網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)作為解決當(dāng)前Internet日益僵化問題的一種新興技術(shù)手段，近年來得到了國內(nèi)外未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是指通過虛擬化技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)抽象為邏輯基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，脫離物理設(shè)備的束縛。然后通過邏輯切分和隔離，允許多種異質(zhì)的虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共存于同一物理基礎(chǔ)設(shè)備。各個虛擬網(wǎng)絡(luò)可以使用相互獨立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并能根據(jù)用戶需求對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和形態(tài)進行調(diào)整，從而能夠達到對資源靈活分配與調(diào)度，提高基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源利用率、提高服務(wù)質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)運營和維護成本。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在帶來上述靈活性的同時，也為網(wǎng)絡(luò)資源有效管理提出了巨大挑戰(zhàn)。
目前在網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源管理的研究中，首要的問題和研究目標依然是如何提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。當(dāng)前的大多數(shù)研究都著眼于虛擬網(wǎng)絡(luò)請求到達時的資源分配算法，而忽視了虛擬網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束后對其釋放資源的再利用。目前的關(guān)于虛擬網(wǎng)絡(luò)資源管理的研究依然以集中式管理為主，這種管理方式在面對高度復(fù)雜的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往力不從心。在這種情況下，引入自主管理機制可以有效的應(yīng)對虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜狀況，提升網(wǎng)絡(luò)的管理能力。
本文通過將分布式自主管理引入網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)資源管理中，提出具備高度管理能力的自主資源調(diào)度優(yōu)化管理框架，達到提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率的目的。
1 分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架
研究例證明，借助多代理系統(tǒng)方法可以建立出高度有效的模塊化和自動化系統(tǒng)，用以操作和管理一個動態(tài)和分布式環(huán)境。
因此，本文設(shè)計了一個基于智能自組織代理的分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架。在每個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上都運行有一個智能代理。每個智能代理都具有完整的知識庫，算法規(guī)則庫和執(zhí)行引擎模塊。智能代理各自獨立運行，協(xié)同工作。而在網(wǎng)絡(luò)中有一個中央控制節(jié)點，這個節(jié)點在邏輯上與每個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相連。中央控制節(jié)點控制協(xié)調(diào)各個智能代理，保證其工作同步。此外，中央控制節(jié)點還向智能代理提供公共信息的查詢和維護工作。
比起傳統(tǒng)的單一集中式管理結(jié)構(gòu)，這樣網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點。通過對智能節(jié)點的研究，使得每個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以實現(xiàn)信息自配置，流程自發(fā)起，故障自愈，安全自保護，環(huán)境自感知等功能。這為系統(tǒng)帶來了高度的動態(tài)和自動特性。進一步的為系統(tǒng)帶來了強大的可管理性和靈活性。同時在網(wǎng)絡(luò)中引入中央控制節(jié)點后，使結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)管理開銷被控制在一個較小的范圍內(nèi)。
1．1基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)
在分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架中，每個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上有且僅有一個智能代理運行。每個智能代理可以他代理進行消息交互，獲取其他節(jié)點信息，并依據(jù)這些信息分布式協(xié)作決策，共同管理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。一個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行的智能代理由三個主要模塊組成：知識庫、算法規(guī)則庫和執(zhí)行引擎。
1)知識庫。在智能代理中，知識庫主要是記錄本地和周圍環(huán)境的信息(例如當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的CPU資源狀態(tài)、當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與其鄰居節(jié)戔之間基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬資源狀態(tài)等)，以供算法和引擎決策使用。
本地資源信息：本地資源信息主要是智能代理所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源分布狀況。在本文中，算法和引擎決策所需的本地資源信息主要包括：智能代理所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點CPU負載能力總值，當(dāng)前CPU負載能力已分配總值，當(dāng)前CPU負載能力已分配總值、此節(jié)點所承載的虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及各自CPU負載分配值。
環(huán)境資源信息：環(huán)境資源信息主要是智能代理所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之外的資源分布狀況。在本文中，算法和引擎決策所需的環(huán)境資源信息主要包括：智能代理所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與其鄰居節(jié)點之間各條基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬資源能力總值，當(dāng)前帶寬負載能力已分配總值。此節(jié)點所承載的虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各自鄰接鏈路得到的帶寬分配，所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)路徑以及鄰接節(jié)點所在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
其他信息：包括其鄰接基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點訪問名、中央控制節(jié)點訪問名等。
2)算法規(guī)則庫。在智能代理中，算法規(guī)則庫存儲了制定決策的具體規(guī)則和算法，本文中算法規(guī)則庫主要包括以下內(nèi)容。
資源動態(tài)優(yōu)化流程：規(guī)定了資源動態(tài)管理的規(guī)則，資源動態(tài)優(yōu)化機制的觸發(fā)條件，資源動態(tài)優(yōu)化機制的具體執(zhí)行步驟。詳細內(nèi)容可以參照下文。
虛擬鏈路動態(tài)資源遷移算法：在資源動態(tài)管理過程中，制定虛擬鏈路動態(tài)資源遷移方案所采用的算法。
虛擬節(jié)點動態(tài)資源遷移算法：在資源動態(tài)管理過程中，制定虛擬節(jié)電動態(tài)資源遷移方案所采用的算法。
3)執(zhí)行引擎。在智能代理中，執(zhí)行引擎是一個實時運行的模塊，負責(zé)智能代理的一切行為操作。執(zhí)行引擎的職能主要包括以下內(nèi)容。
信息感知：執(zhí)行引擎通過對節(jié)點的實時監(jiān)測以及和其他節(jié)點的消息交互，持續(xù)進行知識庫的實時更新。
決策制定：在資源動態(tài)管理過程中，執(zhí)行引擎通過執(zhí)行資源動態(tài)優(yōu)化流程和資源遷移算法，制定資源遷移方案。資源管理行動：包括根據(jù)資源遷移方案進行資源遷移決策執(zhí)行等行為。
知識庫、算法規(guī)則庫和執(zhí)行引擎這三個模塊共同組成了分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架中的智能代理。每個智能代理通過此三個模塊執(zhí)行自己的職能，相互協(xié)作，共同擔(dān)當(dāng)起了虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理的工作。
1．2中央控制節(jié)點
分布式智能代理能夠通過代理之間的消息交互實現(xiàn)完全的協(xié)同工作。但是，由于協(xié)同工作需要大量的消息交互，這給系統(tǒng)資源帶來了額外的管理開銷。在分布式多代理系統(tǒng)中，由于各個智能代理具有信息獨立性，如果完全依賴各個代理的相互獨立交換信息則會大幅提高交互消息的數(shù)量級，帶來大量的管理開銷和資源浪費。因此，本文在分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架中加入了一個中央控制節(jié)點，用以協(xié)調(diào)各個節(jié)點的工作以及維護公共信息，以此減少了大量的智能代理管理通信開銷。
分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架中的中央控制節(jié)點主要負責(zé)如下兩方面的職能：
1)公共信息維護，在網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)管理過程中，有一部分數(shù)據(jù)具有更新頻繁、而且被多個智能代理需求或者被多個智能代理更改的特點。將這些信息保存在中央控制節(jié)點后，在管理過程中智能代理就不需要通過輪詢或廣播的方式來獲取和更新這些信息，而只需和中央控制節(jié)點交互，這樣大幅減少了管理消息數(shù)量。
2)智能代理同步協(xié)調(diào)控制，在網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)管理過程中，由于各個基礎(chǔ)節(jié)點上的智能代理具有自發(fā)管理和獨立管理的特性，同時兩個智能代理的管理區(qū)域有可能有交集。為了避免多個智能代理的優(yōu)化流程沖突，維護網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一致性，需要保證在任意時刻，網(wǎng)絡(luò)中只有一個智能代理發(fā)起的資源動態(tài)優(yōu)化流程在進行。如果另外一個節(jié)點也要發(fā)起資源動態(tài)優(yōu)化流程，只能等待當(dāng)前節(jié)點的管理流程結(jié)束。在沒有中央控制節(jié)點的環(huán)境下，這種唯一性只能由發(fā)起資源動態(tài)優(yōu)化流程的節(jié)點在優(yōu)化流程開始和結(jié)束的階段向全部智能代理廣播來實現(xiàn)。而本文采用的方案是：中央控制節(jié)點同時也是一個授權(quán)服務(wù)器，當(dāng)智能代理需要發(fā)起資源動態(tài)優(yōu)化流程時，首先要向中央控制節(jié)點發(fā)起申請，而中央控制節(jié)點會將其加入申請隊列，并在適當(dāng)?shù)臅r刻對其授權(quán)。之后得到授權(quán)的智能代理節(jié)點才能繼續(xù)資源動態(tài)優(yōu)化流程。這樣不但能夠有效的避免沖突，同時也只需要很少的管理開銷。
2 資源動態(tài)優(yōu)化流程
在資源動態(tài)自主管理機制中，資源動態(tài)優(yōu)化流程是資源管理的主要職能過程。資源動態(tài)優(yōu)化流程是由一個運行在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的智能代理發(fā)起，通過一系列智能代理之間的協(xié)同工作，最后實現(xiàn)自網(wǎng)絡(luò)資源的重分配，使得當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源再次達到一個優(yōu)化狀態(tài)為止。典型的資源動態(tài)優(yōu)化流程由以下步驟組成。
1)觸發(fā)和授權(quán)，資源動態(tài)優(yōu)化流程是由一個運行在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的智能代理發(fā)起。當(dāng)智能代理監(jiān)測到本地基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的CPU負載資源能力增加且超過了閾值T時，就會嘗試發(fā)起一次資源動態(tài)優(yōu)化流程。我們把嘗試發(fā)起當(dāng)前資源動態(tài)優(yōu)化流程的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點稱為遷移接受備選節(jié)點，因為它有可能通過接受其他虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和鏈路的遷移來提升整個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。在資源動態(tài)優(yōu)化流程的一開始，遷移接受備選節(jié)點上的智能代理首先向中央控制節(jié)點發(fā)送一個流程開始請求，然后進入許可等待。當(dāng)其接收到中央控制節(jié)點發(fā)送的資源動態(tài)優(yōu)化流程開始許可時，再進入流程下一步。
本地虛擬鏈路資源重分配：由于虛擬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特性，所以當(dāng)一個節(jié)點的資源發(fā)生改變時，這個節(jié)點鄰接的鏈路資源狀態(tài)通常也會改變。因此此時嘗試對其周圍的鏈路資源重分配很有可能會獲得基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源利用率的提升。同時，由于虛擬節(jié)點遷移的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源利用收益提升本質(zhì)上也是虛擬節(jié)點遷移引發(fā)的鏈路遷移帶來的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源利用收益提升。如果在做節(jié)點遷移之前，不能保證當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鏈路資源是最優(yōu)狀態(tài)，那就無法保證節(jié)點遷移算法能夠得到使基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源利用收益最大的方案。因此在遷移接受備選節(jié)點得到資源動態(tài)優(yōu)化流程開始許可之后首先執(zhí)行本地虛擬鏈路資源重分配不但可行，而且是很有必要的。在本地虛擬鏈路資源重分配過程中，遷移接受備選節(jié)點首先會向中央控制節(jié)點請求當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的拓撲和資源狀態(tài)信息，然后通過虛擬鏈路動態(tài)資源遷移算法制訂鏈路資源優(yōu)化方案。如果鏈路資源優(yōu)化方案中有虛擬鏈路需要遷移，那么執(zhí)行相關(guān)的遷移，同時要求相關(guān)信息的存儲部分更新相關(guān)信息。
3)虛擬節(jié)點資源重分配：虛擬節(jié)點動態(tài)遷移算法的目標是找到當(dāng)前狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中承載的虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一系列遷移方案，以及這些節(jié)點的鄰接鏈路的遷移方案，使得基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的相對資源收益最大化。
3 結(jié)束語
網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)被視作一種作為未來網(wǎng)絡(luò)研究的先驅(qū)和重要組成的實驗技術(shù)。本文選擇網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)中的資源動態(tài)優(yōu)化作為研究切入點，基于分布式多代理系統(tǒng)，提出了結(jié)合智能代理節(jié)點和中央控制節(jié)點的分布式自動虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源管理框架。此框架具有分布式多代理系統(tǒng)動態(tài)、自舉和自主管理的特性，其高度靈活性為資源管理目標和資源管理方法提供了良好的支持；同時中央控制節(jié)點的設(shè)計又讓管理開銷得到控制，使得其系統(tǒng)效率不亞于集中式系統(tǒng)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上構(gòu)造設(shè)計了資源動態(tài)優(yōu)化流程，和現(xiàn)有的研究相比此流程的優(yōu)化能力更強，提升空間更大。
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本文標題：網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下的分布式自主資源管理框架設(shè)計
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