∪{<t，G(t)>}。
3-9)更新总的虚拟机迁移集合V：V←V/G(t)。
3-10)更新迁移开始时刻t←t+inter(w)，返回步骤3-2)。
inter(w)是Order中两个相邻迁移虚拟机结束迁移时刻之间的时间差。

Claims (4)

1.一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，该方法在基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统运行，所述基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划系统包括SDN全局控制器、VDC控制器、交换机、虚拟机，所述SDN全局控制器包括Sequencermodule、Server Manager、OpenFlow controller、Network Info数据库、VDCs Info数据库；其特征在于，具体步骤包括：
(1)SDN全局控制器接收服务运营商SP提交的虚拟机集群迁移请求；所述虚拟机集群迁移请求包括vi表示待迁移的虚拟机，表示待迁移的虚拟机所在的源端主机，表示待迁移的虚拟机的目的主机，表示待迁移的虚拟机的最小迁移带宽；
(2)SDN全局控制器收集底层网络信息；
(3)将步骤(2)收集到的底层网络信息输入至Sequencer module，Sequencer module生成优化后的虚拟机集群迁移方案策略；包括：Sequencer module根据提出的虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)不断的迭代计算，求出最优的多虚拟机迁移调度方案Order；虚拟机迁移优先级综合确定因子Q(vi)的计算公式如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，CPU(vi)表示待迁移虚拟机vi的CPU大小,Mem(vi)表示待迁移虚拟机vi的内存，bw表示待迁移虚拟机vi的迁移可用链路带宽；∑jCPU(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的CPU总和，∑jMem(vj)表示与待迁移虚拟机vi迁移目的物理主机相同的所有虚拟机的内存总和；di表示迁移所用链路带宽的容量大小，α表示CPU大小影响因子的权重，β表示内存影响因子的权重，γ表示迁移可用链路带宽的权重，α+β+γ＝1，β∈[0,1],γ∈[0,1]；
(4)SDN全局控制器将生成的优化后的虚拟机集群迁移方案和迁移流量转发策略发给VDC控制器和各底层交换机；
(5)根据优化后的虚拟机集群迁移方案策略，VDC控制器开启并管理虚拟机集群迁移；
(6)同一虚拟数据中心VDC中，虚拟机之间用于内部通信的虚拟链路重新映射到相应物理链路上；
(7)重新启用虚拟机，虚拟数据中心VDC恢复服务。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述底层网络信息包括底层物理网络信息、虚拟网络信息，5(Ns,Ss,Ls)表示所述底层物理网络信息，Ns表示物理节点，Ss表示物理交换机，Ls表示物理链路的集合；5(Nv,Sv,Lv)表示所述虚拟网络信息，Nv表示虚拟机，Sv表示虚拟交换机，Lv表示虚拟链路的集合；
将所述底层物理网络信息存储在Network Info数据库，将所述虚拟网络信息存储在VDCs Info数据库中。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，其特征在于，所述步骤(4)中，OpenFlow控制器将步骤(3)中生成的虚拟机集群迁移方案策略下发到各底层交换机，所述虚拟机集群迁移方案策略包括选择的路径、每条路径分配的带宽大小；同时，SDN全局控制器通知VDCs控制器准备开始虚拟机的迁移。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的云数据中心多虚拟机迁移调度计划方法，其特征在于，所述步骤(5)之前执行以下操作：Server Manager提前为分配虚拟机迁移所需的各种底层物理资源，所述各种底层物理资源包括物理主机、CPU、内存、物理链路。
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CN102968344A (zh) * 2012-11-26 2013-03-13 北京航空航天大学 一种多虚拟机迁移调度的方法
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Non-Patent Citations (1)

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Title
面向云数据中心的虚拟机调度机制研究;董健康;《中国博士学位论文全文数据库.信息科技辑》;20150415(第4期);全文 *

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