基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法技术

本发明专利技术涉及一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，该方法综合考虑了网络拥塞信息和虚拟机负载信息，得到处理某一应用请求最佳的虚拟机和到达该虚拟机路径组合，从而使得响应时间最小化。在这一过程中，提出负载可感知控制器的响应时间计算模型，另外还基于遗传算法获得每一个应用可以将请求送达虚拟机的链路集合，提供了计算每个虚拟机处理当前应用请求所需时间的计算模型，并给出了请求在链路中延迟时间的计算模型，通过计算虚拟机处理该请求的时间与链路的延迟时间，最终得到最小化的总响应时间。本发明专利技术缩小了数据中心中应用的延迟时间，提升了用户体验，并且为云数据中心提供商降低了利润的损失。

【技术实现步骤摘要】
基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法
本专利技术涉及一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法。
技术介绍
云数据中心基础设施中的物理服务器被虚拟化和池化后变成多个相互隔离的虚拟机。云数据中心接受的请求首先需要经过云数据中心网络，然后到达底层的虚拟机上进行处理。因此，一个请求的总延迟时间是请求在网络和虚拟机中的延迟时间的总和。研究表明云数据中心中应用的延迟时间对于用户的体验具有较大的作用，并且会给云数据中心提供商带来利润的损失。近来出现的软件定义的网络技术能够通过可编程的基于OpenFlow协议的网络设备对网络提供集中式的统一控制。这些网络设备包括软件定义网络(Software-DefinedNetworking，SDN)控制器和传输设备(包括交换机和路由器)等。SDN实现了控制平面和数据平面的分离，从而能够对云数据中心网络提供集中式的统一的全局优化的路由决策。在SDN网络结构中，传统网络设备中的控制和管理功能被迁移到远端的SDN控制器中。在SDN环境中，支持OpenFlow协议的网络元素需要包含数据平面，并且向远程的SDN控制器提供OpenFlow接口。OpenFlow协议是SDN控制器和数据平面之间信息交换的标准通信协议。SDN控制器需要控制网络，并且提供转发、虚拟专用网络、安全、带宽分配、QoS、网络虚拟化和负载均衡等功能。然而，现有的SDN架构仍然存在很多挑战和问题。现有的软件定义网络的控制器目前只能够获得数据中心网络中的信息并对其延迟时间进行优化，因此该控制器仅仅能够对网络中支持OpenFlow协议的交换机和路由器进行控制。然而，一个请求的总延迟时间是请求在网络和虚拟机中的延迟时间的总和，因此，在底层的虚拟机中的处理延迟时间在用户体验中同样具有很重要的影响。如果请求被路由到某一发生异常的或已经过载的虚拟机上，那么这将会导致较大的虚拟机处理时间。此外，现有的控制器中的路由机制通常都比较简单，如Floodlight仅仅根据最短路径原则选择目标虚拟机。这种简单的路由方法可能会由于网络拥塞或虚拟机过载在网络中导致较大的网络延迟或者在虚拟机中导致较大的处理延迟，因而可能会导致较大的总响应时间。此外，出于可扩展性和稳定性的考虑，云数据中心中的每一个应用均部署在多个同构或者异构的虚拟机上。因此，对每一个应用而言，云数据中心中均存在多个对应的可以处理每一个应用请求的虚拟机。随着云数据中心的多个应用的请求的越来越多，如何降低请求的延迟时间，提高用户体验成为了一个难题。
技术实现思路
针对以上现有技术的不足，本专利技术提供一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，以实现为当前应用的请求指定最优的虚拟机和网络路由路径的组合，实现虚拟机和网络的负载均衡，从而最小化每一个请求的总响应时间。根据本专利技术的一个方面，提供了云数据中心对某一个应用请求处理时间的计算模型，包括：提供一种启发式的算法来为每一个应用f的请求指定最佳的网络路由路径pf和虚拟机df的组合，从而最小化该应用请求的总响应时间。针对每一个应用f的请求，对能够处理该请求的所有的虚拟机进行遍历，针对每一个潜在的虚拟机，分别依次寻找可以通向该虚拟机的网络路由路径，并最终为每一个应用f的请求确定最佳的网络路由路径和虚拟机组合，从而最小化每一个应用的请求的总响应时间。根据本专利技术的另一方面，提供了获得所有可达路径的模型，包括：根据Knapsack函数确定允许通过链路的所有应用的集合，由于多个应用共享一条链路，将如何分配使得所有应用优先级之和最大这一问题抽象为一个背包问题，提供启发式的遗传算法解决这一问题，同时结合轮盘赌选择方法和精英机制选择下一代染色体，最终找到最优解。根据本专利技术的上述方面，针对目前云数据中心处理应用请求的模式，基于SDN的负载可感知的请求路由方法基础上，实现了降低请求的延迟时间，提高用户体验，使得云数据中心提供商的效益最大化。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，该方法包括如下步骤：1)当某一个应用向云数据中心发送请求时，负载可感知的控制器获得该应用对应的所有虚拟机详细信息以及到达该虚拟机所有路径的详细信息；2)遍历所有虚拟机，计算当前虚拟机处理该请求所需要的时间；3)根据2)中获得该应用请求能够到达当前虚拟机的所有路径；4)基于启发式的遗传算法获得每一条链路允许通过请求的最佳应用组合；5)在3)和4)的基础上得到该应用可以将请求送达当前虚拟机的所有路径，并计算每条路径的延迟时间，最终获得响应时间最小的虚拟机与链路组合。进一步，所述实现虚拟机和网络的负载均衡，最小化每一个请求的总响应时间。进一步，所述总响应时间由两部分构成，即网络中的延迟时间和虚拟机上的处理时间：其中i)是应用请求的总响应时间；ii)是虚拟机对该应用请求的处理时间；iii)是该应用请求在网络链路的延迟时间。进一步，在网络中的延迟时间考虑链路中各种网络设备后可以计算得出，即其中，i)f表示当前应用；ii)pf表示应用f请求的网络路由路径；iii)表示表示网络路由路径pf上所有网络设备的个数；iv)表示网络路由路径pf上第i个网络设备为应用f的请求所分配的带宽；v)λf表示应用f的请求的到达率；vi)sf表示应用f的每一个请求的大小。进一步，所述虚拟机上的处理时间可以通过虚拟机的状态信息计算得出，即：其中，i)df表示应用f的请求的虚拟机；ii)表示虚拟机df上的剩余的尚未被处理的请求的个数；iii)表示虚拟机df的处理能力；进一步，对于一条路径中的每一条链路，所有允许通过该链路的应用请求的总带宽需求不能超过该链路的带宽容量限制，即：其中，i)e表示路径中的当前链路；ii)RTe表示允许通过链路e的所有应用的集合；iii)Cape表示链路e的带宽容量限制。进一步，每一个应用的请求的带宽需求均不能超过选定的网络路由路径上每一个网络设备为应用的请求所分配的带宽，即：其中，i)i是指网络路径中当前网络设备。进一步，为了确定一个应用的请求的可达路径，首先要确定一条路径中每条链路允许通过的应用集合RTe。链路中每一个应用对应一个优先级，最终确定的应用集合要达到在保证允许通过的所有应用请求的带宽需求不超过该链路带宽容量限制的前提下最大化允许通过的所有应用请求的优先级之和，即：其中，i)totalPe指的是通过链路e的优先级之和；ii)T指应用的数量；iii)xf表示当前应用是否允许通过该链路；iv)reqLevelf表示应用f的优先级；进一步，允许通过链路e的所有应用的请求不能超过该链路的带宽容量限制，即：进一步，求通过链路e的优先级之和前，要首先判断应用是否被允许通过当前链路e,即：本专利技术的优点在于：1.综合考虑到了网络中的拥塞信息和虚拟机中的负载信息，并为每一个应用的请求指定最佳的网络路由路径和虚拟机组合，从而最小化每一个应用请求的总响应时间。2.解决了现有的软件定义网络中控制器仅能够优化应用请求的网络延迟时间的问题，并考虑了应用请求在虚拟机上的处理延迟时间，从而能够提高云数据中心虚拟机的利用率，并且降低应用请求的数据包丢失率。附图说明图1一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法组成示意图；图2负载可感知的请本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)当某一个应用向云数据中心发送请求时，负载可感知的控制器获得该应用对应的所有虚拟机详细信息以及到达该虚拟机所有网络路由路径的详细信息；2)遍历所有虚拟机，计算当前虚拟机处理该请求所需要的时间；3)根据2)中获得该应用请求能够到达当前虚拟机的所有网络路由路径；4)基于遗传算法获得每一条链路允许通过该应用请求的最佳应用组合；5)在3)和4)的基础上得到该应用可以将请求送达当前虚拟机的所有路径，并计算每条路径的延迟时间，最终获得响应时间最小的虚拟机与链路组合。

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)当某一个应用向云数据中心发送请求时，负载可感知的控制器获得该应用对应的所有虚拟机详细信息以及到达该虚拟机所有网络路由路径的详细信息；2)遍历所有虚拟机，计算当前虚拟机处理该请求所需要的时间；3)根据2)中获得该应用请求能够到达当前虚拟机的所有网络路由路径；4)基于遗传算法获得每一条链路允许通过该应用请求的最佳应用组合；5)在3)和4)的基础上得到该应用可以将请求送达当前虚拟机的所有路径，并计算每条路径的延迟时间，最终获得响应时间最小的虚拟机与链路组合。2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，实现虚拟机和网络的负载均衡，最小化每一个请求的总响应时间。3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，所述总响应时间由两部分构成，即网络中的延迟时间和虚拟机上的处理时间：其中i)是应用请求的总响应时间；ii)是虚拟机对该应用请求的处理时间；iii)是该应用请求在网络链路的延迟时间。4.根据权利要求3所述的一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，所述在网络中的延迟时间考虑链路中各种网络设备后可以计算得出，即其中，i)f表示当前应用；ii)pf表示应用f请求的网络路由路径；iii)表示表示网络路由路径pf上所有网络设备的个数；iv)表示网络路由路径pf上第i个网络设备为应用f的请求所分配的带宽；v)λf表示应用f的请求的到达率；vi)sf表示应用f的每一个请求的大小。5.根据权利要求3所述的一种基于SDN的云数据中心负载可感知的请求路由方法，其特征在于，所述虚拟机上的处理时间可以通过虚拟机的状态信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑海涛，毕敬，张立波，
申请(专利权)人：北京交通大学，北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11