基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移机制研究

李同标 张晓哲 高先明 邓文平 马世聪

(国防科学技术大学计算机学院 湖南 长沙 410073)



基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移机制研究

李同标 张晓哲 高先明 邓文平 马世聪

(国防科学技术大学计算机学院 湖南 长沙 410073)

虚拟路由器平台是支撑网络虚拟化技术的关键网络设备。传统的虚拟路由器平台存在着物理资源利用率低，能耗损失严重等问题。现有的节能机制大多是通过虚拟路由器平台间的虚拟路由器实例动态迁移来降低能耗，并未有学者研究平台内部虚拟路由器实例动态迁移对能耗的影响。提出一种基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移算法。该算法将转发实例动态迁移到更少的物理服务器，调整平台内部的转发实例与物理服务器之间的映射关系,关闭空闲服务器。实验表明，该算法能够提高虚拟路由器平台的物理资源利用率，降低平台总能耗。

网络虚拟化 虚拟路由器 转发实例 动态迁移 资源利用率 能耗

0 引 言

互联网的爆炸式发展使得现有的网络体系架构难以满足层出不穷的网络应用和业务模型的部署需求，网络本身的僵化现象越发明显。其中的主要原因是当前互联网由不同的网络服务提供商所创建和维护，网络服务提供商之间的目标和利益冲突使得实施新的网络技术或者升级现有的网络体系架构变得异常困难。传统的“打补丁”的方式解决遇到的难题，反而使得现有的网络架构变的更加“臃肿”，并不能从根本上解决网络僵化现象，并且一定程度上阻碍了部署新型网络体系架构[1]。

网络虚拟化，被认为是解决网络僵化现象的一种重要手段，并且被作为构建下一代新型网络架构的重要技术[2]。其主要思想是在同一套共享物理网络设施(包括物理链路、物理节点)来构建一个健壮、可信、可控的虚拟化环境，支持这些同构或异构的虚拟网络并行运行、互不干扰[3]。

尽管网络虚拟化技术对于未来网络的发展起着非常大的促进作用，但是传统虚拟路由器转发能力低。如果数据流带宽过大，只能通过增加转发板的数量，提高转发能力。当数据流带宽较小时，大量的转发板将处于空闲状态，资源利用率低，能耗损耗较大，特别是在大规模网络环境下能量损耗将会很严重。根据相关材料显示，美国2012年网络能源消耗量占了整个美国能源消耗量的9.8%[4]。随着Internet网络的用户持续增加，网络能源消耗量势必会越来越多。因此，如何减少网络能源消耗量是一个未来网络研究领域里重要的研究热点。

为了减少虚拟网络的能源消耗，我们可以通过将虚拟路由器实例动态迁移集中到更少的物理服务器来改变虚拟路由器实例和物理服务器之间的映射关系，使用更少的物理服务器可以降低整个虚拟网络的能耗[5]。但是现有的虚拟路由器实例动态迁移降低虚拟网络能耗研究大多集中在虚拟路由器平台间，并未有学者研究平台内部虚拟路由器实例动态迁移对能耗的影响。本文提出了一种基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移算法，通过动态调整平台内部的转发实例与物理服务器之间的映射关系，将转发实例动态迁移到更少的物理服务器，关闭空闲的物理服务器。实验表明，该算法能够提高虚拟路由器平台的物理资源利用率，降低平台总能耗。

1 虚拟路由器架构VRSM

虚拟路由器实例动态迁移可以分为控制实例迁移和转发实例迁移，由于虚拟路由器的控制实例一般利用虚拟机运行相应的路由套件来实现[6]，目前很多虚拟机都支持实时迁移，例如KVM[7]、XEN[8]和OpenVZ[9]，因此控制实例的迁移可以利用虚拟机的自身迁移能力来实现。利用虚拟机动态迁移来降低能耗的方法在数据中心网络很多，故主控实例的节能优化不在本文的研究范围。在文献[10]中作者提出了一种支持转发实例动态迁移的虚拟路由器架构VRSM，实验表明该架构在转发实例动态迁移的过程中可以为用户提供无感知的网络服务。这说明在转发实例的迁移过程中迁移时间和丢包率在一定的允许范围内。VRSM架构如图1所示，包括资源管理平面、主控平面和转发平面。

图1 VRSM架构图

其中资源管理平面负责管理虚拟路由器平台中所有的物理资源(例如控制板和转发板)，并为网络管理员提供一个交互式图形界面来管理虚拟路由器平台。利用资源管理平面，可以方便地创建或者删除虚拟路由器实例和虚链路。网络管理员也可以通过添加物理服务器到相应的资源池来提高虚拟路由器平台的性能，被添加的物理资源板只需要向资源管理平面通知其物理资源信息(如接口个数，链路带宽，CPU核心数和内存大小)。同时资源管理平面的全局资源监控模块负责收集控制板和转发板的物理资源利用率信息，包括CPU、内存和带宽资源等，为虚拟路由器实例的创建以及转发实例动态迁移提供决策基础。

控制平面的功能实现是采用系统虚拟化技术，如KVM、XEN和OpenVZ，在相同的物理基础设施上运行多个相互隔离的逻辑控制实例。每个逻辑控制实例运行特定的路由套件，可以是Quagga[11]、XORP[12]或按需要自定义的新型网络协议。控制板的本地资源监控模块负责收集本地服务器的实时物理资源利用率信息，包括CPU、内存和带宽等。并且将本地的物理资源利用率上传至资源管理平面的全局资源监控模块，为资源管理平面创建虚拟路由器实例决策提供信息基础。

转发平面起着运行多个并发且隔离的逻辑转发实例，每个逻辑转发实例从相应的接口接收数据包并将其转发到正确接口，功能类似于传统路由器中的转发平面。转发板的本地资源监控模块负责收集本地服务器的实时物理资源利用率信息，包括CPU、内存和带宽等，其目的是为虚拟路由器实例的创建以及转发实例动态迁移决策提供信息基础。

考虑到扩展性，主控板和转发板的设计也采用了“池化”的思想，网络管理员可以通过添加物理服务器到主控池或者转发池以扩展提高虚拟路由器平台的性能。

在VRSM架构中，转发实例的动态迁移包括四步：a)选择迁移目标转发板；b)在目标转发板上创建新的转发实例；c)从新的控制实例请求转发信息；d)删除源转发板上的旧转发实例。

转发实例迁移条件被触发后，资源管理平面在步骤a)中根据贪婪算法来选择目标转发板，其目的是为了利用最少的转发板，从而提高物理资源利用率。当然，目的转发板应满足创建新的转发实例的物理资源请求，新的转发实例要求有和旧转发实例相同的物理资源。在步骤b)中，一个新的转发实例在目标转发板上被创建，然后将新的转发实例迭代向控制实例请求转发信息，然后安装。转发信息包含RIB，RIB用于重新生成FIB，还有些用于恢复ACL和转发实例状态实例的配置文件。一旦步骤c)完成，旧的转发实例将在步骤d)被删除。为了避免数据包丢包丢失，在步骤c)和步骤d)之间，存在着新旧两个转发实例，并且都在转发数据流量。步骤d)后，新的转发实例完全取代旧的转发实例。

2 能耗模型以及转发实例迁移开销

2.1 服务器能耗模型

VRSM虚拟路由器平台是由一组通用服务器集群组成的，集群中的服务器可以是异构或同构，功耗大小不一，同一时间内消耗的总能量也不一样。一台服务器消耗的能量主要由静态功耗和动态功耗组成。静态功耗一般是个常量，比较稳定；动态功耗主要由物理资源消耗，像CPU、RAM、网卡和磁盘，与物理服务器的负载有关。其中，与其他系统资源相比，动态功耗主要来自于CPU[13]。研究表明，物理服务器的功率和CPU的利用率呈现出线性关系，CPU的利用率越高，服务器的功率呈线性增长[14]。因此虚拟路由器平台中服务器i的能耗模型可以定义如下：

Pi(t)=k×Pmax+(1-k)×Pmax×u

(1)

其中服务器i的功率用Pi(t)表示；k为满负载与没有满负载的时间比例；Pmax为满负载时的最大功率，是个常数；u为CPU利用率。

当一个转发实例j创建请求分配到一个服务器时，该服务器的CPU利用率会上升，同时服务器的功率也会相应地增加，增加的功率为新创建的转发实例的功率。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为新转发实例创建后，CPU利用率为ue时服务器的功率，Ps为新转发实例创建前，CPU利用率为us时服务器的功率。值得注意的是，转发实例的功率并不是一个常数，因为网络管理员会根据用户的需要创建具有不同转发能力的转发实例，如转发能力1 GB的转发实例、转发能力2 GB的转发实例等。这些转发实例由于转发能力各异，需求的CPU、内存和带宽资源也不一样，因此功率也不同。在转发实例动态迁移过程中，资源管理平面选择转发实例后增加的功率ΔPFj最小的服务器作为迁移的目标服务器，从而使得转发实例迁移完成后虚拟路由器平台的能耗最小。

2.2 转发实例迁移开销

在虚拟路由器平台中，过量的转发实例迁移最终可能会让整个虚拟路由器平台功耗值降到最低，但是整个迁移过程能耗可能会太大，而且过量的转发实例迁移会造成整个平台系统性能的降低。因此在迁移过程中，转发实例迁移能耗是不容忽视的[15]。当迁移过程代价太大，资源管理平面将调整迁移策略，重新选择迁移代价较小的转发实例，然后执行迁移策略。

和虚拟机迁移不同的是，DMVR虚拟路由器中的转发实例迁移不涉及到虚拟机内存镜像的拷贝[16]，但是需要从被迁移的转发实例对应的控制实例重新下发路由表。由于在迁移过程中，主控实例需要将路由表项下发至新转发实例，新转发实例安装路由表项需要时间，同时CPU的利用率会增加，导致服务器的耗能增加。根据以上分析，转发实例对应的主控实例路由表项越多，迁移时间越多，导致服务器增加的耗能也会越大。转发实例j的迁移能耗模型可以如下表示：

(3)

其中ΔEj为转发实例j迁移过程中造成的耗能增加，ts为转发实例迁移开始的时间，te为转发实例迁移结束的时间，te-ts即转发实例迁移时间。在迁移过程中，资源管理平面将优先选择ΔEj最小的转发实例作为迁移对象，从而使得整个迁移过程的代价最小。

3 基于能耗的转发实例动态迁移算法

3.1 迁移触发机制

转发实例动态迁移的触发机制采用双阈值策略，目的是为了提高物理服务器的物理资源利用率以及提高网络服务质量。网络管理员通过资源管理平面设置服务器的资源利用率的上限和下限要求，包括服务器的CPU、内存和带宽资的资源利用率。为了方便说明，作如下定义：RCMin是指CPU利用率的下限负载值；RCMax是指CPU利用率的上限负载值；RMMin是指内存利用率的下限负载值；RMMax是指内存利用率的上限负载值；RBMin是指带宽资源利用率的下限负载值；RBMax是指带宽资源利用率的上限负载值。

转发板服务器的本地资源监控模块会时刻监控本地的资源利用情况，包括实时的CPU资源利用率RCcur、内存利用率RMcur和带宽资源利用率RBcur，如果这三者都处于设定的最高阈值和最低阈值之间，那么不会触发迁移；否则出现异常，也就是RCcur、RMcur和RBcur三者任意一个不处于设定的最高阈值和最低阈值之间，那么该服务器将被标记为异常。为了避免服务器负载的波动影响数据的准确性，以采集周期T对服务器的各个资源使用情况进行采集，当服务器连续三个周期都是异常时，那么触发转发实例动态迁移机制。当RCcur、RMcur和RBcur任意一个或多个超过RCMax、RMMax和RBMax之间的任意一个，且异常持续时间超过三个数据采集周期，那么为了提高虚拟路由器平台的服务质量，触发高负载迁移；当RCcur、RMcur和RBcur三者均低于RCMax、RMMax和RBMax，且异常的持续时间超过了三个数据采集周期，那么为了提高服务器的资源利用率，触发低负载迁移。

3.2 迁移对象选择

迁移对象的选择是指迁移触发机制被触发以后，如何从异常的服务器里面选择转发实例作为迁移对象，使得整个迁移过程的开销最小。因此需要对物理服务器上的转发实例进行综合评估，从而找出最佳的迁移对象。其中迁移对象的选择可以分成两种情况：(1) 物理服务器的资源利用率低于最低阈值时，转发实例全部迁出，即低负载迁移；(2) 物理服务器的资源利用率高于最高阈值时，选择部分转发实例迁移，使得迁移后的物理服务器资源利用率低于最高阈值，即高负载迁移。其中第一种情况较简单，只需要将低于最低阀值的物理服务器上的转发实例全部迁出，然后使该服务器休眠或者关掉。第二种情况是本节讨论的重点，其选择过程涉及到最小代价的贪心算法。VRSM虚拟路由器转实例的迁移过程是首先在目标服务器上创建一个新的转发实例。然后主控实例下发路由表项至新的转发实例，新转发实例获取所有的路由表项并且安装完毕之后，旧转发实例将从源服务器被删除。从上述过程可以推断，路由表项越多，主控实例下发路由表项的时间越长，路由表选项安装的时间越长，迁移时间越大，根据转发实例迁移开销模型可以知道，虚拟路由器平台整个能耗增加值也会更多。

为了证明上述推断的正确性，我们在虚拟路由器架构VRSM的基础上研究了转发实例迁移时间与路由表项数目之间的关系。转发实例迁移时间是资源管理平面的迁移时间统计模块负责计算，迁移被触发时，迁移时间统计模块记录迁移开始的时间，并且在目标服务器创建新的转发实例；当主控实例全部下发，并且新的转发实例全部安装成功，资源管理平面会删除旧的转发实例，然后迁移时间统计模块才记录迁移结束时间。两者时间之差就是转发实例迁移时间。表1为转发实例迁移时间和路由表项数目之间的关系。

表1 迁移时间与路由表数目关系

可以看出，转发实例的迁移时间与路由表数目呈线性增长关系。因此为了降低转发实例迁移过程的代价，可以选择对应主控实例路由表项较少的那些转发实例作为迁移对象。迁移对象选择算法可以描述如下：

1) 迁移触发机制被触发之后，资源管理平面定位到异常服务器；

2) 统计异常服务器上各个转发实例对应主控实例的路由表路由总条数；

3) 根据转发实例对应的主控实例的路由表项数目按照从小到大的顺序以<转发实例号，路由表项数目>的二元组形式存入转发实例路由表项信息链表；

4) 将路由表路由总条数最小对应的转发实例标记，调用转发实例迁移算法迁出，并且更新转发实例路由表项信息链表；

5) 检查异常服务器的物理资源是否大于最高阈值，如果是，那么进入过程3)，如果否，那么进入过程6)；

6) 迁移对象选择过程结束。

3.3 目标服务器选择

为了让目标服务器能够正常运转接收的转发实例，目标服务器的选择应该满足资源匹配规则。

该规则是指选择的目标服务器应该能满足转发实例对物理资源的最低要求，包括CPU、内存和带宽等。具体说来，资源匹配规则应该满足以下几个条件：

CRequire≤CAvailable

(4)

BRequire≤BAvailable

(5)

MRequire≤MAvailable

(6)

其中，CRequire为转发实例的CPU资源大小要求，MRequire为转发实例的物理内存大小要求，BRequire为转发实例的带宽资源大小要求。

当有多个物理服务器同时满足条件时，全局资源管理模块会计算对每个符合条件的物理服务器进行能耗评估，即计算这些物理服务器在接收转发实例前后的能耗之差。然后从中选择选出产生能耗之差最小的物理服务器作为目标服务器，从而使得迁移后的虚拟路由器平台产生的能耗最小。

3.4 算法描述

基于上述阐述的迁移触发机制、迁移对象选择和目标服务器选择方法，本文提出了一个基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移的算法。该算法在服务器处于阈值之外的低负载时，为了提高虚拟路由器平台的物理资源利用率，执行低负载迁移；处于阈值之外的高负载时，为了提升用户网络体验，执行高负载迁移。

同时考虑到在转发实例迁移过程中，频繁的迁移抖动将对虚拟路由器平台的整体性能造成影响，为了尽量减少转发实例的迁移次数，资源管理平面规定只有在迁移后，虚拟路由器平台总能耗降低10%以上，才真正地执行转发实例迁移，否则不执行迁移。

算法大致思想如下阐述：

1) 根据具体情况设定转发池中各个转发板的资源利用率上限阈值和下限阈值以及全局监控的资源利用率采集周期T。

2) 本地监控按照采集周期T周期性采集转发板的资源利用率情况，并且将资源利用率信息，包括CPU、内存和带宽利用率发送给全局监控。

3) 全局监控检查收到的资源利用率信息是否在设置的上限阈值和下限阈值之间；如果是，标记服务器正常，否则标记服务器异常，将异常信息存入异常信息表，并且检查是否连续三个采集周期都出现异常且迁移之后，总能耗降低10%以上，如果否，不作任何处理；如果是，那么进入步骤4)。

4) 查看异常信息，如果异常节点资源利用率过高，执行高负载迁移，进入步骤5)；如果异常节点资源利用率过低，执行低负载迁移，进入步骤6)。

5) 根据迁移对象选择算法和目标服务器选择规则选择迁移代价最小的转发实例和合适的目标服务器，将该转发实例迁移到目标服务器，迭代步骤5)直到异常节点的资源利用率在阈值之间。

6) 根据目标服务器选择规则选择合适的目标服务器，将转发实例编号最小的转发实例迁移到目标服务器，迭代步骤6)直到异常节点转发实例数量为零，然后关闭该异常节点。

4 实验结果分析

转发资源池和控制资源池都采用IBM nx360服务器，该服务器配置为Intel Xeon CPU E5-2620、64 GB内存、2个万兆网卡和2个千兆网卡以及Linux CentOS 6.5系统；资源管理平面采用IBM x3650服务器，该服务器配置为Intel Xeon CPU E5-2680、64 GB内存、1个千兆网卡以及Linux CentOS6.5系统。另外，转发资源池、控制资源池以及资源管理平面相互之间连接采用通用交换机，具有24个千兆网卡。其中所有的转发板服务器和主控板服务器都向资源管理平面注册。

实验过程中，在资源管理平面上运行模拟程序，该模拟程序会调用资源管理平面的接口随机创建、删除需求物理资源不同的转发实例，以此模拟虚拟网络中转发板服务器的物理资源利用率不断变化的情况，其中转发实例的参数以及对应的主控实例中的路由表项为模拟器随机生成。为了对基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移算法中的三个预定义阈值(CPU阈值、内存阈值和带宽阈值)进行选择。本文进行了多组实验，实验结果显示算法在CPU利用率的下限负载值范围为(0.20～0.25)，上限负载值范围为(0.85～0.95)；内存利用率的下限负载值范围为(0.25～0.30)，上限负载值范围为(0.85～0.90)，带宽利用率的下限负载值范围为(0.20～0.25)，上限负载值范围为(0.85～0.95) 的情况下节能效果较佳。

4.1 资源利用率

为了验证基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移算法能够有效地提高虚拟路由器平台的资源利用率，在上述实验的基础上，选择并设定适宜的阈值。在实验过程中，每次转发实例迁移完成后，计算整个平台的资源利用率，其中资源利用率等于平台内所有转发实例占用的资源之和除以所有运行的服务器资源之和，实验结果如图2所示。从图中可以看出，转发实例的迁移次数由0增长到30的过程中，CPU的利用率从34.46%提高到64.62%，内存利用率从22.25%提高到50.68%，宽带的利用率从30.23%提高到58.29%。实验结果表明本文算法可以有效地提高虚拟路由器平台内部的物理资源利用率。

图2 资源利用率与迁移次数

4.2 能耗节约测试

在上述实验的基础上，在资源管理平面加入能耗统计模块，其中能耗统计模块是根据服务器能耗模型实现的，可以利用2.1节中的式(1)计算，其大小和CPU的利用率呈线性关系，然后设置合理的阈值，每次转发实例迁移完成后，计算整个虚拟路由器平台的功率，其中功率的计算是基于能耗统计模块，实验结果如图3所示。从图中可以看出，转发实例的迁移次数由0增长到30的过程中，虚拟路由器平台的总功耗由2.35 kW下降到1.27 kW，这表明通过转发实例的动态迁移可以降低平台的总能耗。

图3 总能耗与迁移次数

5 结 语

本文提出了一种基于能耗的虚拟路由器转发实例动态迁移算法，旨在通过转发实例的动态迁移提高转发板的物理资源利用率，降低虚拟路由器平台能耗。在该算法中，资源管理平面的全局资源监控模块周期性地采集物理转发板的资源利用率，包括CPU、内存和带宽资源利用率。通过将获取的实时资源利用率与设定好的最高阈值和最低阈值进行比较，从而为转发实例的动态迁移提供信息决策。通过迁移调整平台内部的转发实例与物理服务器之间的映射关系，从而利用更少的服务器。仿真实验表明，该算法能够有效地提高虚拟路由器平台的物理资源利用率，降低虚拟路由器平台能耗。

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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。国家重点基础研究发展计划项目(2012CB315906)。李同标，硕士生，主研领域：网络虚拟化。张晓哲，副研究员。高先明，博士生。邓文平，助理研究员。马世聪，博士生。

TP393

A

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