一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，屬于網(wǎng)絡(luò)虛擬化領(lǐng)域。首先集中式控制器收集數(shù)據(jù)中心所有租戶的通信流信息，檢索與通信流相關(guān)的源租戶和宿租戶信息；然后遍歷每個(gè)通信流，計(jì)算其經(jīng)過(guò)的物理路徑；檢查每個(gè)通信流是否為內(nèi)部通信流，計(jì)算其權(quán)重；最后計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流和外部通信流的帶寬份額，并計(jì)算每個(gè)通信流的帶寬分配值。本發(fā)明的多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，既可以保證租戶的公平共享，又能提高帶寬資源的使用效率，有利于多租戶數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，屬于網(wǎng)絡(luò)虛擬化領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心通常采用多租戶技術(shù)將物理硬件資源(如CPU、存儲(chǔ)、帶寬等)抽象為虛擬資源(如虛擬機(jī))，以支持大量并發(fā)用戶。每個(gè)用戶(又稱租戶)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求，向數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商租用虛擬資源，并根據(jù)資源使用量付費(fèi)。因此，多租戶數(shù)據(jù)中心一方面可以支持租戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活調(diào)整虛擬資源的使用規(guī)模，另一方面可以提高物理資源的利用率，從而提高運(yùn)營(yíng)商收益。
[0003]在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，帶寬資源相對(duì)于計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源而言，是非常緊缺的。目前采用的資源分配方法多為完全競(jìng)爭(zhēng)方法和靜態(tài)分配帶寬的方法。如果采用多租戶完全競(jìng)爭(zhēng)的帶寬分配方式，可以充分利用帶寬資源，但是會(huì)引發(fā)公平性問(wèn)題，即不能保證租戶獲得所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。如果采用靜態(tài)分配的帶寬分配方式，可以保證租戶對(duì)帶寬資源的公平共享，但是會(huì)引發(fā)效率問(wèn)題，即當(dāng)租戶不使用帶寬時(shí)，靜態(tài)分配給它的帶寬資源也無(wú)法被其他租戶使用，從而造成帶寬利用率下降，影響了運(yùn)營(yíng)商收益。由此看來(lái)，設(shè)計(jì)一種兼顧公平和效率的多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬分配方法具有巨大價(jià)值。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，既可以保證租戶的公平共享，又能提高帶寬資源的使用效率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商與租戶的雙贏。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明基于如下合理的假設(shè):數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器采用樹(shù)型拓?fù)溥B接，并且使用一個(gè)集中式控制器負(fù)責(zé)計(jì)算分配給租戶的帶寬。
[0005]具體內(nèi)容包括:
[0006]步驟一、集中式控制器收集數(shù)據(jù)中心所有租戶的通信流信息。一個(gè)完整的通信流由一個(gè)四元組<p，q，S，D>來(lái)表述，其中，P表示通信流的源虛擬機(jī)，q表示通信流的宿虛擬機(jī)，S表示虛擬機(jī)P所屬的租戶，稱為源租戶，D表示虛擬機(jī)q所屬的租戶，稱為宿租戶；
[0007]在多租戶數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，虛擬機(jī)是虛擬計(jì)算資源(如CPU)和虛擬存儲(chǔ)資源(如內(nèi)存容量、存儲(chǔ)容量)的集合，用作虛擬資源的基本單位。若通信流的源租戶與宿租戶相同，則稱該通信流為內(nèi)部通信流；否則，稱為外部通信流；
[0008]步驟二、集中式控制器檢索與通信流相關(guān)的源租戶和宿租戶信息，包括源租戶的內(nèi)部虛擬帶寬請(qǐng)求量,記為,源租戶的外部虛擬帶寬請(qǐng)求量,記為,宿租戶的內(nèi)部虛擬帶寬請(qǐng)求量記為，宿租戶的外部虛擬帶寬請(qǐng)求量；
[0009]步驟三、遍歷每個(gè)通信流,計(jì)算其經(jīng)過(guò)的物理路徑，記為path (p, q)。path (p, q)=Il1, I2, 13，...，IJ，其中In為物理鏈路，η為鏈路編號(hào)，即物理路徑是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中從源虛擬機(jī)P到宿虛擬機(jī)q的一組物理鏈路的集合。
[0010]步驟四、檢查每個(gè)通信流是否為內(nèi)部通信流。若是，按照內(nèi)部通信流的權(quán)重計(jì)算方式計(jì)算其權(quán)重，即=min(，)，其中為源虛擬機(jī)的內(nèi)部通信流個(gè)數(shù)，為宿虛擬機(jī)q的內(nèi)部通信流個(gè)數(shù)，min為取兩者中的較小值；若不是內(nèi)部通信流，按照外部通信流的權(quán)重計(jì)算方式計(jì)算其權(quán)重，即=min(，)，其中為源虛擬機(jī)的外部通信流個(gè)數(shù)，為宿虛擬機(jī)q的外部通信流個(gè)數(shù)，min為取兩者中的較小值；
[0011]步驟五、計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流和外部通信流的帶寬份額。具體包括以下步驟:
[0012]I)根據(jù)步驟三得到的每個(gè)通信流的路徑信息，統(tǒng)計(jì)每條物理鏈路I上的內(nèi)部通信流集合和外部通信流集合；
[0013]2)根據(jù)步驟二獲取每條物理鏈路I的帶寬、計(jì)算鏈路I上所有內(nèi)部通信流所需的帶寬之和、鏈路I上所有外部通信流所需的帶寬之和；
[0014]3)計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流帶寬份額:，外部通信流帶寬份額:。
[0015]步驟六、計(jì)算每個(gè)通信流的帶寬分配值。具體包括以下步驟:
[0016]I)根據(jù)步驟三得到的每個(gè)通信流的路徑信息，計(jì)算每條物理鏈路I上的內(nèi)部通信流權(quán)重之和、外部通信流權(quán)重之和:，，其中，為鏈路I上的內(nèi)部通信流集合，為鏈路I上的外部通信流集合；
[0017]2)計(jì)算該通信流在路徑的每條鏈路I上獲得的帶寬份額。若通信流為內(nèi)部通信流，則；否則，；
[0018]3)該通信流的帶寬分配值為其在路徑上獲得的所有帶寬份額的最小值，即
[0019]有益效果
[0020]多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，既可以保證租戶的公平共享，又能提高帶寬資源的使用效率，有利于多租戶數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1.流程圖；
[0022]圖2.本發(fā)明應(yīng)用示例示意圖；
[0023]圖3本發(fā)明的實(shí)例圖；
[0024]圖4.帶寬資源利用率實(shí)驗(yàn)柱狀圖；
[0025]圖5.任務(wù)完成時(shí)間實(shí)驗(yàn)曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明:
[0027]本發(fā)明的具體工作流程如圖1所示。
[0028]如圖2所示，根據(jù)步驟一集中式控制器收集數(shù)據(jù)中心所有租戶的通信流信息。一個(gè)完整的通信流由一個(gè)四元組〈P，q, S，D>來(lái)表述，其中，P表示該流的源端虛擬機(jī)，q表示該流的宿端虛擬機(jī)，S表示虛擬機(jī)P所屬的租戶(稱為源租戶)，D表示虛擬機(jī)q所屬的租戶(稱為宿租戶)。
[0029]在多租戶數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，虛擬機(jī)是虛擬計(jì)算資源(如CPU)和虛擬存儲(chǔ)資源(如內(nèi)存容量、存儲(chǔ)容量)的集合，用作虛擬資源的基本單位。若該流的源租戶與宿租戶相同，則稱該流為內(nèi)部通信流；否則，稱該流為外部通信流。
[0030]下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)例闡述多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源的公平分配方法，數(shù)據(jù)中心拓?fù)浜妥鈶籼摂M機(jī)分布情況如圖3所示。在本實(shí)例中，數(shù)據(jù)中心包含兩臺(tái)服務(wù)器(即物理機(jī))，每臺(tái)服務(wù)器可以支撐4個(gè)虛擬機(jī)。服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)相連，鏈路帶寬均為IGbps (即1000Mbps)。為表述方便，稱與服務(wù)器I相連的鏈路為I1，與服務(wù)器2相連的鏈路為12。現(xiàn)有兩個(gè)租戶P與Q，租戶P使用虛擬機(jī)X和y，租戶Q使用虛擬機(jī)C, d, e, f, g和h。租戶P的內(nèi)部帶寬需求為800Mbps，外部帶寬需求為200Mbps，租戶Q的內(nèi)部帶寬需求為200Mbps，外部帶寬需求為100Mbps。
[0031]假設(shè)現(xiàn)在有4個(gè)通信流，用四元組分別表示為〈X，e, P, Q>, <y, e, P, Q>, <c, f, Q, Q>和<d，f, Q, Q>。按照內(nèi)部通信流和外部通信流的定義，〈X，e, P, Q>和<y，e, P, Q>屬于外部通信流，〈c，f, Q, Q>和〈d，f, Q, Q>屬于內(nèi)部通信流。鏈路I1上所有內(nèi)部通信流所需的帶寬之和為400Mbps，所有外部通信流所需的帶寬之和為400Mbps。同樣地，鏈路12上所有內(nèi)部通信流所需的帶寬之和和所有外部通信流所需的帶寬之和也均為400Mbps。
[0032]根據(jù)步驟四，內(nèi)部通信流〈C，f, Q, Q>和〈d，f, Q, Q>的權(quán)重；外部通信流〈X，e, P, Q>和<y，e,P, Q>的權(quán)重。
[0033]根據(jù)步驟五，計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流帶寬份額和外部通信流帶寬份額。對(duì)于鏈路I1, Mbps ;對(duì)于鏈路I2, Mbps。
[0034]根據(jù)步驟六，計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流權(quán)重之和、外部通信流權(quán)重之和。對(duì)于鏈路I1,=，=。同樣地，對(duì)于鏈路12，=，=。
[0035]以流〈X，e, P, Q>為例，Mbps，Mbps。因此，該流的帶寬分配值為250Mbps。同樣地，可以計(jì)算出流<y, e, P, Q>、〈C，f, Q, Q>和<d, f, Q, Q>的帶寬分配值均為250Mbps。
[0036]按照上述實(shí)施方式，對(duì)該帶寬分配方法(簡(jiǎn)稱為公平分配方法)的性能進(jìn)行了仿真，并與其他兩種可選調(diào)度方法進(jìn)行了比較。用于對(duì)比的兩種方法簡(jiǎn)要介紹如下:
[0037]I)靜態(tài)分配方法:分配給租戶的帶寬不能被其他租戶占用。
[0038]2)完全競(jìng)爭(zhēng)方法:分配給租戶的帶寬可以被其他租戶搶占。
[0039]圖4是隨數(shù)據(jù)中心負(fù)載(任務(wù)帶寬需求與數(shù)據(jù)中心帶寬總量的比值)的變化，使用不同的帶寬分配方法得到的帶寬資源利用率仿真結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提出的公平分配方法可以提高數(shù)據(jù)中心的帶寬利用率。
[0040]圖5是在數(shù)據(jù)中心負(fù)載為80%時(shí)，使用不同的帶寬分配方法得到的任務(wù)實(shí)際完成時(shí)間與最長(zhǎng)(期望)完成時(shí)間比值的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，本發(fā)明提出的公平分配方法使得所有任務(wù)的實(shí)際完成時(shí)間均未超過(guò)期望完成時(shí)間(即比值不大于I)，從而說(shuō)明該方法可以保證任務(wù)對(duì)帶寬資源的公平共享。
[0041]通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)明提出的多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，既可以保證租戶的公平共享，又能提高帶寬資源的使用效率。
【權(quán)利要求】
1.一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，其特征在于: 步驟一、集中式控制器收集數(shù)據(jù)中心所有租戶的通信流信息；一個(gè)完整的通信流由一個(gè)四元組〈P，q，S，D>來(lái)表述，其中，P表示通信流的源虛擬機(jī)，q表示通信流的宿虛擬機(jī)，S表示虛擬機(jī)P所屬的租戶，稱為源租戶，D表示虛擬機(jī)q所屬的租戶，稱為宿租戶； 步驟二、集中式控制器檢索與通信流相關(guān)的源租戶和宿租戶信息，包括源租戶的內(nèi)部虛擬帶寬請(qǐng)求量，記為Sf,源租戶的外部虛擬帶寬請(qǐng)求量，記為Bf,宿租戶的內(nèi)部虛擬帶寬請(qǐng)求量記為宿租戶的外部虛擬帶寬請(qǐng)求量筆； 步驟三、遍歷每個(gè)通信流，計(jì)算其經(jīng)過(guò)的物理路徑，記為path (P, q) ；path (p, q)=Il1, I2, 13，...，IJ，其中In為物理鏈路，η為鏈路編號(hào)，即物理路徑是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中從源虛擬機(jī)P到宿虛擬機(jī)q的一組物理鏈路的集合； 步驟四、檢查每個(gè)通信流是否為內(nèi)部通信流；若是，按照內(nèi)部通信流的權(quán)重計(jì)算方式計(jì)算其權(quán)重.，即= min (^, ^)，其中為源虛擬機(jī)P的內(nèi)部通信流個(gè)數(shù)，為宿虛擬冒灣靜'VΛσ機(jī)q的內(nèi)部通信流個(gè)數(shù)，min為取兩者中的較小值；若不是內(nèi)部通信流，按照外部通信流的權(quán)重計(jì)算方式計(jì)算其權(quán)重，即.(§,§)，其中e為源虛擬機(jī)P的外部通信流個(gè)
mm lSfmm.'?六Λ?數(shù)，為宿虛擬機(jī)q的外部通信流個(gè)數(shù)，min為取兩者中的較小值； 步驟五、計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流和外部通信流的帶寬份額；具體包括以下步驟: 1)根據(jù)步驟三得到的每個(gè)通信流的路徑信息，統(tǒng)計(jì)每條物理鏈路I上的內(nèi)部通信流集合I (I)和外部通信流集合0(1)； 2)根據(jù)步驟二獲取每條物理鏈路I的帶寬C1、計(jì)算鏈路I上所有內(nèi)部通信流所需的帶寬之和Ff、鏈路I上所有外部通信流所需的帶寬之和Ff ； 3)計(jì)算每條物理鏈路上的內(nèi)部通信流帶寬份額:C:，外部通信流帶寬份額:
Cf/-* V —.1^1 Kc:; 步驟六、計(jì)算每個(gè)通信流的帶寬分配值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多租戶數(shù)據(jù)中心帶寬資源公平分配方法，其特征還在于，每個(gè)通信流的帶寬分配值計(jì)算方法為: 1)根據(jù)步驟三得到的每個(gè)通信流的路徑信息，計(jì)算每條物理鏈路I上的內(nèi)部通信流權(quán)重之和Uf、外部通信流權(quán)重之和Uf其中，I(I)為鏈路I上的內(nèi)部通信流集合，0(1)為鏈路I上的外部通信流集合； 2)計(jì)算該通信流在路徑的每條鏈路I上獲得的帶寬份額Bm(I);若通信流為內(nèi)部通信流，則sWW =;否則，； 3)該通信流的帶寬分配值為其在路徑上獲得的所有帶寬份額的最小值，即
【文檔編號(hào)】H04L12/911GK104202263SQ201410465083
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】沈蒙, 李凡 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)