基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移機制研究

李同標 張曉哲 高先明 鄧文平 馬世聰

(國防科學技術大學計算機學院 湖南 長沙 410073)

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基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移機制研究

李同標 張曉哲 高先明 鄧文平 馬世聰

(國防科學技術大學計算機學院 湖南 長沙 410073)

虛擬路由器平臺是支撐網絡虛擬化技術的關鍵網絡設備。傳統的虛擬路由器平臺存在著物理資源利用率低，能耗損失嚴重等問題。現有的節能機制大多是通過虛擬路由器平臺間的虛擬路由器實例動態遷移來降低能耗，并未有學者研究平臺內部虛擬路由器實例動態遷移對能耗的影響。提出一種基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移算法。該算法將轉發實例動態遷移到更少的物理服務器，調整平臺內部的轉發實例與物理服務器之間的映射關系,關閉空閑服務器。實驗表明，該算法能夠提高虛擬路由器平臺的物理資源利用率，降低平臺總能耗。

網絡虛擬化 虛擬路由器 轉發實例 動態遷移 資源利用率 能耗

0 引 言

互聯網的爆炸式發展使得現有的網絡體系架構難以滿足層出不窮的網絡應用和業務模型的部署需求，網絡本身的僵化現象越發明顯。其中的主要原因是當前互聯網由不同的網絡服務提供商所創建和維護，網絡服務提供商之間的目標和利益沖突使得實施新的網絡技術或者升級現有的網絡體系架構變得異常困難。傳統的“打補丁”的方式解決遇到的難題，反而使得現有的網絡架構變的更加“臃腫”，并不能從根本上解決網絡僵化現象，并且一定程度上阻礙了部署新型網絡體系架構[1]。

網絡虛擬化，被認為是解決網絡僵化現象的一種重要手段，并且被作為構建下一代新型網絡架構的重要技術[2]。其主要思想是在同一套共享物理網絡設施(包括物理鏈路、物理節點)來構建一個健壯、可信、可控的虛擬化環境，支持這些同構或異構的虛擬網絡并行運行、互不干擾[3]。

盡管網絡虛擬化技術對于未來網絡的發展起著非常大的促進作用，但是傳統虛擬路由器轉發能力低。如果數據流帶寬過大，只能通過增加轉發板的數量，提高轉發能力。當數據流帶寬較小時，大量的轉發板將處于空閑狀態，資源利用率低，能耗損耗較大，特別是在大規模網絡環境下能量損耗將會很嚴重。根據相關材料顯示，美國2012年網絡能源消耗量占了整個美國能源消耗量的9.8%[4]。隨著Internet網絡的用戶持續增加，網絡能源消耗量勢必會越來越多。因此，如何減少網絡能源消耗量是一個未來網絡研究領域里重要的研究熱點。

為了減少虛擬網絡的能源消耗，我們可以通過將虛擬路由器實例動態遷移集中到更少的物理服務器來改變虛擬路由器實例和物理服務器之間的映射關系，使用更少的物理服務器可以降低整個虛擬網絡的能耗[5]。但是現有的虛擬路由器實例動態遷移降低虛擬網絡能耗研究大多集中在虛擬路由器平臺間，并未有學者研究平臺內部虛擬路由器實例動態遷移對能耗的影響。本文提出了一種基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移算法，通過動態調整平臺內部的轉發實例與物理服務器之間的映射關系，將轉發實例動態遷移到更少的物理服務器，關閉空閑的物理服務器。實驗表明，該算法能夠提高虛擬路由器平臺的物理資源利用率，降低平臺總能耗。

1 虛擬路由器架構VRSM

虛擬路由器實例動態遷移可以分為控制實例遷移和轉發實例遷移，由于虛擬路由器的控制實例一般利用虛擬機運行相應的路由套件來實現[6]，目前很多虛擬機都支持實時遷移，例如KVM[7]、XEN[8]和OpenVZ[9]，因此控制實例的遷移可以利用虛擬機的自身遷移能力來實現。利用虛擬機動態遷移來降低能耗的方法在數據中心網絡很多，故主控實例的節能優化不在本文的研究范圍。在文獻[10]中作者提出了一種支持轉發實例動態遷移的虛擬路由器架構VRSM，實驗表明該架構在轉發實例動態遷移的過程中可以為用戶提供無感知的網絡服務。這說明在轉發實例的遷移過程中遷移時間和丟包率在一定的允許范圍內。VRSM架構如圖1所示，包括資源管理平面、主控平面和轉發平面。

圖1 VRSM架構圖

其中資源管理平面負責管理虛擬路由器平臺中所有的物理資源(例如控制板和轉發板)，并為網絡管理員提供一個交互式圖形界面來管理虛擬路由器平臺。利用資源管理平面，可以方便地創建或者刪除虛擬路由器實例和虛鏈路。網絡管理員也可以通過添加物理服務器到相應的資源池來提高虛擬路由器平臺的性能，被添加的物理資源板只需要向資源管理平面通知其物理資源信息(如接口個數，鏈路帶寬，CPU核心數和內存大小)。同時資源管理平面的全局資源監控模塊負責收集控制板和轉發板的物理資源利用率信息，包括CPU、內存和帶寬資源等，為虛擬路由器實例的創建以及轉發實例動態遷移提供決策基礎。

控制平面的功能實現是采用系統虛擬化技術，如KVM、XEN和OpenVZ，在相同的物理基礎設施上運行多個相互隔離的邏輯控制實例。每個邏輯控制實例運行特定的路由套件，可以是Quagga[11]、XORP[12]或按需要自定義的新型網絡協議。控制板的本地資源監控模塊負責收集本地服務器的實時物理資源利用率信息，包括CPU、內存和帶寬等。并且將本地的物理資源利用率上傳至資源管理平面的全局資源監控模塊，為資源管理平面創建虛擬路由器實例決策提供信息基礎。

轉發平面起著運行多個并發且隔離的邏輯轉發實例，每個邏輯轉發實例從相應的接口接收數據包并將其轉發到正確接口，功能類似于傳統路由器中的轉發平面。轉發板的本地資源監控模塊負責收集本地服務器的實時物理資源利用率信息，包括CPU、內存和帶寬等，其目的是為虛擬路由器實例的創建以及轉發實例動態遷移決策提供信息基礎。

考慮到擴展性，主控板和轉發板的設計也采用了“池化”的思想，網絡管理員可以通過添加物理服務器到主控池或者轉發池以擴展提高虛擬路由器平臺的性能。

在VRSM架構中，轉發實例的動態遷移包括四步：a)選擇遷移目標轉發板；b)在目標轉發板上創建新的轉發實例；c)從新的控制實例請求轉發信息；d)刪除源轉發板上的舊轉發實例。

轉發實例遷移條件被觸發后，資源管理平面在步驟a)中根據貪婪算法來選擇目標轉發板，其目的是為了利用最少的轉發板，從而提高物理資源利用率。當然，目的轉發板應滿足創建新的轉發實例的物理資源請求，新的轉發實例要求有和舊轉發實例相同的物理資源。在步驟b)中，一個新的轉發實例在目標轉發板上被創建，然后將新的轉發實例迭代向控制實例請求轉發信息，然后安裝。轉發信息包含RIB，RIB用于重新生成FIB，還有些用于恢復ACL和轉發實例狀態實例的配置文件。一旦步驟c)完成，舊的轉發實例將在步驟d)被刪除。為了避免數據包丟包丟失，在步驟c)和步驟d)之間，存在著新舊兩個轉發實例，并且都在轉發數據流量。步驟d)后，新的轉發實例完全取代舊的轉發實例。

2 能耗模型以及轉發實例遷移開銷

2.1 服務器能耗模型

VRSM虛擬路由器平臺是由一組通用服務器集群組成的，集群中的服務器可以是異構或同構，功耗大小不一，同一時間內消耗的總能量也不一樣。一臺服務器消耗的能量主要由靜態功耗和動態功耗組成。靜態功耗一般是個常量，比較穩定；動態功耗主要由物理資源消耗，像CPU、RAM、網卡和磁盤，與物理服務器的負載有關。其中，與其他系統資源相比，動態功耗主要來自于CPU[13]。研究表明，物理服務器的功率和CPU的利用率呈現出線性關系，CPU的利用率越高，服務器的功率呈線性增長[14]。因此虛擬路由器平臺中服務器i的能耗模型可以定義如下：

Pi(t)=k×Pmax+(1-k)×Pmax×u

(1)

其中服務器i的功率用Pi(t)表示；k為滿負載與沒有滿負載的時間比例；Pmax為滿負載時的最大功率，是個常數；u為CPU利用率。

當一個轉發實例j創建請求分配到一個服務器時，該服務器的CPU利用率會上升，同時服務器的功率也會相應地增加，增加的功率為新創建的轉發實例的功率。增加的功率ΔPFj可以如下面的公式表示：

ΔPFj=Pe-Ps=

(Pmax-k×Pmax)(ue-us)

(2)

其中Pe為新轉發實例創建后，CPU利用率為ue時服務器的功率，Ps為新轉發實例創建前，CPU利用率為us時服務器的功率。值得注意的是，轉發實例的功率并不是一個常數，因為網絡管理員會根據用戶的需要創建具有不同轉發能力的轉發實例，如轉發能力1 GB的轉發實例、轉發能力2 GB的轉發實例等。這些轉發實例由于轉發能力各異，需求的CPU、內存和帶寬資源也不一樣，因此功率也不同。在轉發實例動態遷移過程中，資源管理平面選擇轉發實例后增加的功率ΔPFj最小的服務器作為遷移的目標服務器，從而使得轉發實例遷移完成后虛擬路由器平臺的能耗最小。

2.2 轉發實例遷移開銷

在虛擬路由器平臺中，過量的轉發實例遷移最終可能會讓整個虛擬路由器平臺功耗值降到最低，但是整個遷移過程能耗可能會太大，而且過量的轉發實例遷移會造成整個平臺系統性能的降低。因此在遷移過程中，轉發實例遷移能耗是不容忽視的[15]。當遷移過程代價太大，資源管理平面將調整遷移策略，重新選擇遷移代價較小的轉發實例，然后執行遷移策略。

和虛擬機遷移不同的是，DMVR虛擬路由器中的轉發實例遷移不涉及到虛擬機內存鏡像的拷貝[16]，但是需要從被遷移的轉發實例對應的控制實例重新下發路由表。由于在遷移過程中，主控實例需要將路由表項下發至新轉發實例，新轉發實例安裝路由表項需要時間，同時CPU的利用率會增加，導致服務器的耗能增加。根據以上分析，轉發實例對應的主控實例路由表項越多，遷移時間越多，導致服務器增加的耗能也會越大。轉發實例j的遷移能耗模型可以如下表示：

(3)

其中ΔEj為轉發實例j遷移過程中造成的耗能增加，ts為轉發實例遷移開始的時間，te為轉發實例遷移結束的時間，te-ts即轉發實例遷移時間。在遷移過程中，資源管理平面將優先選擇ΔEj最小的轉發實例作為遷移對象，從而使得整個遷移過程的代價最小。

3 基于能耗的轉發實例動態遷移算法

3.1 遷移觸發機制

轉發實例動態遷移的觸發機制采用雙閾值策略，目的是為了提高物理服務器的物理資源利用率以及提高網絡服務質量。網絡管理員通過資源管理平面設置服務器的資源利用率的上限和下限要求，包括服務器的CPU、內存和帶寬資的資源利用率。為了方便說明，作如下定義：RCMin是指CPU利用率的下限負載值；RCMax是指CPU利用率的上限負載值；RMMin是指內存利用率的下限負載值；RMMax是指內存利用率的上限負載值；RBMin是指帶寬資源利用率的下限負載值；RBMax是指帶寬資源利用率的上限負載值。

轉發板服務器的本地資源監控模塊會時刻監控本地的資源利用情況，包括實時的CPU資源利用率RCcur、內存利用率RMcur和帶寬資源利用率RBcur，如果這三者都處于設定的最高閾值和最低閾值之間，那么不會觸發遷移；否則出現異常，也就是RCcur、RMcur和RBcur三者任意一個不處于設定的最高閾值和最低閾值之間，那么該服務器將被標記為異常。為了避免服務器負載的波動影響數據的準確性，以采集周期T對服務器的各個資源使用情況進行采集，當服務器連續三個周期都是異常時，那么觸發轉發實例動態遷移機制。當RCcur、RMcur和RBcur任意一個或多個超過RCMax、RMMax和RBMax之間的任意一個，且異常持續時間超過三個數據采集周期，那么為了提高虛擬路由器平臺的服務質量，觸發高負載遷移；當RCcur、RMcur和RBcur三者均低于RCMax、RMMax和RBMax，且異常的持續時間超過了三個數據采集周期，那么為了提高服務器的資源利用率，觸發低負載遷移。

3.2 遷移對象選擇

遷移對象的選擇是指遷移觸發機制被觸發以后，如何從異常的服務器里面選擇轉發實例作為遷移對象，使得整個遷移過程的開銷最小。因此需要對物理服務器上的轉發實例進行綜合評估，從而找出最佳的遷移對象。其中遷移對象的選擇可以分成兩種情況：(1) 物理服務器的資源利用率低于最低閾值時，轉發實例全部遷出，即低負載遷移；(2) 物理服務器的資源利用率高于最高閾值時，選擇部分轉發實例遷移，使得遷移后的物理服務器資源利用率低于最高閾值，即高負載遷移。其中第一種情況較簡單，只需要將低于最低閥值的物理服務器上的轉發實例全部遷出，然后使該服務器休眠或者關掉。第二種情況是本節討論的重點，其選擇過程涉及到最小代價的貪心算法。VRSM虛擬路由器轉實例的遷移過程是首先在目標服務器上創建一個新的轉發實例。然后主控實例下發路由表項至新的轉發實例，新轉發實例獲取所有的路由表項并且安裝完畢之后，舊轉發實例將從源服務器被刪除。從上述過程可以推斷，路由表項越多，主控實例下發路由表項的時間越長，路由表選項安裝的時間越長，遷移時間越大，根據轉發實例遷移開銷模型可以知道，虛擬路由器平臺整個能耗增加值也會更多。

為了證明上述推斷的正確性，我們在虛擬路由器架構VRSM的基礎上研究了轉發實例遷移時間與路由表項數目之間的關系。轉發實例遷移時間是資源管理平面的遷移時間統計模塊負責計算，遷移被觸發時，遷移時間統計模塊記錄遷移開始的時間，并且在目標服務器創建新的轉發實例；當主控實例全部下發，并且新的轉發實例全部安裝成功，資源管理平面會刪除舊的轉發實例，然后遷移時間統計模塊才記錄遷移結束時間。兩者時間之差就是轉發實例遷移時間。表1為轉發實例遷移時間和路由表項數目之間的關系。

表1 遷移時間與路由表數目關系

可以看出，轉發實例的遷移時間與路由表數目呈線性增長關系。因此為了降低轉發實例遷移過程的代價，可以選擇對應主控實例路由表項較少的那些轉發實例作為遷移對象。遷移對象選擇算法可以描述如下：

1) 遷移觸發機制被觸發之后，資源管理平面定位到異常服務器；

2) 統計異常服務器上各個轉發實例對應主控實例的路由表路由總條數；

3) 根據轉發實例對應的主控實例的路由表項數目按照從小到大的順序以<轉發實例號，路由表項數目>的二元組形式存入轉發實例路由表項信息鏈表；

4) 將路由表路由總條數最小對應的轉發實例標記，調用轉發實例遷移算法遷出，并且更新轉發實例路由表項信息鏈表；

5) 檢查異常服務器的物理資源是否大于最高閾值，如果是，那么進入過程3)，如果否，那么進入過程6)；

6) 遷移對象選擇過程結束。

3.3 目標服務器選擇

為了讓目標服務器能夠正常運轉接收的轉發實例，目標服務器的選擇應該滿足資源匹配規則。

該規則是指選擇的目標服務器應該能滿足轉發實例對物理資源的最低要求，包括CPU、內存和帶寬等。具體說來，資源匹配規則應該滿足以下幾個條件：

CRequire≤CAvailable

(4)

BRequire≤BAvailable

(5)

MRequire≤MAvailable

(6)

其中，CRequire為轉發實例的CPU資源大小要求，MRequire為轉發實例的物理內存大小要求，BRequire為轉發實例的帶寬資源大小要求。

當有多個物理服務器同時滿足條件時，全局資源管理模塊會計算對每個符合條件的物理服務器進行能耗評估，即計算這些物理服務器在接收轉發實例前后的能耗之差。然后從中選擇選出產生能耗之差最小的物理服務器作為目標服務器，從而使得遷移后的虛擬路由器平臺產生的能耗最小。

3.4 算法描述

基于上述闡述的遷移觸發機制、遷移對象選擇和目標服務器選擇方法，本文提出了一個基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移的算法。該算法在服務器處于閾值之外的低負載時，為了提高虛擬路由器平臺的物理資源利用率，執行低負載遷移；處于閾值之外的高負載時，為了提升用戶網絡體驗，執行高負載遷移。

同時考慮到在轉發實例遷移過程中，頻繁的遷移抖動將對虛擬路由器平臺的整體性能造成影響，為了盡量減少轉發實例的遷移次數，資源管理平面規定只有在遷移后，虛擬路由器平臺總能耗降低10%以上，才真正地執行轉發實例遷移，否則不執行遷移。

算法大致思想如下闡述：

1) 根據具體情況設定轉發池中各個轉發板的資源利用率上限閾值和下限閾值以及全局監控的資源利用率采集周期T。

2) 本地監控按照采集周期T周期性采集轉發板的資源利用率情況，并且將資源利用率信息，包括CPU、內存和帶寬利用率發送給全局監控。

3) 全局監控檢查收到的資源利用率信息是否在設置的上限閾值和下限閾值之間；如果是，標記服務器正常，否則標記服務器異常，將異常信息存入異常信息表，并且檢查是否連續三個采集周期都出現異常且遷移之后，總能耗降低10%以上，如果否，不作任何處理；如果是，那么進入步驟4)。

4) 查看異常信息，如果異常節點資源利用率過高，執行高負載遷移，進入步驟5)；如果異常節點資源利用率過低，執行低負載遷移，進入步驟6)。

5) 根據遷移對象選擇算法和目標服務器選擇規則選擇遷移代價最小的轉發實例和合適的目標服務器，將該轉發實例遷移到目標服務器，迭代步驟5)直到異常節點的資源利用率在閾值之間。

6) 根據目標服務器選擇規則選擇合適的目標服務器，將轉發實例編號最小的轉發實例遷移到目標服務器，迭代步驟6)直到異常節點轉發實例數量為零，然后關閉該異常節點。

4 實驗結果分析

轉發資源池和控制資源池都采用IBM nx360服務器，該服務器配置為Intel Xeon CPU E5-2620、64 GB內存、2個萬兆網卡和2個千兆網卡以及Linux CentOS 6.5系統；資源管理平面采用IBM x3650服務器，該服務器配置為Intel Xeon CPU E5-2680、64 GB內存、1個千兆網卡以及Linux CentOS6.5系統。另外，轉發資源池、控制資源池以及資源管理平面相互之間連接采用通用交換機，具有24個千兆網卡。其中所有的轉發板服務器和主控板服務器都向資源管理平面注冊。

實驗過程中，在資源管理平面上運行模擬程序，該模擬程序會調用資源管理平面的接口隨機創建、刪除需求物理資源不同的轉發實例，以此模擬虛擬網絡中轉發板服務器的物理資源利用率不斷變化的情況，其中轉發實例的參數以及對應的主控實例中的路由表項為模擬器隨機生成。為了對基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移算法中的三個預定義閾值(CPU閾值、內存閾值和帶寬閾值)進行選擇。本文進行了多組實驗，實驗結果顯示算法在CPU利用率的下限負載值范圍為(0.20～0.25)，上限負載值范圍為(0.85～0.95)；內存利用率的下限負載值范圍為(0.25～0.30)，上限負載值范圍為(0.85～0.90)，帶寬利用率的下限負載值范圍為(0.20～0.25)，上限負載值范圍為(0.85～0.95) 的情況下節能效果較佳。

4.1 資源利用率

為了驗證基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移算法能夠有效地提高虛擬路由器平臺的資源利用率，在上述實驗的基礎上，選擇并設定適宜的閾值。在實驗過程中，每次轉發實例遷移完成后，計算整個平臺的資源利用率，其中資源利用率等于平臺內所有轉發實例占用的資源之和除以所有運行的服務器資源之和，實驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，轉發實例的遷移次數由0增長到30的過程中，CPU的利用率從34.46%提高到64.62%，內存利用率從22.25%提高到50.68%，寬帶的利用率從30.23%提高到58.29%。實驗結果表明本文算法可以有效地提高虛擬路由器平臺內部的物理資源利用率。

圖2 資源利用率與遷移次數

4.2 能耗節約測試

在上述實驗的基礎上，在資源管理平面加入能耗統計模塊，其中能耗統計模塊是根據服務器能耗模型實現的，可以利用2.1節中的式(1)計算，其大小和CPU的利用率呈線性關系，然后設置合理的閾值，每次轉發實例遷移完成后，計算整個虛擬路由器平臺的功率，其中功率的計算是基于能耗統計模塊，實驗結果如圖3所示。從圖中可以看出，轉發實例的遷移次數由0增長到30的過程中，虛擬路由器平臺的總功耗由2.35 kW下降到1.27 kW，這表明通過轉發實例的動態遷移可以降低平臺的總能耗。

圖3 總能耗與遷移次數

5 結 語

本文提出了一種基于能耗的虛擬路由器轉發實例動態遷移算法，旨在通過轉發實例的動態遷移提高轉發板的物理資源利用率，降低虛擬路由器平臺能耗。在該算法中，資源管理平面的全局資源監控模塊周期性地采集物理轉發板的資源利用率，包括CPU、內存和帶寬資源利用率。通過將獲取的實時資源利用率與設定好的最高閾值和最低閾值進行比較，從而為轉發實例的動態遷移提供信息決策。通過遷移調整平臺內部的轉發實例與物理服務器之間的映射關系，從而利用更少的服務器。仿真實驗表明，該算法能夠有效地提高虛擬路由器平臺的物理資源利用率，降低虛擬路由器平臺能耗。

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STUDYOFDYNAMICMIGRATIONMECHANISMOFVIRTUALROUTERFORWARDINGINSTANCEBASEDONENERGYCONSUMPTION

Li Tongbiao Zhang Xiaozhe Gao Xianming Deng Wenping Ma Shicong
(SchoolofComputer,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,Hunan,China)

Virtual router platform is the key network equipment to support network virtualization technology. Traditional virtual router platform is criticized low physical resource utilization and serious loss of energy consumption problems. Most of the existing energy-saving mechanism is achieved through live dynamic migration of virtual router instance between virtual router platforms, few scholars study the dynamic migration of virtual router instances inside the platform. This paper presents a dynamic migration algorithm of virtual router forwarding instance inside the virtual router platform based on power saving. The algorithm dynamically migrates forwarding instance to fewer physical servers, adjust mapping between forwarding instance and physical servers inside platform, and close down idle physical servers. Our experiment results show that the algorithm can effectively improve resource utilization of physical servers and reduce the energy consumption of the virtual router platform.

Network virtualization Virtual router Forwarding instance Dynamic migration Resource utilization Energy consumption

2016-10-08。國家重點基礎研究發展計劃項目(2012CB315906)。李同標，碩士生，主研領域：網絡虛擬化。張曉哲，副研究員。高先明，博士生。鄧文平，助理研究員。馬世聰，博士生。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.027