次适配捜索法首先将VM1 (90Mbps)放在服务器3中，接着将VM2 (70Mbps)放在服务器2。然而由于网络拥塞，首次适配法无法将VM3(60Mbs)放置到任何服务 器中。
[0051] 例如在第Ξ次迭代中，如果将VM2暂时放置第六个服务器，本实施例会发现第二个 交换机和第Ξ个服务器之间的物理链路发生拥塞，因为它的负载(82Mbps)超过了剩余容量 (75Mbps)，如图1(b)所示。首次适配方法的失效激活微扰机制，会把服务器3识别为瓶颈服 务器并从中移除VM1，如图1(d)所示。在接下来的两次迭代中，该算法会将VM1放置在新的主 机，即第二个服务器，然后成功地把VM3放置在第立个服务器，如图1 (d)所示。
[0化2] 性能评估：w下在Ξ种典型数据中屯、网络(包括化t-化ee、VL2和BCube)中对算法 性能进行仿真测试，同时又考虑了树形物理网络和均匀带宽VD村青求的两种特殊情况，具体 如下：
[0053] 仿真测试中Ξ种典型数据中屯、均由16台服务器组成，物理链路的速率均为IGbps。 每次仿真实验中都根据一种典型数据中屯、拓扑随机生成一个物理网路，向其分配一个随机 产生的VD村青求，其中:N个虚拟机的带宽请求遵循均匀分布。由于嵌入成功率直接关系到数 据中屯、设施提供商的收益，因此本实施例主要采用嵌入成功率衡量算法的性能。除此外本 实施例还关注算法的运行时间，因为运与算法的可行性与用户体验密切相关。
[0054] 多路径数据中屯、网络中本实施例与回溯算法、首次适配算法和相邻适配算法和贪 婪算法的性能比较：
[0055] 假设运五种算法均采用K最宽路径负载均衡路由，分支路径数Κ = 2。
[0056] 在该测试中，服务器和物理链路W概率Ρ具有满容量，服务器剩余插槽数W概率1-Ρ服从[0,4]之间的均匀分布，物理链路的剩余带宽W概率1-Ρ服从[0，1化PS]之间的均匀分 布。VDC请求的带宽Bi (j = 1，…，Ν)遵循[100Mbps，700Mbps ]之间的均匀分布。
[0057] 图2~图4显示了平均成功率随虚拟机数增多(N从2到10)的仿真结果，其中：概率P = 0.5。正如预期回溯算法的成功率最高，原因是:排除部分不会导致一个有效的解决方案 的放置组合外，回溯算法捜索所有可能的放置组合，代价是指数增长的运行时间复杂度。仿 真结果还表明，拥塞规避算法的性能非常接近回溯算法，并且比首次适配，相邻适配和贪婪 算法有显著的优势。
[005引如图5所示，比较了BCube网络下五种算法的运行时间。回溯算法的运行时间高于 其他启发式算法两个数量级W上。同时，拥塞规避算法的运行时间比首次适配和相邻适配 稍长，而比贪婪算法低。由于拥塞规避嵌入算法具有多项式时间复杂度，而回溯算法具有指 数时间复杂度，可W预期随着虚拟机数/服务器数等增多，本实施例提出的拥塞规避算法在 运行时间方面的优势会快速扩大。综上看来，拥塞规避算法为VDC嵌入问题提供了在时间复 杂度和性能之间的良好权衡的解决方案。
[0059 ]树形数据中屯、网络中本实施例与现有技术(分配范围算法)比较：
[0060]仿真采用包含20台服务器的Ξ层树形网络，其核屯、交换机连接两台汇聚交换机， 每台汇聚交换机连接到两台架顶交换机。五台服务器连接到一台架顶交换机。服务器端口 速率为IGbps，而汇聚交换机和架顶交换机之间的链路带宽是5Gbps。本实施例通过仿真比 较所提拥塞规避算法与回溯算法，首次适配和分配范围算法(allocation-range)算法的平 均嵌入成功率，如图6所示。回溯算法能获得最高的嵌入成功率，但遗憾的是它在树形拓扑 下仍然具有指数时间复杂度。拥塞规避嵌入算法的成功率非常接近回溯算法的结果，并明 显高于其他两种算法。
[0061 ] 均匀带宽VDC本实施例与HVC-算法比较：
[0062] 当均匀带宽VDC时，所有N个虚拟机带宽需求是相等的。拥塞规避算法采用线性规 划获取最优路径，优化目标为最小化网络拥塞(最大链路利用率）。图7和8分别在化t-tree 和BCube中，比较了拥塞规避嵌入与HVC-ACE嵌入算法的性能，拥塞规避算法比HVC-ACE成功 率有显著提高。
[0063] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下W不同 的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围w权利要求书为准且不由上述具体实施所 限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
【主权项】
1. 一种基于拥塞规避的非均匀带宽VDC嵌入实现方法，其特征在于，将VM按带宽需求以 递减的顺序排序，先用首次适配搜索法将其依次放置到服务器中；当首次适配搜索法无法 放置该VM时启动微扰机制，即以物理网络的最拥塞链路为靶向，搜索对此链路负载贡献最 大的瓶颈服务器，优先将瓶颈服务器中所需带宽最小的VM卸载后重新进行所述排序和放 置。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的最拥塞链路，即物理网络中具有最大 链路利用率的链路，该链路表示为：其中最大链路利用率，表示为e表示物理链路，E表示物理链路集合，ue表示物理链路e的最大负载，C e物理 链路e的剩余带宽。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的最大链路利用率，具体采用线性规 划算法或负载均衡路由算法计算得到： a) 当采用线性规划最优路由方法，所述的最大链路利用率μ即是求解以下线性规划的 目标值： Minimizeu Subject to:链路约束，即每个链路的负载与剩余带宽之比不超过最大链路利用率：其中：路由变量总的取值范围为：对偶变量砖和yj的约束为：b) 当采用负载均衡路由算法，则首先计算线性规划得到物理链路e的最大负载，即为Ue3， 然后通过寻找所有$中的最大值得到最大链路利用率y，计算最大负载Uf3的线性规划具体 为：Subject to其中：S和d表示服务器，Q为至少分配了一个虚拟机的服务器的集合，//d为从服务器S到 服务器d通过链路e的路由分配变量，由负责均衡路由算法确定，衫，y|为线性规划的对偶 变量。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的链路负载贡献，通过拥塞系数fz[s]表 示，其中：I Vs I是物理服务器的数 量，6叹')最拥塞链路4表示非均匀带宽￥0(：请求，1^={31(^)|1 = 1广_，1^ = 1^-，^|} 为请求r的虚拟机放置组合，其中：当VM i放置在服务器j时放置变量π(i，j) = 1;否则π(i， j)=〇，N为请求r的虚拟机数量，μ(Π〇为放置组合所对应的最大利用率，在拥塞系数的 计算过程中，考虑所有引起网络拥塞的临时放置组合，即{ ΓΤ I μ( Π〇>1}。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的首次适配搜索法，具体包括以下步骤： 步骤1、从未放置的虚拟机集合X中选择带宽最大的虚拟机；当VM i被选中，将该虚拟机 放置到候选集合S[i]中第一个不会导致网络拥塞的服务器，首次适配搜索会跳过禁忌表 Tabu[i]中服务器； 步骤2、当VM i暂时放置到服务器j时，采用最大链路利用率μ衡量物理网络的拥塞程 度;一旦检测到μ>1，说明将VM i放置到服务器j会产生网络拥塞，必须撤销这一无效的放置 组合，继续尝试将VM i放置到下一个服务器； 步骤3、若物理网络的任何链路都没有出现堵塞，则回到步骤1继续放置下一个虚拟机， 直到所有虚拟机全部成功放置。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的微扰机制，首先通过最拥塞链路&(ΙΠ 找到向最拥塞链路发送最多流量的瓶颈服务器/，即瓶颈服务器由计 算得到;接着从该服务器/中移除最低带宽的VMi，并将瓶颈服务器if的拥塞系数务[；]:重置为 零，即该服务器的微扰优先级降为最低。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征是，为了防止循环，将服务器f添加到侧I的禁忌 列表，即在后续放置过程中禁止将已经卸载的虚拟机?重复分配到瓶颈服务器中J。
【专利摘要】一种基于拥塞规避的非均匀带宽虚拟数据中心嵌入实现方法，将VM按带宽需求以递减的顺序排序，先用首次适配搜索法将其依次放置到服务器中；当首次适配搜索法无法放置该VM时启动微扰机制，即以物理网络的最拥塞链路为靶向，搜索对此链路负载贡献最大的瓶颈服务器，优先将瓶颈服务器中所需带宽最小的VM卸载后重新进行所述排序和放置。本发明解决了虚拟数据中心(VDC)嵌入问题中的路由问题和虚拟机的放置问题，能获得比现有技术更高的VDC嵌入成功率。
【IPC分类】H04L12/803
【公开号】CN105490959
【申请号】CN201510932813
【发明人】闫芳芳, 李 东, 胡卫生
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月15日