Những thách thức của phân bổ tài nguyên trong mạng ảo hóa

Hệ phân tán
Những thách thức của phân
bổ tài nguyên trong mạng
ảo hóa.
Thành viên trong nhóm :
Hoàng Tuấn Anh
Vũ Hùng Cường
Nguyễn Thanh Hải
Trần Minh Hoàng
Nguyễn Lê Thu Hương
Nguyễn Duy Long

20098008
20098028
20098067
20098090
20098101
20098122

NHÓM

5
1


Tóm tắt











Ảo hóa hứa hẹn sẽ khắc phục những điểm yếu của Internet hiện tại và hoạt
động như một ngọn đuốc mang công nghệ cho phép sáng tạo các kiến trúc
mạng.
Vấn đề cơ bản trong thuyết minh của mạng ảo (VNS) là phân bổ tối ưu các
nguồn tài nguyên được cung cấp bởi một mạng lưới IP (Internet Protocolgiao thức Internet) vật lý.
Heuristics ( phương pháp giải quyết vấn đề bằng cách đánh giá kinh
nghiệm, và tìm giải pháp qua thử nghiệm và tìm ra khuyết điểm).
Một số những kỹ thuật chính phân bổ tài nguyên trong VNs. Mô hình cấp độ
hệ thống đã được sử dụng để hiểu rõ hơn quá trình phân bổ tài nguyên.
Kỹ thuật phân bổ tài nguyên trong một số thử nghiệm phổ biến.
Một cuộc khảo sát ngắn gọn về những kỹ thuật mới nhất cho phân bổ tài
nguyên trong VNS, đề xuất một hàm mục tiêu mới cho lập bản đồ của VNS,
hệ thống cấp mô tả / phân tích các vấn đề phân bổ tài nguyên và xác định
một số nghiên cứu thách thức quan trọng.

2


I. Giới thiệu








Hiện nay, có đến 255 bộ định tuyến ảo có thể được cấu hình trên
giao diện vật lý của một bộ định tuyến duy nhất bằng cách sử dụng
bộ định tuyến ảo dư giao thức của Cisco .
Cơ sở hạ tầng ảo hóa cho phép kết nối mạng, một số VNs đa dạng
sẽ được chia sẻ các nguồn tài nguyên được cung cấp bởi một mạng
lưới IP, như Internet, thường được gọi là Substrate Network (SNMạng nền). Những VNS này có thể được xây dựng thông qua việc
triển khai các thiết bị định tuyến và các liên kết ảo.
Hơn nữa, một yêu cầu quan trọng đối với cơ sở hạ tầng như vậy
cũng có thể là một hỗ trợ cho đa nguyên, ảo hóa như là một thuộc
tính kiến trúc của Internet, cho phép nhúng liên tục các công nghệ
tiên tiến trong Internet.
Một mục tiêu chính cho việc thiết kế của thuyết minh VNs là chọn
nút nền với đầy đủ CPU, ổ đĩa và khả năng phần cứng khác cũng
như liên kết bề mặt với băng thông phụ tùng đủ, trong khi giảm thiểu
việc sử dụng các nguồn tài nguyên tổng của SN
3
3


II. Nguyên tắc thuyết minh của
VNs.




Quá trình tạo ra một VN bắt đầu sau khi thực hiện ảo hóa các
tài nguyên vật lý. Do đó, một nhóm các nguồn tài nguyên ảo có

thể được tạo ra bởi một lớp ảo hóa là thực hiện trừu tượng
của nguồn tài nguyên vật lý có sẵn tại SN.
Các tài nguyên mạng được ảo hóa sẽ phải chịu ba bước gắn
bó với nhau: tài nguyên mô tả, khám phá tài nguyên và trích
lập dự phòng tài nguyên.Các yêu cầu cho VNs là dịch vụ và
toàn bộ quá trình có thể được giám sát bởi một mức quản lý

4


II. Nguyên tắc thuyết minh
của VNs.

5


Một số điều kiện cơ bản cho chính sách
thúc đẩy hệ thống quản lý tài nguyên cho
VNs






Hệ thống phải cho phép người dùng đăng ký tài nguyên hoàn
toàn qua mạng, cho một hoạt động có thể đoán trước được và
đáng tin cậy.
Hệ thống phải cung cấp đủ sự riêng biệt, để tránh cho người
dùng khỏi sự can thiệp theo mỗi khu khác nhau.

Hệ thống phải nhận cơ chế điều khiển sao cho chỉ một số giới
hạn yêu cầu là xếp vào hàng cho các dịch vụ tiếp nhận và vì
vậy tránh sự tắc nghẽn.

6


III. Mô tả vấn đề.




Cho cấu trúc liên kết (topology) của một mạng nền được biểu diễn bởi
một đồ thị G= { V,E,C,C } với V là một bộ các nút (đỉnh), E là một bộ
các mối liên kết (cạnh) cùng với C và C như là các ràng buộc liên
quan với các nút và các liên kết. Cho các nút ràng buộc bao gồm khả
năng tính toán CPU, vị trí vật lý và tối đa số có thể thuyết minh của
máy ảo.
Với mỗi yêu cầu của VN, kiểm soát tài nguyên phải được gắn tài
nguyên ảo sẵn có lấy từ SN. Dịch vụ yêu cầu sẽ mang lại một VN thứ
có thể được biểu diễn bởi đồ thị G (i) = {V(i), E (i), Cn , Cl }. Toàn bộ
quá trình có thể bị phân huỷ thành hai mức vấn đề [14] [15]: nút
nhiệm vụ được giao f n (i) : {V v (i), C v } → (V ′ , Rn ) và liên kết nhiệm
vụ được giao f l (i) : {Ev (i), C v } → (E′ , Rl ); V ′ ⊂ V s , E′ ⊂ Es với Rn
và Rl như nút và liên kết phân bố tài nguyên cho yêu cầu của VN.

7


III. Mô tả vấn đề.

8


A. Chức năng khách quan cho
bản vẽ của VNs.






Định lượng cách dùng tài nguyên trong một SN bằng vịêc giới
thiệu khái niệm của nút và liên kết nhấn mạnh. Những cái này
được chỉ rõ là : số của nút ảo hoặc liên kết ảo được phân cho
một nút riêng biệc hoặc liên kết trong một SN.
Vịêc giảm thiểu hoá của tổng giá trị của giá trị cực đại của nút và
mối liên hệ nhấn mạnh được thiết lập như một chức năng khách
quan từ nhiệm vụ tới xây dựng một VN. Tuy nhiên, đường dẫn
cho việc lựa chọn tầm quan trọng không thể đựơc cung cấp.
Giá trị trung bình dài hạn của tổng giá trị của độ rộng dải tần và
yêu cầu CPU với mọi nút và liên kết ảo. Phương pháp này của
tổng số giá trị sử dụng dựa vào chức năng khách quan và cũng
là sự lựa chọn tĩnh về thông số giá trị cho cách dùng CPU.

9


A. Chức năng khách quan
cho bản vẽ của VNs.







Khả năng ứng phó liên kết chặt chẽ, có thể đề xuất bằng vịêc
cộng thêm một nhân tố chi phí trong mô tả chức năng trong và
cho vùng riêng/ sử dụng thêm phần trong SN.
Khả năng ứng phó cấu trúc liên kết cũng có thể được cung cấp
bằng cách dự trữ một đường dẫn của mạng nền cho mối liên
hệ quan trọng trong một cấu trúc liên kết VN
Vấn đề của sự gắn vào VN là NP-hard , như vậy một bộ các
phương pháp giải quyết vấn đề theo suy đoán khác nhau sẽ
cần đối với mỗi loại thuyết minh VN.

10


B. Nhiệm vụ nút VN như một
vấn đề NP-hard.








Vấn đề của một nút VN phân chia tới SN, mặc dù vi phạm ràng

buộc độ rộng băng tần, là NP-hard và giống với vấn đề phân
chia đa luồng.
Từ vấn đề tới giải quyết, ba phương pháp được nhận biết trong
sức mạnh của thuật toán quay lui, mô phỏng và thuật toán xấp
xỉ, phân chia nhỏ hoặc vấn đề đa luồng.
Thuật toán quay lui phụ thuộc theo thuật toán giải quyết vấn đề
theo suy đoán thông minh, và không có khả năng nâng cấp giải
pháp cho một số lượng lớn các nút.
. Nói chung, vì sự phức tạp của nó, hiệu quả và phần lớn có khả
năng nâng cấp giải pháp cho vấn đề nút nhiệm vụ trong VNs vẫn
còn khó nắm bắt.

11


IV. Phương pháp phổ biến cho sự
phân bố tài nguyên trong mạng ảo.






Phương pháp cho nhiệm vụ cung cấp tài nguyên trong VNs có
thể được phân loại như sau : tĩnh và động, trái lại.
Phương pháp cũ không cho phép mọi thay đổi trong phân chia
tài nguyên trong suốt thời gian sống của VNs, và phương pháp
sau cùng cho phép dẫn tới thay đổi mang tính thích nghi phân
bố tài nguyên dựa theo yêu cầu hiện thời và việc thực hiện của
VN.

VNs đã yêu cầu có thể có thay đổi cấu trúc liên kết và điều
khiển nạp cơ cấu sẽ được triển khai bởi nhà cung cấp VNs.
Phân chia động của tài nguyên trong VNs sẽ yêu cầu một sự
kiểm tra định lượng liên tục của VN cũng như cập nhật động
của nút nền và khả năng liên kết

12


IV. Phương pháp phổ biến cho sự
phân bố tài nguyên trong mạng ảo

13


A. Phương pháp tĩnh

•

•

•

•

1. Thuật toán cơ bản :
Thuật toán đường đi ngắn nhất , được dùng để đánh giá về các đường đi có
giá trị khác nhau trong SN. Nó dựa trên một hàm khoảng cách, cái vốn được
định rõ như tổng của hàm thuận nghịch của độ rộng băng tần sẵn có trên các
đường khác nhau.

Sau đó, sau khi tính toán khoảng cách tối thiểu cho tất cả các đường dẫn,
nút tiềm năng được tính toán, đã được định nghĩa như là một tỷ lệ của tổng
các khoảng cách tối thiểu của tất cả các liên kết bề mặt trong một cụm và nút
bắt buộc tối đa.
. Bước tiếp theo bao gồm xác định khả năng của tất cả các nút trong một
cụm, lập bản đồ giữa các nút nền và các nút VN được thực hiện trong một
cách mà các nút ảo với tiềm năng cao hơn được kết nối với các nút nền với
mức cao hơn nguồn tài nguyên sẵn có.
Bước cuối cùng liên quan đến việc kết nối của các nút SN lựa chọn theo cấu
trúc liên kết VN, thuật toán khoảng cách ngắn nhất đã được sử dụng. Nó
cũng đã được chỉ ra rằng các thuật toán phân công cơ bản trở thành không
hiệu quả cho vịêc chia mỏng cấu trúc liên kết của VNs.

14


A. Phương pháp tĩnh
Phương pháp lặp để
phân chia tài nguyên
trong VNs
2. Hạn chế lưu lượng dựa vào thuật toán:

•

•

•

•

Phương pháp hiệu quả về chi phí cho việc thiết kế VNs,
mặc dù cách này có thể không mang lại hiệu quả tốt
nhất cho NP – bản chất của vấn đề.
Kích thước không gian tìm kiếm được giảm thiểu bằng
cách hạn chế những topo mạng VN như các mạng
xương sống hình sao.
Trong những topo đó, một số nút được thiết kế như
xương sống trong khi một số nút khác được gọi là nút
truy nhập.
Các nút xương sống hình thành trung tâm của ngôi
sao, các nút truy nhập được kết nối. Các nút xương
sống có thể được kết nối một cách tùy ý nhưng chúng
bị hạn chế vì phải hình thành đồ thị đầy đủ thành vòng
tròn hoặc hình sao
15


Phương pháp lặp để phân
chia tài nguyên trong VNs










Hạn chế đầu ra đặc tả tổng lưu lượng đầu ra ở các nút truy nhập

của VN và được mô tả bởi lưu lượng vào ra từ nút truy cập
Từng đôi hạn chế lưu lượng cung cấp dựa trên lưu lượng vận
chuyển từ một nút truy cập đến nút khác
Khoảng cách hạn chế chỉ định ranh giới trên lưu lượng vận
chuyển bên cạnh khu vực lân cận của một nút . Kích thước liên
kết đã được thực hiện bằng cách làm theo những hạn chế này.
Việc lập bản đồ nút xương sống đã được xây dựng và giải quyết
như một chương trình tập hợp số nguyên bậc hai.
Cuối cùng, thiết kế VN được so sánh bằng số liệu chi phí xác định
bởi sản phẩm của khoảng cách đường đi ngắn nhất và chia sẻ lưu
lượng truy cập công bằng chức năng.

16


B. Phương pháp tiếp cận động.






Chuyển nhượng nguồn tài nguyên tĩnh tới nhiều VNs, nơi mỗi
mạng được tùy chỉnh cho mỗi lớp lưu lượng riêng biệt, có thể
dẫn đến hiệu suất thấp hơn và tận dụng cả nền móng của tài
nguyên (Nó có thể dẫn dến việc không hiệu quả gây lãng phí tài
nguyên.)
Ví dụ như trong cùng một SN, VN đang trải qua việc mật gói tin
cao, trong khi VNs khác đang hoạt động theo tín hiệu lưu lượng
nhập vào.

Các sự kiện tái cấu hình tức là phân bổ lại tài nguyên tới VNs
có thể liên quan đến sự thay đổi đáng kể trong nút và đường
dẫn chuyển đổi trong SN. Vì vậy, để xác định tái cấu hình trong
VNs, thước đo chi phí đã được định nghĩa trong

17


B. Phương pháp tiếp cận động.


•
•

Điều quan trọng là nhận ra số lượng của tái cấu hình các thiết
lập của VNs trên một cơ sở có thể bị hạn chế vì lý do sự ổn
định và tính toán các chi phí. Do đó, một quá trình tái cấu hình
lựa chọn được thông qua, trong đó ưu tiên cho các bộ phận
của VNs được tải ở mức độ cao. Các thuật toán tái cấu hình
được lựa chọn phụ thuộc vào:
Đánh dấu định kỳ các nút ứng suất nhấn mạnh và các liên kết
của tầng cơ sở.
Với mỗi tái cấu hình VNs và theo dõi hiệu suất.

18


C. Phương pháp tiếp cận pha tạp








1) Hệ thống tự trị : Một cách tiếp cận kết hợp VNs và điện toán
tự trị (Chúng giúp giải quyết sự phức tạp của các hệ thống lớn
bằng cách sử dụng công nghệ để quản lý công nghệ, với một
số lượng tối thiểu sự can thiệp của con người).
Nó cung cấp các dịch vụ tự động và quản lý tài nguyên mạng
trong DiffServ cho phép IP / MPLS dựa trên mạng lưới.
Các số liệu đánh giá hiệu suất bao gồm tỷ lệ đánh mất gói tin,
chậm trễ, khủng hoảng và băng thông gần như bằng nhau.
Hai loại thành phần tự trị được định nghĩa là: Virtual Network
Resource Manager (VNRM) – Quản lý nguồn tài nguyên mạng
ảo và Resource Agents (RAs) – Đại lý tài nguyên

19


C. Phương pháp tiếp cận pha tạp

•
•

•
•

2) Kiểm soát hệ thống dựa trên lý thuyết :

Một trong những kỹ thuật đầy hứa hẹn của phân bổ tài nguyên
trong môi trường mạng ảo hóa là lý thuyết điều khiển thích nghi.
Tuy nhiên, vẫn chưa có phương pháp tiếp cận hệ thống hoàn
chỉnh tồn tại để thiết kế một mô hình phân bổ tài nguyên tối ưu
cho VNs.
Vấn đề mở này phức tạp hơn do sự tồn tại của NP – độ cứng trong
nút và chuyển giao liên kết
Mặc dù sự phức tạp đó, một số thành phần thiết yếu của kỹ thuật
điều khiển thích nghi dựa trên hệ thống phân chia nguồn tài
nguyên có thể được truy tìm và đã được mô tả trong hình sau.

20


C. Phương pháp tiếp cận pha tạp

21


Hệ thống vòng tròn khép kín

22


Hệ thống vòng tròn khép kín






Trong thiết lập này, yêu cầu thuyết minh VNs đến trong thời
gian thực, hiện nay, rất khó để tìm phân bổ đến cũng như khi
không có nguồn cung cấp thương mại VNs tồn tại.
Các yêu cầu cho VNs được xếp hàng theo nhà cung cấp và sẽ
được sắp xếp vào một thời điểm thích hợp theo thỏa thuận cấp
độ dịch vụ. Trong các thiết lập như vậy, xếp hàng sẽ là một
thành phần thiết yếu của các vòng lặp như chi phí tính toán
cao có thể được kết hợp với mỗi yêu cầu VNs.
Một vài khả năng tồn tại cho việc thiết kế lịch trình thực hiện
yêu cầu VNs, chẳng hạn như: vòng robin, hàng cân bằng và
xếp hàng ưu tiên.

23


Một cơ chế khác








Một cơ chế khác, có tên là QoSMap, đã cố gắng kết hợp cả hai
QoS và khả năng phục hồi trong việc xây dựng VNs vượt qua
SN.
Nó cung cấp khả năng phục hồi đường dẫn bằng cách xây
dựng các tuyến thay thế 1 lớp phủ lên thông qua các nút trung

gian.
Kết quả báo cáo được giới hạn trong phạm vi và QoSMap đc
yêu cầu phải kiểm tra kỹ lưỡng.
Phương pháp tiếp cận đa luồng đã được áp dụng trong phẩn
bổ tài nguyên trong VNs. Nó nhằm vào mục đích kết nổi các
phương pháp này tới hệ thống VNRM, cf.

24


V. Thực hiện quản lý tài nguyên.



•
•
•

Quản lý tài nguyên là một vấn đề rất quan trọng trong cơ sở hạ tầng
điện toán mới được phát triển gần đây, chẳng hạn như: PlanetLap,
Emulab, Cơ sở hạ tầng mạng hóa ảo (Vini) và môi trường toàn cầu cho
môi trường đổi mới mạng toàn cầu (GENI). Với nền tảng như vậy,
nhằm cung cấp phân phối quy mô Internet và khả năng tiếp cận, yêu
cầu một hệ thống quản lý tài nguyên hiệu quả, chia sẻ độc lập công
bằng, có thể dự đoán và thích nghi các nguồn tài nguyên cộng đồng.
Đối với giải pháp cho vấn đề phát hiện và phân bổ tài nguyên, một số
hệ thống đã được phát triển gần đây bao gồm:
Tập trung các kiến trúc như: Hệ thống kế hoạch kiểm soát và lưới ảo.
Phân cấp kiến trúc như: Ganglia và XenoSearch
Kiến trúc phi tập trung như SWORD, SHARP , Sirius , Bellagio và

Tycoon đã được mô hình hóa sau khi một thị trường ảo, nơi người
dùng có thể chi tiêu tiền tệ để có được một phần tài nguyên hệ thống.
25