張曙

摘要：云計(jì)算服務(wù)的普及，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心（DataCenter）開(kāi)始提供云計(jì)算服務(wù)，并以VirtualMachine基礎(chǔ)的虛擬化解決方案為大宗，目前的VM平臺(tái)皆有快速部署與管理的能力，但VM平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)頻寬上的管理還有其努力改善的空間。該論文的主旨在討論如何在不改變?cè)茢?shù)據(jù)中心的虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與不增加管理復(fù)雜度的前提下，利用在MAC層上的QoS機(jī)制，延伸至VM平臺(tái)環(huán)境實(shí)現(xiàn)QoS，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)頻寬資源有效的管理，滿足各種云計(jì)算服務(wù)的需求。

關(guān)鍵詞：服務(wù)質(zhì)量；虛擬化；虛擬機(jī)；數(shù)據(jù)中心

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）34-8238-03

隨著云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用增加，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心（DataCenter）開(kāi)始提供云計(jì)算服務(wù)，不但如此現(xiàn)有的IT相關(guān)的服務(wù)也邁向云化發(fā)展，使用者只要連結(jié)因特網(wǎng)即能隨時(shí)隨地的使用這些服務(wù)資源。云化的結(jié)果使得計(jì)算資源更能動(dòng)態(tài)地分享與預(yù)留，且更具彈性與更有效率的運(yùn)作。

由于云計(jì)算服務(wù)的需求增加，數(shù)據(jù)中心提供以VirtualMachines，VM基礎(chǔ)的虛擬化解決方案，正快速的普及當(dāng)中，甚至有些數(shù)據(jù)中心的建置，以虛擬化的架構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足云計(jì)算服務(wù)需求為主，云數(shù)據(jù)中心（CloudDataCenter）即為此需求下的產(chǎn)物。目前數(shù)據(jù)中心提供以VM為基礎(chǔ)的云計(jì)算服務(wù)與完整的云服務(wù)解決方案給企業(yè)與組織已漸漸成為趨勢(shì)。隨著VM技術(shù)越來(lái)越進(jìn)步數(shù)據(jù)中心虛擬化的程度越來(lái)越高，范圍也越來(lái)越廣，目前的VM皆可以快速的進(jìn)行部署與管理，但VM在網(wǎng)絡(luò)頻寬上的管理則還有其努力改善的地方。數(shù)據(jù)中心中大量部署VM解決方案的同時(shí)，這使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得重新思考，以應(yīng)付服務(wù)器虛擬化后，網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的分配調(diào)整的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)頻寬使用的管理為其重要，尤其在有付費(fèi)的VM平臺(tái)上，要如何做依據(jù)SLA（ServiceLevelAgreement，）來(lái)分配頻寬資源，并根據(jù)服務(wù)的需求保證資料流的效能達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。QoS（QualityofService）的保證對(duì)于容量有限的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)會(huì)是一個(gè)重要的議題。特別是對(duì)于streamingmultimediaapplications如VoIP、IPTV等等，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要固定頻寬且對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題敏感。

數(shù)據(jù)中心的虛擬化項(xiàng)目中，也包含了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬化，例如利用網(wǎng)絡(luò)第二層（MACLayer）技術(shù)架構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬化，VirtualSwitch即為一個(gè)實(shí)例，這使得整個(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)資源能更加的動(dòng)態(tài)分配，虛擬化后會(huì)使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜化，如何在云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)中，在不增加網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與管理上的復(fù)雜度與不改變現(xiàn)有虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的前提下，利用網(wǎng)絡(luò)MAC層的QoS機(jī)制來(lái)達(dá)成VM平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)，提供網(wǎng)絡(luò)資源QoS則是該文要討論的重點(diǎn)。

文章第一段說(shuō)明云數(shù)據(jù)中心的虛擬化下VM平臺(tái)所會(huì)面臨到的網(wǎng)絡(luò)管理問(wèn)題與簡(jiǎn)介該文討論的主旨；第二段解釋相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，包含虛擬平臺(tái)的類型，與EdgeVirtualBridging的兩個(gè)分支協(xié)議IEEE802.1Qbh與IEEE802.1Qbg，這兩協(xié)議實(shí)際在業(yè)界的產(chǎn)品描述；第三段說(shuō)明SubnetBandwidthManager的運(yùn)作流程，與如何透過(guò)RSVP為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)頻寬管理；第四段說(shuō)明MAC層的QoS機(jī)制并且如何延伸至VM為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，最后則結(jié)論總結(jié)。

1相關(guān)研究

1.1Hypervisor

Hypervisor是一種虛擬平臺(tái)，為許多硬件虛擬技術(shù)中的其中一種。主要的功能是提供多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)作在一臺(tái)伺服主機(jī)上的技術(shù)。

Hypervisor也稱為Virtualmachinemanager，VMM。運(yùn)行在Hypervisor上的操作系統(tǒng)稱作為Guest，執(zhí)行Hypervisor的這臺(tái)主機(jī)則稱為HostServer。這些Guest可以是任何一種Hypervisor有支持的操作系統(tǒng)，透過(guò)Hypervisor共享HostServer的主機(jī)硬件資源，也包含該文的主要討論目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)資源。

Hypervisor有兩種類型，第一種類型為BareMetalHypervisor與第二種類型為Hosted

Hypervisor。第一種類型直接執(zhí)行在硬件上，實(shí)際的例子為VMwareESX/ESXi、MicrosoftHyper-V、CitrixXenServer、RedHatKVM、OracleVirtualIron等。第二種類型則在硬件與之間還有一層操作系統(tǒng)，換句話說(shuō)Hypervisor運(yùn)作在一個(gè)操作系統(tǒng)中，實(shí)際的例子為VMwareWorkstation/Fusion、MicrosoftVirtualPC/Server、SunVirtualBox、ParallelsDesktop等。

1.2EdgeVirtualBridging

EdgeVirtualBridging，EVB是IEEE的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在Hypervisor中虛擬交換器環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層基礎(chǔ)設(shè)施之間的互動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。EVB的實(shí)現(xiàn)目前有兩大不同的分支，分別為IEEE802.1Qbh與IEEE802.1Qbg。

IEEE802.1Qbh，又稱為VN-Tag已經(jīng)被IEEE預(yù)定為802.1Qbh的橋接器的連接端口擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)，定義上對(duì)于協(xié)議、程序和被管理的對(duì)象能提供連接端口擴(kuò)充。要降低多橋接器網(wǎng)絡(luò)管理的成本（例如在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中），主要方法是減少被管理的橋接器及設(shè)備之間，交換幀流通的時(shí)間。整體上減少整體擁有成本是藉由降低初期資本支出及管理、運(yùn)營(yíng)成本等原因來(lái)達(dá)成。

數(shù)據(jù)中心的管理在今天來(lái)講是非常復(fù)雜，降低復(fù)雜度可以藉由聚合整個(gè)復(fù)雜的橋接功能移到少數(shù)幾臺(tái)橋接器上，從管理的觀點(diǎn)上來(lái)說(shuō)就是減少橋接器層的級(jí)數(shù)。EVB計(jì)劃里定義中提到需具有橋接器連接端口能返回原來(lái)連接端口及多通道等能力。

并在計(jì)劃中有提到連接端口擴(kuò)展器能提供遠(yuǎn)程復(fù)制服務(wù)的能力，而且連接端口擴(kuò)充器（PortExtender）除了使用EVB能力之外，并且有遠(yuǎn)程處復(fù)制交換幀的服務(wù)。目的在聚合整個(gè)復(fù)雜的橋接功能轉(zhuǎn)到少數(shù)幾臺(tái)橋接器上。藉由連接端口擴(kuò)充器設(shè)備來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)橋接器層級(jí)數(shù)，降低資本支出，管理點(diǎn)數(shù)及設(shè)備之間交換幀流通的時(shí)間，最后達(dá)成減少整體擁有成本。

另一個(gè)EVB的分支，IEEE802.1Qbg22，為EVB（EthernetVirtualBridging）中的VEPA（VirtualEthernetPortAggregator）也已經(jīng)被IEEE預(yù)定為802.1Qbg的標(biāo)準(zhǔn)，定義上對(duì)于協(xié)議、程序和被管理的對(duì)象能提供發(fā)現(xiàn)、組態(tài)、控制，在直接連接S-VLAN的組件至遠(yuǎn)程客服橋接器連接端口之服務(wù)、及提供同時(shí)存在的多重能力服務(wù)，也就是在同一臺(tái)機(jī)器一個(gè)出口或多個(gè)出口上提供發(fā)現(xiàn)、組態(tài)、及控制內(nèi)部接在橋接器上連接端口之連接端口聚合服務(wù)，虛擬機(jī)器之間能彼此交換，即使同一個(gè)出口服務(wù)也可以返回原來(lái)的連接端口。另外連接端口聚合服務(wù)對(duì)于所有橋接器連接端口上需求和操作，除了返回原來(lái)連接端口的服務(wù)（ReflectiveRelayService）之外或者連接至另一客戶端的嵌入式橋接器C-VLAN組件上之服務(wù)均不會(huì)引起橋接器循環(huán)（loop）的現(xiàn)象。主要目的是允許多重虛擬機(jī)器除了擁有一共同橋接器的連接端口的交換之外，并對(duì)于虛擬機(jī)器方面，在橋接器上可提供調(diào)整組態(tài)、管理等服務(wù)。

綜合上述來(lái)講，VEPA依照結(jié)構(gòu)，基本上分StandardMode及Multichannel兩類型，在StandardMode基本上除了在虛擬服務(wù)器上能讓交換幀不必再透過(guò)虛擬交換器（vSwitch），而直接轉(zhuǎn)發(fā)一般的交換器上，但是在交換器連接端口需要有ReflectiveRelay功能擴(kuò)充。

無(wú)論桌上型及服務(wù)器的虛擬機(jī)器都是共同接在嵌入式橋接器之同一連接端口的網(wǎng)絡(luò)上，但是嵌入式橋接器及鄰近橋接器是屬于不同的管理網(wǎng)域。網(wǎng)管者也許期望鄰近橋接器的能力能擴(kuò)及虛擬機(jī)器的連接端口上。介于彼此虛擬機(jī)器之間的服務(wù)，在橋接器的連接端口除了能返回原來(lái)連接端口之外，也能擴(kuò)及至鄰近橋接器的服務(wù)及相關(guān)的服務(wù)（例如安全、QoS、監(jiān)督及統(tǒng)計(jì)等）。在配對(duì)的S-VLAN組件具有相當(dāng)有限的功能，允許介于鄰近橋接器、多重虛擬機(jī)器之間的多重虛擬聯(lián)機(jī)，因此多重虛擬機(jī)器可以提供多通道能力服務(wù)。

1.3AccessLayerNetworkVirtualization

EVB的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以IEEE802.1Qbh為基礎(chǔ)，由Cisco和VMware合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)分布式虛擬交換器（DVS）架構(gòu)，用軟件方式直接安裝在分布式Hypervisor內(nèi)，處理以太網(wǎng)絡(luò)第二層的操作不需再進(jìn)入原有VMware的虛擬交換器（vSwitch），透過(guò)CiscoNexus1000VSeries，直接經(jīng)由虛擬服務(wù)器（VMs）內(nèi)虛擬網(wǎng)卡（vNIC）與交換器之間，這種邏輯

聯(lián)機(jī)被稱為VN-LINK。VN-LINK可以下列兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一種是分布式虛擬交換器可以使用軟件方式來(lái)達(dá)成，也就是軟件安裝在Hypervisor內(nèi)。第二種，用硬件方式來(lái)支持網(wǎng)絡(luò)接口虛擬（NIV）達(dá)成。

以IEEE802.1Qbg為基礎(chǔ)的VEPA（VirtualEthernetPortAggregation）設(shè)計(jì)，在JuniperNetwork的JuniperEXSeries以太網(wǎng)絡(luò)交換器上，從虛擬服務(wù)器送來(lái)的交換幀在交換器內(nèi)提供返回原來(lái)連接端口（ReflectiveRelay），換句話說(shuō)交換器的同一個(gè)連接端口據(jù)接收與發(fā)送同一交換幀的服務(wù)（ReflectiveRelayService），以交換器接收聚合虛擬服務(wù)器的交換幀之技術(shù)為代表。虛擬服務(wù)器交換幀直接傳至另外一臺(tái)虛擬服務(wù)器的技術(shù)被稱為VEB（VirtualEthernetBridging），雖然虛擬服務(wù)器可以直接用VEB來(lái)處理，但是由硬件的交換器來(lái)處理，更容易處理網(wǎng)絡(luò)安全、監(jiān)督、統(tǒng)計(jì)，QoS及ACL等方面，因此在虛擬服務(wù)器需要安裝VEPA，藉此組合虛擬交換幀直接進(jìn)入一般的交換器中交換，而不再進(jìn)入vSwitch內(nèi)。當(dāng)JuniperEXSeries以太網(wǎng)絡(luò)交換器，接在有VEPA的虛擬服務(wù)器時(shí)，在交換器的連接端口上需要設(shè)定ReflectiveRelay的功能，以便虛擬交換幀才能返回原來(lái)的連接端口。

2SubnetBandwidthManager

在IETFRFC2814定義了SubnetBandwidthManager（SBM）。SBM可用在以太網(wǎng)絡(luò)交換器環(huán)境上進(jìn)行LAN的AdmissionControl（AC），處理網(wǎng)絡(luò)資源保留的管控，即為一個(gè)在802為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)上的協(xié)議用，用來(lái)處理ResourceReservationProtocol，RSVP為主的AdmissionControl。在有SBM管理的網(wǎng)絡(luò)區(qū)段中，會(huì)有一個(gè)SBM裝置被選為DesignatedSubnetBandwidthManager，DSBM，透過(guò)DSBM進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源保留的動(dòng)作，當(dāng)DSBM送出一個(gè)RSVPPATH信息，假設(shè)有一個(gè)接口屬于管理的區(qū)段，這個(gè)信息會(huì)被送到DSBM。假設(shè)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)段不在管理的范圍內(nèi)，這個(gè)RSVPPath信息會(huì)直接送到RSVPsessiondestination。

一個(gè)基本的以DSBM為基礎(chǔ)的AC處理流程大致為：（a）DSBM會(huì)建立路徑信息給RSVP信息用，利用接到的信息中取得節(jié)點(diǎn)的信息。（b）DSBM會(huì)轉(zhuǎn)送信息到目的地址。（c）DSBM取得RSVPRESV信息，然后處理信息內(nèi)容后決定下一個(gè)動(dòng)作處理。假設(shè)所要求的頻寬資源可以保證的話RESV信息會(huì)被送往之前的節(jié)點(diǎn)。如果所要求的頻寬無(wú)法給予保證，DSBM會(huì)退回RESV_ERR信息給資源要求的節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)有個(gè)從外部非管理的網(wǎng)絡(luò)區(qū)段主機(jī)A對(duì)內(nèi)部管理的網(wǎng)絡(luò)區(qū)段主機(jī)B有L2頻寬資源預(yù)留請(qǐng)求發(fā)生，支持RSVP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的L3設(shè)備，例如：主機(jī)或是路由器會(huì)傳送或轉(zhuǎn)送RSVPPATH信息給所在管理網(wǎng)絡(luò)區(qū)段的DSBM，而不是傳送到RSVPsession目的地址去。信息處理后DSBM會(huì)轉(zhuǎn)送這個(gè)信息到目的地址去。DSBM會(huì)替一個(gè)session或是所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)（內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)），建立與維護(hù)的路徑狀態(tài)信息?，F(xiàn)在當(dāng)有個(gè)內(nèi)部主機(jī)B上的應(yīng)用需要預(yù)留頻寬，主機(jī)須能處理標(biāo)準(zhǔn)的RSVP信息規(guī)則并且傳送一個(gè)RSVPRESV的信息到先前節(jié)點(diǎn)，DSBM處理RSVPRESV信息依據(jù)可以提用的頻寬，假使無(wú)法提供保證所要求的頻寬DSBM會(huì)回復(fù)RSVPRESV_ERR信息給內(nèi)部的主機(jī)B，反之DSBM會(huì)傳送RESV信息給相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，并提供節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息更新。如此便完成一個(gè)基本的資源預(yù)留的動(dòng)作。

SBM允許RSVP啟用的路由器與L2/L3的設(shè)備支持局域網(wǎng)絡(luò)中RSVP的數(shù)據(jù)流提供資源預(yù)留的能力。如果考慮云應(yīng)用服務(wù)在VM平臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)資源管理，利用SBM延伸至VM平臺(tái)，云數(shù)據(jù)中心的VM資源管理上即具備有網(wǎng)絡(luò)QoS的能力。

3QoSontheMAClevel

IEEE802.1p是IEEE802.1Q的延伸標(biāo)準(zhǔn)，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)一起搭配運(yùn)用，IEEE802.1Q在原來(lái)EthernetMAC幀增加了VLAN的字段，字段有兩個(gè)部分一個(gè)為12-bit的VLANID與3-bit的prioritization，IEEE802.1Q在3-bit的prioritization上并無(wú)定義這個(gè)部分，而是在IEEE802.1p上有明確定義，IEEE802.1Q幀表頭字段TCI（TagControlIdentifier）中的PCP（PriorityCodePoint）有三個(gè)bit大小的字段，用來(lái)定義的優(yōu)先等級(jí)，IEEE一共建議了8個(gè)等級(jí)分類，實(shí)際上運(yùn)用此優(yōu)先等級(jí)還是得由網(wǎng)絡(luò)管理者進(jìn)行對(duì)應(yīng)的設(shè)定。最高優(yōu)先等級(jí)的值是7，通常這種等級(jí)優(yōu)先的封包可能是網(wǎng)絡(luò)重要的封包，給予較高的優(yōu)先權(quán)，例如RIP或是OSPF的封包等等，最低優(yōu)先等級(jí)的值則為0。

在資源需求固定的服務(wù)保證上，考慮VM的服務(wù)應(yīng)用需求，依照不同的屬性分群組建立服務(wù)規(guī)則。假設(shè)現(xiàn)在于VM平臺(tái)上有三種頻寬保證的服務(wù)類型，將這三種服務(wù)類型10Mb、50Mb、100Mb分別為G1、G2、G3三個(gè)群組，如表1所列。這三種群組從最低頻寬需求至最高頻寬需求分別有不同的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，將這三種VM群組根據(jù)費(fèi)用高低套用至不同的優(yōu)先等級(jí)，如表2所列，即可依照不同需求給予不同的網(wǎng)絡(luò)頻寬資源保證或是資源預(yù)留。

如遇到臨時(shí)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)資源需求變更時(shí)，也可以支持，例如：VM群組上的服務(wù)臨時(shí)變更為更高的保證，即可動(dòng)態(tài)調(diào)高G2群組的優(yōu)先等級(jí)如表2中所示。

MAC層的QoS或是CoS（ClassofService），在目前第二層的設(shè)備都有支持，透第二層交換器VLAN（IEEE802.1Q）功能，配合IEEE802.1p，簡(jiǎn)單的將網(wǎng)絡(luò)流量給分類然后傳送到目的端，然后啟用SBM的功能支持，即可做到QoS亦可以進(jìn)行頻寬資源預(yù)留的能力。

以EVB為基礎(chǔ)的VM平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用支持IEEE802.1p跟IEEE802.1Q的第二層設(shè)備，并啟用RSVP協(xié)議，修改SBM的協(xié)議增加IEEE802.1Qbh/IEEE802.1Qbg的VM平臺(tái)信息參考，IEEE802.1Qbh或是IEEE802.1Qbg在幀的格式上都是直接與IEEE802.1Q兼容的，即可輕易地?cái)U(kuò)充SBM對(duì)兩協(xié)議的支持，如此便可直接延伸對(duì)VM環(huán)境的支持，解決QoS與頻寬預(yù)留問(wèn)題。

4結(jié)論

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化，帶來(lái)的好處是使資源使用上更有彈性以及更有效的減低進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)維成本，同時(shí)也使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與管理上復(fù)雜化，但要如何做到不增加復(fù)雜度，不變更VM網(wǎng)絡(luò)堆棧設(shè)計(jì)而提供QoS能力，即為該文所討論的重點(diǎn)。利用IEEE802.1p與IEEE802.1Q的組合與SBM協(xié)議，延伸MAC層上的QoS機(jī)制，至VM平臺(tái)環(huán)境實(shí)現(xiàn)QoS，達(dá)到頻寬資源有效的管理，滿足各種云計(jì)算服務(wù)的需求。

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