基于云桌面技術(shù)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法

張皓宇，單薇薇，方 曉，王 艷

（遼寧省氣象信息中心，遼寧 沈陽 110166）

云桌面也叫云電腦或桌面虛擬化，是一種新型的傳統(tǒng)電腦運(yùn)行替代模式。應(yīng)用云桌面技術(shù)后，接入用戶不需要購買額外的電腦主機(jī)，所有后端服務(wù)器的執(zhí)行功能都可以通過設(shè)備復(fù)原功能進(jìn)行模擬，且單臺服務(wù)器最高可對接1～50 臺數(shù)量不等的虛擬主機(jī)[1-2]。通常情況下，云桌面前端設(shè)備主要借助客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)鍵鼠與顯示器的連接，在通信協(xié)議的交互作用下，利用虛擬機(jī)設(shè)備，達(dá)到與網(wǎng)絡(luò)終端相同的顯示效果。

在專業(yè)化虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于動態(tài)節(jié)點(diǎn)的自由化分布，易導(dǎo)致嚴(yán)重的資源占比不均問題。為避免上述情況的發(fā)生，基于邊際效用的網(wǎng)絡(luò)資源分配模型在構(gòu)建函數(shù)框架的同時，分析信息數(shù)據(jù)間的相似收斂性，從而實(shí)現(xiàn)對資源參量的分布式規(guī)劃。但此方法在獨(dú)立傳輸周期內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)值水平較低，卻需要大量的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對執(zhí)行功能進(jìn)行主觀性配合。為解決上述問題，引入云桌面技術(shù)，在開源云計(jì)算平臺的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法，并通過比照實(shí)驗(yàn)的方式，突出說明該方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)搭建

基于云桌面技術(shù)的虛擬化專用網(wǎng)絡(luò)由開源云計(jì)算平臺、Spice 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議等多個應(yīng)用部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 開源云計(jì)算平臺

開源云計(jì)算平臺是虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的底層應(yīng)用結(jié)構(gòu)，由Saas、Paas、Iaas 三部分組成。其中，Saas 是開源云計(jì)算平臺中的核心執(zhí)行元件，同時負(fù)責(zé)云接口安全、虛擬化安全、主機(jī)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、動態(tài)化資源安全等多項(xiàng)應(yīng)用執(zhí)行功能。Paas 是開源云計(jì)算平臺之間的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可根據(jù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)中資源信息的運(yùn)行安全性與接口安全性水平，確定最終分配行為的應(yīng)用穩(wěn)定性[4]。Iaas 是開源云計(jì)算平臺的最外層執(zhí)行結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用安全性技術(shù)手段的支持下，實(shí)現(xiàn)對待分配網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源的管理與維護(hù)。開源云計(jì)算平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 開源云計(jì)算平臺結(jié)構(gòu)

1.2 KVM虛擬化

KVM 虛擬化是一項(xiàng)必要的云桌面處理技術(shù)，可將專用網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)資源結(jié)構(gòu)劃分成幾個關(guān)鍵的應(yīng)用環(huán)節(jié)，再借助必要驅(qū)動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對資源結(jié)構(gòu)體的分配與處理。動態(tài)資源分別存儲于專用虛擬化主機(jī)之中，在云桌面技術(shù)的支持下，KVM 虛擬內(nèi)核可借助驅(qū)動設(shè)備，將待分配資源傳輸至底層平臺結(jié)構(gòu)體之中，再通過分布化處理的方式，將這些資源分解成多個小型應(yīng)用結(jié)構(gòu)，一部分暫時存儲于VMX 設(shè)備體之中，另一部分則直接用于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源的傳輸與應(yīng)用[5-6]。KVM 虛擬化處置原理如圖2 所示。

圖2 KVM虛擬化處置原理

1.3 Spice桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議

Spice 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議存在于虛擬化專用網(wǎng)絡(luò)之中，可在多極化應(yīng)用主機(jī)的調(diào)節(jié)下，實(shí)現(xiàn)對動態(tài)資源的整合與傳輸。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源傳輸協(xié)議的存在形式必須與Spice 服務(wù)完全匹配，且在整個傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與動態(tài)節(jié)點(diǎn)始終保持相對空閑的占用狀態(tài)[7-8]。為保證最終資源分配結(jié)果的合理性，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源可在Spice 傳輸主機(jī)的促進(jìn)下，在云桌面環(huán)境中保持通暢的連接行為，直至專用網(wǎng)絡(luò)通道被Spice 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議完全占據(jù)，開源云計(jì)算主機(jī)才會釋放所有暫存的數(shù)據(jù)信息參量。Spice桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議生成原理如圖3 所示。

圖3 Spice桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議生成原理

2 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源分配

在基于云桌面技術(shù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的支持下，按照動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站選擇、虛擬化網(wǎng)絡(luò)切換、分配效用函數(shù)計(jì)算的處理流程，完成新型虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法的設(shè)計(jì)。

2.1 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站選擇

動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站選擇是虛擬化資源分配處理的必要應(yīng)用環(huán)節(jié)，可按照Spice 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議連接需求，確定必要基站設(shè)備體所處的實(shí)際位置[9-10]。規(guī)定R1代表第一個計(jì)數(shù)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站的位置信息，Rn代表第n個計(jì)數(shù)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站的位置信息。在一個完整的網(wǎng)絡(luò)資源分配周期內(nèi)，隨著待處理數(shù)據(jù)資源總量的增加，可用于信息分配處理的數(shù)據(jù)參量數(shù)值也會不斷增加，直至能夠完全適應(yīng)云桌面應(yīng)用的實(shí)際處理需求。設(shè)ε1、εn分別代表兩個不同的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將基于云桌面技術(shù)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基站選擇表達(dá)式定義為：

其中，I代表虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)化應(yīng)用參量，代表動態(tài)資源的傳輸分配條件，λ代表資源數(shù)據(jù)的既定分配處置周期。

2.2 虛擬化網(wǎng)絡(luò)切換

虛擬化網(wǎng)絡(luò)切換包含子網(wǎng)轉(zhuǎn)化、云資源普及兩個應(yīng)用處置環(huán)節(jié)。在云桌面技術(shù)實(shí)施環(huán)境保持不變的情況下，隨著子網(wǎng)轉(zhuǎn)化流程的推進(jìn)，動態(tài)資源會由虛擬化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)存至云平臺主機(jī)之中，并逐漸釋放與后續(xù)節(jié)點(diǎn)分配無關(guān)的信息參量[11-12]。而云資源普及則是對數(shù)據(jù)參量的深度化處理，可按照KVM虛擬化的實(shí)際處置原則，交換原始分配主機(jī)與目標(biāo)分配主機(jī)的所處位置，從而完成攜帶網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)化分配處理[13-14]。若以b0作為待分配網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源所處的原始存在位置，bn作為待分配網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源所處的目標(biāo)存在位置，聯(lián)立式（1），可將虛擬化網(wǎng)絡(luò)切換表達(dá)式定義為：

2.3 分配效用函數(shù)

分配效用函數(shù)是與虛擬專用網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的資源配比條件，在固定傳輸條件的情況下，隨著動態(tài)資源應(yīng)用量的增加，整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的橫向覆蓋面積也會不斷增大，直至已占用資源結(jié)構(gòu)體的平均傳輸時長與額定分配處理周期完全相等[15-16]。在一個固定網(wǎng)絡(luò)資源分配時長中，信息數(shù)據(jù)的最大應(yīng)用量始終不會超過j，若規(guī)定|T|代表固有的信息傳輸周期，聯(lián)立式（2），可將基于云桌面技術(shù)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配效用函數(shù)表示為：

其中，mn代表虛擬專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的資源占比分配系數(shù)，ΔD代表單位時間內(nèi)的待分配資源堆積總量，k代表網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系數(shù)。至此，完成各項(xiàng)理論系數(shù)參量的計(jì)算，在云桌面技術(shù)的支持下，完成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法的搭建。

3 實(shí)用分配能力檢測

為驗(yàn)證基于云桌面技術(shù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。

在Windows XP 系統(tǒng)中啟動Linux 操作主機(jī)，并在其中打開動態(tài)化資源分配軟件。分別將搭載該文新型分配方法和基于邊際效用網(wǎng)絡(luò)資源分配模型的信號執(zhí)行主機(jī)，接入實(shí)驗(yàn)所有虛擬機(jī)操作設(shè)備，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組，后者作為對照組。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值及數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)傳輸占比率的實(shí)際變化行為。虛擬機(jī)操作界面如圖4 所示。

圖4 虛擬機(jī)操作界面

虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配原理如圖5 所示。

圖5 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配原理

規(guī)定10 min 為一個網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源的傳輸周期，記錄在多個傳輸周期內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對照組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值的具體變化情況，實(shí)驗(yàn)詳情如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值

分析表1 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的不斷延長，實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值一直保持不斷上升的變化趨勢，且前后期上升幅度并無明顯變化，至第5 個傳輸周期結(jié)束，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)極值可達(dá)到8.7×1015T；對照組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值在階段性上升趨勢后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，至第5 個傳輸周期結(jié)束，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)極值也僅達(dá)到5.2×1015T，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了3.5×1015T。綜上可知，應(yīng)用基于云桌面技術(shù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法，可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值的穩(wěn)定提升，滿足資源占比不均問題的實(shí)際處理需求。

數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率能夠反映虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用穩(wěn)定性，通常情況下，前者的數(shù)值水平越低，后者的穩(wěn)定性程度就越強(qiáng)，反之則越弱。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率的具體變化情況。

表2 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的不斷延長，實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率雖一直保持不斷上升的變化趨勢，但整體上升幅度較小，實(shí)驗(yàn)初始值、實(shí)驗(yàn)終止值間的差距僅達(dá)到19%，至第5 個傳輸周期結(jié)束，節(jié)點(diǎn)占比率的最大值也僅達(dá)到65%。對照組數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率也一直保持不斷上升的變化趨勢，但實(shí)驗(yàn)后期的上升幅度明顯高于實(shí)驗(yàn)前期，實(shí)驗(yàn)初始值、實(shí)驗(yàn)終止值間的物理差達(dá)到41%，至第5 個傳輸周期結(jié)束，節(jié)點(diǎn)占比率的最大值更是超過了95%，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，上升了30%。綜上可知，應(yīng)用基于云桌面技術(shù)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法后，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，能夠有效解決現(xiàn)有的資源占比不均問題。

4 結(jié)束語

與基于邊際效用的網(wǎng)絡(luò)資源分配模型相比，新型虛擬專用網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配方法在云桌面技術(shù)的支持下，設(shè)置開源云計(jì)算平臺等結(jié)構(gòu)，可同時聯(lián)合Spice 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議等應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對分配效用函數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算。從實(shí)用性角度來看，隨著該方法的應(yīng)用，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)可在提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值的同時，控制數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)占比率的無故攀升行為，能夠完全克服虛擬化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的資源占比不均問題，實(shí)現(xiàn)對動態(tài)資源結(jié)構(gòu)體的合理化分配。