云计算环境中基于拓扑感知的虚拟网络再映射算法研究

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自云计算诞生以来,已经有近十年的历史。云计算通过对物理资源的动态聚合与重用,极大地提高了物理资源利用率,并降低了用户的经济负担。随着云计算技术的不断发展,在云计算中心中,物理资源的利用率、安全性、可隔离性和虚拟网络可定制性等特征日益受到人们的重视。如何进一步提高资源利用率,减少资源碎片,提高网络通信效率,早已经成为一个研究热点。虚拟网络映射是建立云计算中心,网络虚拟化和物理资源重用的核心问题之一。映射质量的高低,在很大程度上影响着虚拟网络的性能,其中包括并行作业运行的效率,物理资源利用率,负载平衡和服务质量等等。然而,目前存在的大部分虚拟网络映射算法均假设物理网络拓扑结构是稳定不变的,并没有考虑物理网络的变化。而在实际数据中心中,物理网络的拓扑却很有可能发生变化(物理主机失效,网线不通或子网失效等),这可能会导致已经完成的映射的约束条件不完整,从而导致并行作业的延迟,甚至根本无法完成。因此,如何快速适应这种变化,对基础设施供应商和服务供应商很重要的。不幸的是,大部分已存在的虚拟网络映射算法不能直接适用这种场景。一方面,这些算法都用于映射一个完整的虚拟网络,如果强行采用,会严重影响健康虚拟子网,增加开销;另一方面,这些算法并不能充分利用原始映射,再映射效果不好。因此,必须设计一些新颖的算法来修复受破坏的虚拟网络。有些算法解决了单节失效的情况,引入了“快速回复机制”和“备份”的思想,为一些虚拟节点预留一部分物理资源,以便在节点失效时,可以快速恢复虚拟网络;这样虽然提高了虚拟网络的可存活性,但是这大大降低了资源利用率,毕竟单个节点失效的概率是很低的。因此,要解决上述问题,新提出的算法,要可以自动探知物理网络的变化,并且可以根据变化管理部署虚拟网络,最后在原始映射的基础上,快速修复虚拟网络,同时不会显著降低资源利用率。本文提出了一个支持底层网络变化的虚拟网络再映射自适应算法,其增加了再映射接受率和再映射质量同时降低了时间消耗。重点关注三个方面的问题:(1)如何提高单个虚拟网络再映射的质量。较高的相似度意味着两次映射结果相较近,相似度越高,映射效果越好。(2)如何降低虚拟网络再映射的代价开销。由于物理网络变化,导致虚拟连接再映射路径延迟较高,有效减小虚拟连接对应的物理路径的跳数,对提高资源利用率是非常重要的。(3)如何提高再映射接受率。提高再映射接受率可以满足更多虚拟网络需求,服务更多用户,并提高服务供应商的收益。本文提出的虚拟网络再映射算法基于虚拟网络拓扑结构特点,针对以上问题作了如下工作:(1)提出了“通信骨干网络”的思想,其总结了虚拟网络的骨干结构。基于骨干网络对断枝节点和连接进行评价并映射,可以提高映射接受率和质量。(2)采用了物理节点评价方法。该评价方法基于当前映射结果为每一个断枝节点选择一个最优的物理节点。(3)采用了可抢占性思想。当算法映射骨干网络失败时,会抢占健康节点资源,再一次映射骨干网络,以便提高接受率。(4)提出了一个基于拓扑感知的虚拟网络再映射算法,该算法是一个回溯算法,利用了同构子图匹配思想来实现虚拟网络的再映射。最后,本文通过详实的模拟实验,验证了本文的提出的算法在映射质量、映射接受率和算法开销方面的有效性。
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