无线数据中心虚拟化资源分配算法研究

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1、 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究学位 申 请 人 姓 名 ：导 师姓 名 及职称： 湖 南 大学本 人 郑 重 声明： 所呈 交的论 文 是 本 人 在 导 师的指 导 下独立 进行 研 究 所取 得 的研 究 成果。除了 文 中 特 别 加 以 标 注 引用 的内容外， 本 论 文 不包含任何 其 他个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 的成果作品 。对 本 章 的研 究 做 出重 要 贡献 的个 人 和 集 体 ， 均 已 在 文 中 以 明确 方式 标 明。本 人 完全意识到本 声明的法 律 后果由 本 人 承 担。本 学位 论 文 作者 完全了 解 学校

2、 有 关 保 留 、 使 用 学位 论 文 的规 定， 同 意学校 保 留 并 向 国家 有 关 部 门 或 机 构送交论 文 的复 印 件和 电 子 版， 允 许 论 文被 查 阅 和 借阅 。本 人 授 权湖 南 大学可以 将 本 学位 论 文 的全部 或 部 分内容编入 有 关 数 据 库进行 检索， 可以 采 用 影印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制手 段 保 存和 汇编 本 学位 论 文 。 鹚 救 掌冢 杭樱 嗄阥 月 杉日 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究摘无 线 链路干 扰模型 建 模。由 于无 线 数 据 中 心 的链路干 扰情况不是 以 距 离 为

3、基 础 ，而 是 当 有 节点 处于发 射节点 的定向 天线 的发 射角的范 围 内， 才 存在 干 扰， 因此 琤 琤 ， 瓵 ， 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 瓼 瑃 瑃 ； 目录 算 法 提 出 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 动态虚拟请 求 分配框 架 天线 转 向 发 送示 意图 无 线 数 据 中 心 的单 个 机 架 节点 间 的通 信 平面 链路干 扰着 色 示 意图 分配时间 虚拟网 络接受 率 一 节点 利 用 率 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 不同 虚拟网 络达到率 情况下的节点 利 用 率 的一 个 重 要 部

4、 分， 数 据 中 心 网 络是 基 于服务器之间 及时可靠 的通 信来 发 挥 作用 的，为 数 据 中 心 的一 切应 用 和 服务提 供数 据 存储、 分析 、 处理 和 计 算 的物 理 平台 ， 它需 要 能 联 结百万台 服务器， 同 时亦 能 为 云 技术提 供合适的带 宽 。 用 性 ， 并 且免 授 权。 无 线 射频 技术中 路径损 失的减 少 与 频 率 的平方成比 例 ， 增加 干 扰移 植 和 增强 安 全性 。 范 围 内大量 频 谱 和 大量 独立 的运行 有 向 链路的结合， 可以 在 小 体 积 内扩展数 据 中 心 的连 接性 ， 拥 有 高可扩展性 。 无

5、 线 波长短 ， 因此 天线 长度 短 的频 段 是 全世 界范 围内授 权的， 因此 可以 大范 围 使 用 。 对 设 定的接受 、 发 送距 离 ， 其 传送的范 围 仍然 非常 有 限 ； 另 一 个 存在 的问题 就 是在 不同 的物 理 底 层 节点 上 ， 并 通 过底 层 网 络上 的物 理 路径相 互 连 接， 与 虚拟链路一 致。由 于多 个 可以 共 享 相 同 的基 础 物 理 资源， 为 了 增加 底 层 网 络资源的利用 率 和 的收 益， 请 求 的有 效的嵌 入 、 映 射、 分配是 研 究 的重 中 之重 。 通 过由 虚拟路由 器连 接的虚拟链路互 联 ，

6、反 过来 又 采 用 各种的协议提 供不同 通 信服务给 应 用 ， 如图 ， 建 立 了 一 个 多 样 化网 络。多 样 化网 络可以 让 个人 或 组 织 在 全球 范 围 内快 速 部 署 虚拟网 络， 而 无 需 改 变底 层 物 理 架 构。图 描述 了 虚拟化网 络资源分配的场 景 图 ， 即分配合适的物 理 资源给 多 个 虚拟请 求 。由图 可知 ， 可以 抽 象 物 理 节点 和 链路为 多 个 虚拟资源， 以 及不同 协议和 架 构的多 个虚拟网 络服务。从图 可知 ， 多 个 虚拟网 络间 彼 此 独立 ， 互 不干 扰， 也 可相 互通 信。 图 网 络虚拟化示 意图

7、 仓 底 层 物 理 网 络 络无 干 扰的约束 下保 证 底 层 物 理 资源的开销 最 低， 最 大化网 络收 益， 另 外， 还要满 足网 络负 载 均 衡 。而 高效 的虚拟网 络资源映 射算 法 能 够确 保 虚拟请 求 映 射到底层 物 理 网 络中 最 优 网 络拓扑 上 。 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究发 式 装箱 算 法 减 少 服务器个 数 。 緇 发 现 的能 耗不仅 与 睦 寐 屎 推德 视 泄 兀 被 褂隒 内存访 问特 征紧 密相 关 。尤 其 考 虑 放 置 时的一 个 关 键参 数 是 工 作集 大小 。他们 提 出能 耗感 知 的高性

8、能 计 算 应 用 的放 置 算 法 。资源管 理 模块 的信息被 收 集到 放 置 控 制模块 ， 全面 考 虑 使 用 特 征和 内存以 及工 作集 大小 ，形 成多 维装箱 问题 。接下来 ， 将 所有 应 用 程 序 按 照其 工 作集 大小 进行 升 序 排列 ，然 后相 继地 放 置 虚拟机 ， 同 时确 保 工 作集 大小 不大于服务器的资源容量 ， 并 考 虑 通 信密集 程 度 以 及对 网 络带 宽 影响 。两 台 迁 移 到同 一 台 服务器上 的情况是 当系 统 管 理 模块 发 现不同 服务器上 的两 台 虚拟机 之间 的网 络通 信比 较 密切的时候 。 緇 是 在

9、 虚拟化集 群 上 的整 合管 理 系 统 ， 它 的目 标 是 寻 求 全局 最 优 的 整 合机 制， 而 且采 用 的是 约束 规 划 方式 。然 而 系 统 没有 考 虑 整 合对 能 耗的影 则 是 将 的调度 决 策 和 负 载 特 征综合起 来 实现较 好 的能 耗和 性 能 。设 计 构建 两 个 方面 讨 论 无 线 通 信技术在 数 据 中 心 的应 用 。 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 难 问题 ， 没有 最 优 的解 决 方案 ， 一 般采 用 启 发 式 的算 法 求 解 。纳 和 总结了 各类算 法 的优 缺 点 。 之间 无 干 扰以 及节

10、点 和 链路的协调性 ， 加 快 了 分配的效 率 。行 了 分类比 较 ， 最 后分析 并 总结相 关 研 究 的优 缺 点 。 问题 分成不同 类型 ： 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究基 于子 图 同 构探 测 ， 求 又 与 虚拟网 络同 构的子 图 。但 是 在 大型 网 络拓扑 结构中 ， 要 在 物 理 网 络拓扑 中 节点 的宿主 时， 节点 和 链路协调的资源分配算 法 没有 使 用 贪婪 法 ， 而 是 先 后使 用了 确 定四 舍 五 入 技术和 随 机 四 舍 五 入 技术。与 其 他虚拟化资源分配算 法 相 比 ， 此算 法 将 节点 的地 理 位

11、 置 作为 资源分配的约束 条 件。由 于此 算 法 能 够有 效地 提 高资源的利 用 率 ， 让 接受 虚拟网 络请 求 的能 力不断增强 ， 因而 获 得 更 大的收 益和更 优 的负 载 平衡 。文 献 重 新检验了 虚拟网 络嵌 入 问题 ， 并 提 出了 基 于投 机 资源共 享 和 基 于拓扑 的节点 排序 的虚拟网 络映 射框 架 。投 机 资源共 享 首 次 考 虑 了 整 个 网 络层 ， 并提 出了 在 线 近 似 算 法 ， 来 解 决 相 应 的时间 分配问题 。为 了 估 计 底 层 节点 拓扑 的重计 了 简单 但 实用 的方法 来 估 算 底 层 节点 和 链路

12、的剩 余 资源。 等 人 分别 从路径迁 移 和 路径分割 的角度 重 新考 虑 了 网 络虚拟化的 等 人 在 算 法 中 设 计 了 可用 于分布式 资源映 射的通 信协议， 从而使 各个 物 理 节点 之间 可以 交互 资源分配信息、 空闲 资源信息。通 过交互 空闲 资源信息， 各个 物 理 节点 拥 有 其 余 物 理 节点 的空闲 资源信息， 从而 确 定自身 需 要 承 担的任务。另 外， 每 个 物 理 节点 对 虚拟网 络进行 星 型 分割 ， 分割 后的星 型 拓扑 需 要分配到拥 有 最 大空闲 资源的物 理 节点 上 ， 并 通 过提 出的通 信协议告知 其 余 物 理

13、 节点 资源分配的结果， 使 物 理 节点 掌 握物 理 节点 资源利 用 和 资源分配进度 的情况。 动态虚拟化资源分配算 法对 底 层 物 理 资源的利 用 率 以 及优 化网 络的服务性 能 。有 两 种情况： 一 种是 在 当 前 虚拟拓扑 中 撤销 或 增加 某个 虚拟节点 ， 另 一 种是 减 少 态不变的情况， 提 出在 请 求 拓扑 变化时， 最 优 重 配置 并 映 射 请 求 。首 先建 立 数 学最 优 化模型 ， 即采 用 混 合整 数 线 性 规 划 最 小 化重 配置 成本 。由 于最 优 化问题 是 难 的， 他们 也 提 出采 用 启 发 式 算 法 有 效 地

14、 处理 最 优 化难 题 。同 时， 他们 提 出了 重 配置 算 法 流 程 框 架 ， 框 架 中 采 用 了 文 献 【 】 提 出的节点 、链路协调分配算 法 ， 并 在 框 架 中 考 虑 了 负 载 均 衡 的问题 以 避 免 资源分裂。是 否有 删 除 请 求释 放 部 分或 全部 分配给 这些 请 求 的资源针 对 传统 资源分配方法 采 用 脱 机 、 集 中 式 以 及全局 式 策 略管 理 物 理 资源的利 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 冤保 证 在 正 交信道 数 目 有 限 情况下能 够跨不同 链路进行 信道 的协调分配， 其 中 主 要的思 想

15、是 采 用 多 项 式 时间 近 似 的解 决 方法 ， 在 信道 分配时， 首 先 初 始化可用 的信道 集 合和 未 分配的信道 集 合； 接着 将 邻居 节点 的数 目 定义为 节点 度 ， 分配节点 度最 大的节点 ； 给 节点 度 最 大的节点 分配完信道 之后， 判 断该节点 以 及邻居 节点 的分离 权重 ， 分配分离 权重 最 小 的邻居 节点 ， 从候 选的可用 信道 中 选择 满 足链路干扰的分离 权重 条 件的信道 ， 当 有 多 个 候 选的信道 时， 分配序 列 号 最 小 的信道 。由于解 决 了 部 分信道 重 叠 问题 ， 最 小 化链路干 扰， 提 高了 资源

16、的利 用 率 。但 是 ， 该 无 线 数 据 中心 虚拟化资源分配算 法 研 究虚一开图 动态虚拟请 求 分配框 架 小 结根据 不同 的网 络底 层 架 构， 可以 将 虚拟网 络分配算 法 划 分成基 本 的虚拟网 络分配算 法 和 无 线 虚拟化资源分配算 法 。针 对 不同 的分配方式 ， 虚拟网 络分配算 法又 可以 分为 静态资源分配算 法 和 动态资源分配算 法 。静态资源分配算 法 的核 心 思想 是 “一 次 分配， 终 身 受 用 ”， 虚拟网 络分配的过程 所涉 及的开销 比 较 小 、 复 杂 度不高且易 于实现。静态虚拟化资源分配算 法 通 常 分为 集 中 式 分

17、配算 法 和 分布式 分配算 法 。动态的资源分配算 法 在 自适应 和 灵 活度 方面 得 到很 大的提 升 ， 采 用 自适应 虚拟网 络请 求 和 底 层 物 理 资源的动态变化而 动态调整 资源的分配， 不仅 平衡 了网 络的负 载 ， 也 在 很 大程 度 上 提 高了 资源的利 用 率 和 优 化了 网 络性 能 。特 别 是 无线 网 络环 境 中 ， 无 线 节点 的移 动性 和 链路的可靠 性 和 带 宽 的时变性 等 动态特 征使得 无 线 虚拟化资源的分配更 需 要 自适应 的动态资源分配思 想 。目 前 的虚拟网 络资源分配算 法 主 要 集 中 在 有 线 网 络环

18、境 中 ， 无 线 网 络虚拟化 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 等 人 【 】 提 出一 种数 据 中 心 设计 方案 ， 这种射频 技术只有 在 传送电 量 给 服务器节点 时才 采 用 有 线 。他们 整 合无 的大数 据 流， 从而 突破 “瓶 颈”， 提 高整 个 数 据 资源中 心 的性 能 。 客 捎 无 线 通 信技术， 设 计 无 线 数 据 中 心 ， 并 研 究功 率 比 例 ， 通 过在 线 算 法 节省 功 率 。同 时， 动态精 简的最 优 离 线 算 法 在 查 看 反 向 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究目 前 ， 无

19、线 数 据 中 心 捎 玫氖 无 线 射频 技术， 其 超宽 带 和为 一 个 整 体 ， 包括 天线 ， 都 可以 在 一 片 单 独的小 芯 片 中 【”。 琷 目 捎 么 ， 频 谱 可用 性 高， 并 允 许 多 虚拟节点 集 合和 虚拟链路集 合毯 ： 危 底 层 物 理 节点 集 合和 链路集 合物 理 节点 刀 腸 计 算 资源 物 理 节点 灰延玫腃 计 算 资源利 用 定向 天线 发 送数 据 的能 耗 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究因此 ， 物理 网 络使 用有 向 带 权图 表 示 ，同 ， 本 章 采 用 有 向 图 表 示 物 理 网 络拓扑 ，

20、 当 物 理 节点 霄 到刀 ； 之间 的 能 耗模型砖 就 三毒 之内的能耗，得 出毛 ，瓯三一： 甓篡等， 弧 贰 唬 簀 斗一 一 一 一 ： ， “ 天线 传送数 据 产生 的能 耗， 由 公式 表 不。 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 扑 阕 试 矗 晃 锢 斫诘阒 涞木 嗬胄 栊 ， 否则 不能 进行 通 信； 另 外， 发 能 源有 效性 时间 模型 节点 利 用率 硎 疚 锢 斫诘愦 诺母 涸 映 射到此 物 理 节点 的所有 虚拟节点 的 与 此 颉 譮， 加 胖慌 比 磁 痲 节点 连 接度为 了 协调节点 的资源分配， 最 大化满 足虚拟请 求 ，

21、并 尽 可能 地 分配到数 目 较口 口 可达性 矩 阵设有 编号 为 ， 嗟溺 嘀 治 锲 罚 寤 直鹞狹 ， ， ， 屹一 ， 。将这刀 种物品 无 线 数 据 中心 虚拟化资源分配算 法 研 究较 ， 只要 能 容纳 ， 就 放 进物 品 ， 以 确 保 箱 子 数 目 最 少 。 算法 步 骤本 章 提 出的虚拟化资源分配装箱 算 法 输出： 已 分配物 理 节点 集 合， 已 分配物 理 链路集 合。步 骤 航 槟 饨 诘愣 恿 ”三括 ， 械 男 槟 饨 诘 ， 映 射到物 理 拓扑 的物理 节点 ； 稀 凑 瘴 锢 斫诘愣 恿 ， 三衙 斜嗪抛 钚 苈 闫銫 计 算步 骤 褐 馗

22、 床 街 ， 比 较 步 骤 扑 愠 龅 奈锢 斫诘愕氖 郈 计 算 能 力与步 骤 褐 馗 床 街 、 步 骤 筒 街 ， 直至 映 射过程 结束 。 当 映 射到的物 理 节点 之间 通 信出现故障 时， 完成虚拟请 求 的过程 会 出现失误， 仿真 实验 耋霉言卜闲 一 求 的虚拟节点 映 射到物 理 节点 时， 都 要 从编 号 最 小 的物 理 节点 开始进行 映 射， 只图 映 射时间比 较 虚拟节点 的 扑 阋 G笥 胛 锢 斫诘愕氖 郈 资源的次 数 少 ， 一 般编 号比 较 小 的物 理 节点 就 能 满 足其 要 求 ， 从而 提 高了 整 个 算 法 的时间 。然 而

23、随 着 节点 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 籑 ， 算 法 提 出无 线 网 络已 经 成为 了 解 决 以 上 问题 的一 种可能 无 线 技术的日 益成熟 使 得 完全使 用 无 线 传输技术来 构建 数 据 中 心 网 络成为 可 【 】 等人提 出一 种数 据 中心 设 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 设 计 的全新路由 协议可以 在 短 时间 内 热恕当 平行 的两 条 链路之间 的距 离 小 于 英寸时， 整 体 的吞 吐量 大幅 减 少 ， 而 有 向 天线 的采 用 可以 让 两 条 链路在 很 小 的距 离 范 围 内并 存。 械

24、 慕诘 。服务器的天线 朝 向 机 架 内， 形 成一 个 圆 圈 ， 也 就 是 每 层 一 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究图 节点 间 的通 信 图 物理 网 络模型 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 切藕舦， 的发 送功 率 ， 协， 传输衰 减 绰 吩 鲆 。给 定发 送接收 节发 送范 围 内的各个 节点 所接收 到的功 率 。 节点 利 用率 资源分配初 始化时， 连 接干 扰矩 阵 参 数 只有 “ 焙汀 發 ”两 类参通 信； “ 北 硎 窘 诘阒 涞木 嗬胄 ， 节点 之间 可以 建 立 连 接。只有 在 虚拟化 媒 诘阌 腌龅 木

25、嗬胄 二 无 线 数 据 中 心 基 于链路干 扰的虚拟化资源分配过程 中 ， 节点 映 射和 链采 用 定向 天线 ， 它 们 发 送数 据 的信号 是 圆 锥形 的， 因此 在 通 信的过程 中 ， 对 其 余 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究步 骤 撼 跏蓟 尴 呶 锢 硗 绲牧 唇 痈 扇 啪 卣 螅 扑 阋 G ， 将 虚拟拓扑 中 的节点 进行 降 序 排列 并 依 次 放 入 虚拟节点 队 实验仿真间 ， 每 对 节点 间 的连 接概 率 为 。每 个 虚拟节点 的需 求 能 力也 是 随 机 生 成的， 猇 琋 盢 髓 图 分配时间 无 线 数 据 中 心

26、虚拟化资源分配算 法 研 究图 虚拟网 络接受 翠 猣 ： ： 爱 ， ， 节点 利 用 率 淌 奔 ， ， ， 、 灰弧 ， 一 一 结效 的虚拟化资源分配算 法 ， 将 虚拟资源映 射到少 部 分的服务器上 ， 并 将 其 余 的服确 定处于同 一 节点 发 射范 围 内的受 干 扰节点 ， 并 着 上 相 同 的颜 色 ， 以 此 判 断相 同用 率 和 虚拟网 络接受 率 ， 同 时又 降 低了 分配时间 。 构下进行 研 究 的， 而 且同 样 属 于静态的分配算 法 ， 存在 一 些 诸如自适应 差、 配置不灵 活的缺 点 ， 当 网 络实时变化时， 系 统 更 新网 络信息频 繁 ， 开销 十 分巨 大， 会影响 网 络的整 体 性 能 。 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 甅 ： ： 琇 ， ， ： 琄 琒 ， ， ： ， ， ： 琈 ， 甶 甧 痵 ， ， ： ， 甮 珹 ： 甁 无 线 数 据 中 心 虚拟化资源分配算 法 研 究 甐 珹 ， ， ： ， 琇 ： ， ： ， 琍 琋 篒 甐 琄 ： ， ， ： ， ： 瑂 甀 疉 琋 琇 猘