一(yī)、网(wǎng)絡虛拟化(huà)及(jí)SDN簡介

1.1 Network Virtualization(网(wǎng)絡虛拟化(huà))
网(wǎng)絡虛拟化(huà)（以(yǐ)下(xià)簡稱NV）是(shì)一(yī)種(zhǒng)提(tí)高(gāo)网(wǎng)絡靈活性(xìng)和(hé)提(tí)高(gāo)网(wǎng)絡資源利用(yòng)率的(de)技術(shù)方(fāng)案(àn)。當今网(wǎng)絡以(yǐ)“盡力而(ér)为(wèi)”作为(wèi)服(fú)务模型，而(ér)它(tā)在(zài)安(ān)全(quán)性(xìng)、移動(dòng)性(xìng)、服(fú)务質(zhì)量(liàng)（QoS）等方(fāng)面(miàn)都面(miàn)臨嚴峻挑戰。

特(tè)别是(shì)在(zài)网(wǎng)絡部(bù)署(shǔ)和(hé)网(wǎng)絡維護上(shàng)面(miàn)的(de)問(wèn)題(tí)凸顯。

在(zài)网(wǎng)絡部(bù)署(shǔ)上(shàng)：我(wǒ)们(men)知道(dào)在(zài)傳統网(wǎng)絡領域，一(yī)个(gè)网(wǎng)絡的(de)部(bù)署(shǔ)必須依賴一(yī)套(tào)底层的(de)网(wǎng)絡硬(yìng)件(jiàn)設備，而(ér)不(bù)同(tóng)的(de)用(yòng)戶往往有(yǒu)不(bù)同(tóng)的(de)布(bù)网(wǎng)需求，这(zhè)就(jiù)要(yào)求我(wǒ)们(men)要(yào)有(yǒu)十(shí)分(fēn)龐大的(de)硬(yìng)件(jiàn)部(bù)署(shǔ)来(lái)滿足用(yòng)戶的(de)网(wǎng)絡需求。毫(háo)无疑問(wèn)，这(zhè)樣(yàng)的(de)方(fāng)式会(huì)使网(wǎng)絡部(bù)署(shǔ)費用(yòng)极(jí)大上(shàng)升(shēng)，同(tóng)时(shí)還(huán)会(huì)极(jí)具浪費网(wǎng)絡資源。

在(zài)网(wǎng)絡維護上(shàng)：如(rú)果(guǒ)一(yī)个(gè)底层硬(yìng)件(jiàn)設備故障，很有(yǒu)可(kě)能(néng)造成(chéng)整个(gè)网(wǎng)絡癱瘓，傳統的(de)网(wǎng)絡架構无法及(jí)时(shí)的(de)解(jiě)決这(zhè)樣(yàng)的(de)故障問(wèn)題(tí)，往往需要(yào)长时(shí)間(jiān)的(de)排查、更(gèng)換和(hé)調試硬(yìng)件(jiàn)設備。另(lìng)外(wài)，在(zài)我(wǒ)们(men)需要(yào)为(wèi)网(wǎng)絡增加节(jié)點(diǎn)或(huò)硬(yìng)件(jiàn)設備时(shí)，大量(liàng)的(de)配置調試工作又极(jí)大的(de)提(tí)高(gāo)了(le)升(shēng)級維護成(chéng)本(běn)。

基于(yú)这(zhè)些問(wèn)題(tí)NV應(yìng)運而(ér)生(shēng)了(le)，它(tā)利用(yòng)虛拟化(huà)技術(shù)将网(wǎng)絡硬(yìng)件(jiàn)設備虛拟化(huà)，通(tòng)过(guò)软(ruǎn)件(jiàn)采用(yòng)切(qiè)片(piàn)的(de)方(fāng)式将一(yī)个(gè)具體(tǐ)的(de)物(wù)理网(wǎng)絡抽象(xiàng)成(chéng)为(wèi)多(duō)个(gè)虛拟网(wǎng)絡，供多(duō)个(gè)用(yòng)戶使用(yòng)，用(yòng)戶之間(jiān)相互隔離，就(jiù)像他(tā)们(men)各(gè)自(zì)鋪設了(le)一(yī)个(gè)实際的(de)物(wù)理网(wǎng)絡一(yī)樣(yàng)（图(tú)1）。这(zhè)樣(yàng)为(wèi)用(yòng)戶极(jí)大的(de)降低了(le)网(wǎng)絡部(bù)署(shǔ)成(chéng)本(běn)。在(zài)升(shēng)級維護方(fāng)面(miàn)，只(zhī)需要(yào)用(yòng)软(ruǎn)件(jiàn)的(de)方(fāng)式就(jiù)可(kě)以(yǐ)輕(qīng)松的(de)改變(biàn)网(wǎng)絡来(lái)滿足自(zì)己的(de)需求。

图(tú)1

在(zài)NV領域，核心(xīn)的(de)問(wèn)題(tí)就(jiù)是(shì)虛拟网(wǎng)絡映射問(wèn)題(tí)，即決定(dìng)虛拟网(wǎng)絡节(jié)點(diǎn)或(huò)鍊(liàn)路(lù)所(suǒ)映射的(de)物(wù)理网(wǎng)絡节(jié)點(diǎn)或(huò)鍊(liàn)路(lù)。在(zài)映射問(wèn)題(tí)上(shàng)，有(yǒu)三(sān)个(gè)指标(biāo)：

实際上(shàng)，虛拟网(wǎng)絡映射問(wèn)題(tí)是(shì)一(yī)个(gè)資源分(fēn)配問(wèn)題(tí)，資源分(fēn)配的(de)問(wèn)題(tí)的(de)核心(xīn)就(jiù)是(shì)要(yào)使資源得到(dào)高(gāo)效利用(yòng)。在(zài)虛拟网(wǎng)絡映射問(wèn)題(tí)上(shàng)，請求接受率越高(gāo)，表(biǎo)示一(yī)个(gè)物(wù)理网(wǎng)絡資源利用(yòng)率越高(gāo)，那(nà)麼(me)運營商在(zài)固定(dìng)成(chéng)本(běn)下(xià)所(suǒ)獲得的(de)收(shōu)益也(yě)就(jiù)越高(gāo)。所(suǒ)以(yǐ)一(yī)个(gè)高(gāo)接受率的(de)算法一(yī)定(dìng)是(shì)受欢迎的(de)，它(tā)既可(kě)以(yǐ)节(jié)約資源也(yě)可(kě)以(yǐ)提(tí)高(gāo)收(shōu)益。

1.2 SDN（Soft Defined Network）
SDN的(de)出(chū)現(xiàn)同(tóng)樣(yàng)是(shì)解(jiě)決了(le)网(wǎng)絡骨(gǔ)化(huà)問(wèn)題(tí)，但它(tā)解(jiě)決的(de)是(shì)控制與(yǔ)轉(zhuǎn)發(fà)分(fēn)離問(wèn)題(tí)，即解(jiě)決了(le)底层物(wù)理硬(yìng)件(jiàn)的(de)管(guǎn)理問(wèn)題(tí)。实際上(shàng)，人(rén)们(men)为(wèi)了(le)解(jiě)決网(wǎng)絡骨(gǔ)化(huà)問(wèn)題(tí)、提(tí)高(gāo)网(wǎng)絡靈活性(xìng)提(tí)出(chū)了(le)三(sān)个(gè)解(jiě)決方(fāng)案(àn)SDN 、NV、NFV（Network Functions Virtualization）,三(sān)者(zhě)解(jiě)決了(le)网(wǎng)絡骨(gǔ)化(huà)問(wèn)題(tí)的(de)不(bù)同(tóng)方(fāng)面(miàn)。SDN在(zài)物(wù)理层面(miàn)上(shàng)使得硬(yìng)件(jiàn)的(de)管(guǎn)理更(gèng)加容易，NV在(zài)网(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fà)层面(miàn)上(shàng)使得物(wù)理硬(yìng)件(jiàn)可(kě)以(yǐ)允许多(duō)租戶模式，NFV（网(wǎng)絡功能(néng)虛拟化(huà)）使得防火牆(qiáng)、負载均衡这(zhè)類(lèi)网(wǎng)絡功能(néng)得以(yǐ)從硬(yìng)件(jiàn)上(shàng)脫離，可(kě)以(yǐ)供用(yòng)戶便攜配置。

二(èr)、SDN及(jí)NV相結合
那(nà)麼(me)要(yào)真(zhēn)正(zhèng)解(jiě)決网(wǎng)絡骨(gǔ)化(huà)問(wèn)題(tí)只(zhī)有(yǒu)将三(sān)者(zhě)結合才能(néng)形成(chéng)一(yī)个(gè)支持(chí)智慧网(wǎng)絡的(de)完整系(xì)統。那(nà)麼(me)本(běn)文(wén)關(guān)注SDN與(yǔ)NV的(de)融合問(wèn)題(tí)。图(tú)2是(shì)将SDN和(hé)NV結合的(de)架構图(tú)，Network Hypervisors层是(shì)NV存在(zài)的(de)架構层，它(tā)介于(yú)SDN控制器和(hé)南(nán)向(xiàng)接口(kǒu)层之間(jiān)，負責将Infrastructure(物(wù)理硬(yìng)件(jiàn)层)的(de)网(wǎng)絡抽象(xiàng)提(tí)供給(gěi)上(shàng)层用(yòng)戶使用(yòng)。这(zhè)與(yǔ)我(wǒ)们(men)所(suǒ)理解(jiě)傳統意(yì)義的(de)SDN架構并不(bù)大相同(tóng)，可(kě)以(yǐ)说(shuō)它(tā)是(shì)下(xià)一(yī)代(dài)的(de)SDN网(wǎng)絡架構。

图(tú)2

那(nà)麼(me)言歸正(zhèng)傳，本(běn)文(wén)想(xiǎng)闡述一(yī)種(zhǒng)在(zài)SDN框架內(nèi)的(de)NV映射思(sī)路(lù)，在(zài)傳統NV領域，在(zài)虛拟化(huà)資源时(shí)往往是(shì)静(jìng)态劃(huà)分(fēn)，即給(gěi)一(yī)个(gè)虛拟网(wǎng)絡分(fēn)配固定(dìng)的(de)資源，无論用(yòng)戶使用(yòng)率如(rú)何，資源劃(huà)分(fēn)不(bù)会(huì)改變(biàn)。这(zhè)樣(yàng)其实導致(zhì)的(de)是(shì)另(lìng)一(yī)種(zhǒng)形式的(de)資源分(fēn)配“骨(gǔ)化(huà)”，例如(rú)以(yǐ)带(dài)宽(kuān)資源为(wèi)比喻，一(yī)个(gè)用(yòng)戶在(zài)某个(gè)时(shí)刻需要(yào)100Mbps的(de)带(dài)宽(kuān)，而(ér)大部(bù)分(fēn)时(shí)間(jiān)所(suǒ)需带(dài)宽(kuān)是(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(yú)这(zhè)个(gè)數字(zì)的(de)，那(nà)麼(me)用(yòng)戶只(zhī)能(néng)不(bù)得已申請100Mpbs的(de)带(dài)宽(kuān)資源，这(zhè)不(bù)僅提(tí)高(gāo)了(le)用(yòng)戶的(de)成(chéng)本(běn)，这(zhè)種(zhǒng)静(jìng)态劃(huà)分(fēn)使得閑置資源无法被(bèi)利用(yòng)，浪費了(le)資源。另(lìng)一(yī)个(gè)方(fāng)面(miàn)，在(zài)SDN上(shàng)的(de)NV不(bù)僅要(yào)考慮鍊(liàn)路(lù)节(jié)點(diǎn)資源分(fēn)配，還(huán)要(yào)考慮控制器資源分(fēn)配。那(nà)麼(me)在(zài)SDN于(yú)NV結合之後(hòu)，本(běn)文(wén)從內(nèi)存動(dòng)态分(fēn)配技術(shù)得到(dào)靈感(gǎn)，提(tí)出(chū)将网(wǎng)絡資源動(dòng)态化(huà)分(fēn)配，擺脫“骨(gǔ)化(huà)”狀态。示意(yì)图(tú)如(rú)图(tú)3图(tú)4

图(tú)3

图(tú)4

图(tú)3表(biǎo)示傳統NV分(fēn)配方(fāng)式它(tā)只(zhī)能(néng)把資源固定(dìng)分(fēn)配，例如(rú)現(xiàn)在(zài)資源量(liàng)是(shì)100，傳統NV在(zài)分(fēn)配完两(liǎng)个(gè)資源需求量(liàng)为(wèi)50的(de)网(wǎng)絡後(hòu)就(jiù)无法再接受虛拟网(wǎng)絡分(fēn)配請求。而(ér)在(zài)動(dòng)态分(fēn)配後(hòu)，如(rú)图(tú)4，卻可(kě)以(yǐ)接受四(sì)个(gè)資源需求量(liàng)为(wèi)50的(de)网(wǎng)絡請求（图(tú)3的(de)直(zhí)線(xiàn)表(biǎo)示固定(dìng)分(fēn)配，图(tú)4的(de)曲(qū)線(xiàn)表(biǎo)示動(dòng)态分(fēn)配即每个(gè)虛网(wǎng)的(de)資源區(qū)可(kě)以(yǐ)根(gēn)據(jù)实際需求動(dòng)态變(biàn)化(huà)）。这(zhè)樣(yàng)就(jiù)大大提(tí)高(gāo)了(le)我(wǒ)们(men)网(wǎng)絡的(de)接受率。

其实，在(zài)動(dòng)态分(fēn)配資源之後(hòu)肯定(dìng)会(huì)出(chū)現(xiàn)資源分(fēn)配沖突問(wèn)題(tí)，即但所(suǒ)有(yǒu)网(wǎng)絡需要(yào)資源同(tóng)时(shí)达(dá)到(dào)最(zuì)大值时(shí)，總(zǒng)网(wǎng)絡資源數将不(bù)够分(fēn)配，那(nà)麼(me)这(zhè)種(zhǒng)問(wèn)題(tí)必然導致(zhì)用(yòng)戶服(fú)务質(zhì)量(liàng)降低，是(shì)不(bù)被(bèi)允许的(de)。笔(bǐ)者(zhě)也(yě)考慮了(le)这(zhè)个(gè)問(wèn)題(tí)，那(nà)麼(me)提(tí)出(chū)一(yī)種(zhǒng)控制器、节(jié)點(diǎn)、鍊(liàn)路(lù)資源遷移的(de)思(sī)路(lù)。如(rú)图(tú)5所(suǒ)示。

图(tú)5

图(tú)上(shàng)的(de)节(jié)點(diǎn)可(kě)以(yǐ)代(dài)表(biǎo)底层网(wǎng)絡硬(yìng)件(jiàn)設備如(rú)：交換機(jī)，也(yě)可(kě)表(biǎo)示SDN的(de)控制器資源。綠(lǜ)色(sè)的(de)节(jié)點(diǎn)表(biǎo)示虛拟网(wǎng)絡节(jié)點(diǎn)，用(yòng)藍(lán)線(xiàn)所(suǒ)連(lián)接的(de)表(biǎo)示它(tā)所(suǒ)对(duì)應(yìng)的(de)物(wù)理节(jié)點(diǎn)。紅(hóng)色(sè)节(jié)點(diǎn)表(biǎo)示備用(yòng)节(jié)點(diǎn)，即當网(wǎng)絡資源分(fēn)配沖突时(shí)，供資源遷移所(suǒ)用(yòng)节(jié)點(diǎn)。例如(rú)，現(xiàn)在(zài)A节(jié)點(diǎn)發(fà)生(shēng)資源沖突，对(duì)于(yú)图(tú)中(zhōng)的(de)VN来(lái)说(shuō)，他(tā)需要(yào)把a节(jié)點(diǎn)的(de)資源進(jìn)行遷移以(yǐ)保證网(wǎng)絡可(kě)用(yòng)性(xìng)。首先(xiān)我(wǒ)们(men)考慮，将a向(xiàng)A的(de)周邊(biān)节(jié)點(diǎn)（非(fēi)備用(yòng)节(jié)點(diǎn)如(rú)：E、D）遷移。當周邊(biān)节(jié)點(diǎn)不(bù)能(néng)够承受遷移时(shí)再考慮将a遷向(xiàng)備用(yòng)节(jié)點(diǎn)F。这(zhè)麼(me)做的(de)原因(yīn)是(shì)考慮到(dào)，为(wèi)了(le)保證備用(yòng)节(jié)點(diǎn)的(de)可(kě)用(yòng)性(xìng)，若一(yī)開(kāi)始就(jiù)考慮遷移向(xiàng)備用(yòng)节(jié)點(diǎn)，在(zài)沖突結束(shù)後(hòu)必然要(yào)回(huí)遷，每次(cì)遷移时(shí)是(shì)要(yào)有(yǒu)代(dài)償的(de)，这(zhè)就(jiù)增加了(le)网(wǎng)絡遷移的(de)代(dài)償。如(rú)果(guǒ)是(shì)先(xiān)考慮周邊(biān)节(jié)點(diǎn)，在(zài)遷移結束(shù)後(hòu)完全(quán)不(bù)用(yòng)回(huí)遷，这(zhè)樣(yàng)就(jiù)降低了(le)代(dài)償。

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