在NDN下基于双向管道方式实现虚拟机在线迁移的方法

摘要

本发明涉及一种在NDN下基于双向管道方式实现虚拟机在线迁移的方法，包括以下步骤：(1)NDN中名字空间设计步骤：定义用于命名数据包的三个名字空间；(2)双向管道通信步骤：数据请求方和数据发送方之间通过双向管道通信数据包；双向管道通信步骤包括逆序和丢包处理：设置用于保存因逆序提前到达或者提前产生的Data的缓存区，同时采用超时重传机制来重新获取Data，当超时多次，则采用分包的方式重新请求；(3)性能测试步骤。与现有技术相比，本发明实现了在NDN网络下的局域网和广域网的虚拟机在线迁移，使虚拟机上的应用在虚拟机迁移的过程中保持不断，实现虚拟机的无缝迁移，并通过动态自适应机制保证迁移完成之后网络畅通。

说明书

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域和云计算技术领域，尤其是涉及一种在NDN (Named Data Networking，命名数据网络)下基于双向管道(pipeline)方式实现虚拟 机在线迁移的方法。

背景技术

随着网络的发展，TCP/IP结构出现了越来越多的限制，包括可扩展性、稳定 性、安全性和移动性。这些缺点导致了学术界开始了对未来网络的研究。FIA-NP 目前主要有三个项目MobilityFirst-NP、Named Data Networking-NP、eXpressive  Internet Architecture(XIA)。其中，NDN的核心理念在于网络关注的不是位置 (Where)，而是数据(What)，这种转变不仅极大地提高了网络的灵活性、可扩展 性和移动性，而且内置的安全性策略也提高了网络及其应用的安全性。

作为面向数据网络的代表，NDN现已在全球范围内展开了研究并进行了测试 平台的部署。目前NDN的研究已进入下一阶段，主要致力于NDN应用的设计、 安全性、路由和转发策略、可伸缩的转发、库和工具的开发、社会和经济影响等方 面。NDN只包含两种数据包Interest和Data，是以接收方驱动的网络，称NDN中 数据请求方为consumer，称数据发送方为producer，因此，NDN是一种通过consumer 发送Interest向producer请求Data进行通信的网络架构。为了接收数据时，一个 consumer发出一个Interest报文，该Interest报文携带一个名字，由名字标识期望 的数据。NDN节点接受到该Interest报文后，会记录Interest报文进入节点的接口， 然后通过基于命名的路由转发协议将其转发。一旦Interest报文达到拥有被请求数 据的一个节点，则发回一条Data报文，它携带数据的名字和内容，还有生产者密 钥的一个签名。这条Data报文经Interest报文所产生的反向路径到达consumer。

随着计算机技术的飞速发展，云计算顺应时代要求登上了历史舞台。虚拟机 迁移是云计算技术中虚拟化和高效分配资源的重要技术之一。虚拟机迁移分为在线 迁移和离线迁移，在线迁移因为其能够保证迁移过程中不中断而成为虚拟机迁移的 主要研究点。未来网络中虚拟机也是必须的，因为虚拟机不仅有利于主机资源的高 效利用，而且对于用户的隔离也有着重要的作用。而虚拟机迁移有利于负载均衡、 灾难备份以及用户就近等方面的网络性能优化策略。因此，虚拟机在线迁移也是必 需的。

在未来网络方面，虚拟机在线迁移也已经有了一些研究，但是仍然存在一些 问题，比如迁移总时间和停机时间比较长。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在NDN下 基于双向管道方式实现虚拟机在线迁移的方法，对于NDN通信模型的研究以及对 于虚拟机在线迁移在未来网络中的研究都有着重要的推动作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在NDN下基于双向管道方式实现虚拟机在线迁移的方法，包括以下步骤：

(1)NDN中名字空间设计步骤：构建NDN进行数据迁移，NDN中数据包 分为Interest和Data，定义用于命名数据包的三个名字空间：

第一名字空间，用于标识迁移过程中的数据包；

第二名字空间，用于标识迁移结束的最后一个数据包；

第三名字空间，数据迁移过程中因数据包过大而丢包时，将该数据包分成若 干个后，用第三名字空间进行标识；

(2)双向管道通信步骤：数据请求方和数据发送方之间通过双向管道通信数 据包，具体为：数据请求方以管道的方式向数据发送方发送Interest，数据发送方 接收后产生对应的Data，并以管道的方式向数据请求方发送Data，数据请求方接 收到返回的Data后产生新的Interest，数据迁移过程中的数据包以第一名字空间进 行命名，当以第二名字空间命名的数据包传输结束后，数据迁移结束；

双向管道通信步骤包括逆序和丢包处理，逆序的处理为在数据请求方和数据 发送方分别设置一个用于保存因逆序提前到达或者提前产生的Data的缓存区，丢 包的处理为采用超时重传机制来重新获取Data，当超时Q次后，采用分包的方式 将Interest分成若干个小数据块的Interest来请求该Data，分包后的数据包以第三 名字空间命名，Q为超时次数阈值；

(3)性能测试步骤：在虚拟机中运行以与位置无关的名字为前缀的应用，通 过访问该应用验证虚拟机迁移的在线性，同时使用NDN的ping程序测量虚拟机的 停机时间。

所述第一名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data /sequence，其中，/ndn为NDN中名字空间所共有的root组件，/location表示数据 发送方所在的设备或者网关的名字，/vm表明该名字属于与虚拟机相关的名字， /migration表明该名字是迁移应用所使用的名字，/live表明该名字是在线迁移， /version表明该在线迁移名字空间的版本号，/data表明该名字是标识迁移数据的名 字，/sequence表明迁移数据的序号，用于唯一标识不同的虚拟机在线迁移的数据 块。

所述第二名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data/end/last， 其中，/end表明迁移数据已经结束，/last标识迁移数据块的最后一个序号，且 sequence的数值不大于last的数值。

所述第三名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data /sequence/frag/nums/seq，其中，/frag表明该名字是一个分包的名字，/nums的组件表明 一个数据包被分成了几个，/seq表明该名字分包的序号。

所述双向管道通信数据包包括两个阶段：启动阶段和稳定阶段；

启动阶段：数据请求方初始发送2N个Interest，数据发送方产生并返回N个 data；

稳定阶段：数据请求方接收一个Data同时产生一个新的Interest；

启动阶段后进入稳定阶段，稳定阶段时，Data和Interest的传输构成两条相反 的管道，形成一个数据流环，其中，N＝BD/L，N为网络中正在传输的Data的最大 个数，B是网络带宽，D是网络延迟，L是Data的长度。

所述缓冲区中缓存数组的长度Len由网络中正在传输的Data的最大个数N、 超时次数阈值Q、超时时间T以及网络延迟D决定。

所述逆序的处理具体为：数据请求方中设置第一Data缓冲区，用于保存提前 到达的Data，数据发送方中设置第二Data缓冲区，用于保存提前产生的Data，数 据请求方将收到的正确序号的Data连同其后缓存的提前到达的Data同时写入到虚 拟机。

性能测试步骤中，使用NDN的ping程序每隔Pms发送Interest向虚拟机请求 Data响应，根据停机过程中ping程序中丢包数M，获得虚拟机在线迁移的停机时 间，停机时间的数值范围为[(M-1)×P，(M+1)×P]ms，误差范围为±Pms，其中，P≥300。

与现有技术相比，本发明提出了NDN名字的设计、双向管道的通信模型、以 及对逆序和丢包的处理方法，具有以下优点：

1)NDN中名字的设计是一个关键的问题，本发明基于NDN的构架，针对名 字空间进行设计，提出了三种情况下的名字空间，分别用于标识迁移数据过程中、 迁移的结束时和丢包过多时的数据包，保证虚拟机在线迁移在NDN下的可行性， 具有NDN网络通信的安全性、方便性。

2)建立双向管道的通信模型，将网络看成一个缓冲区，Interest和Data构成 一个环，保证在consumer和producer中一直有数据包处理。与现有的NDN下虚 拟机在线迁移研究相比，提高了在线迁移的速率，减少在线迁移的迁移总时间。

3)针对实际在线迁移过程中存在的逆序和丢包问题，设置用于保存因逆序提 前到达或者提前产生的Data的缓存区，从而解决逆序，同时丢包次数较少时采用 超时重传机制，但是若多次超时重传仍然丢包时，则将一个请求大数据块的Interest 分成若干个请求小数据块的Interest，从减小数据块大小的角度，解决丢包过多时 的问题，保证在线迁移的稳定性、数据传输的可靠性。

4)提出评价本发明虚拟机在线迁移方法性能的方法，在虚拟机中运行以与位 置无关的名字为前缀的应用，其中与位置无关的名字具有很好的通用性，从不同的 测试端均可以访问到虚拟机的该应用，便于通过访问该应用验证虚拟机迁移的在线 性，同时使用NDN的ping程序测量虚拟机的停机时间，可以用于在实验中进行对 比实验验证等，在实验室理想环境和真实网络环境下对NDN与TCP/IP下的虚拟 机在线迁移的性能比较，可以证实TCP/IP下无法内在地支持虚拟机的在线迁移， 但是NDN可以内在的支持虚拟机的在线迁移。同时，NDN的total time小于TCP/IP 的total time，表明NDN下的迁移程序就丢包、延迟、逆序等方面的处理上性能要 好于TCP/IP。

5)采用本发明方法在局域网和广域网中都可以实现虚拟机的在线迁移，适用 范围广，使虚拟机上的应用在虚拟机迁移的过程中保持不断，实现虚拟机的无缝迁 移，并通过动态自适应机制保证迁移完成之后网络畅通。

附图说明

图1为本发明双向管道的通信模型示意图；

图2为理想环境下的虚拟机在线迁移实验测试床示意图；

图3为真实环境下的虚拟机在线迁移实验测试床示意图。

图中：HOST_A为源宿主主机，HOST_B为目的宿主主机，HOST_VM为待 迁移的虚拟机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术 方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。

一种在NDN下基于双向管道方式实现虚拟机在线迁移的方法包括以下步骤：

(1)NDN中名字空间设计步骤：构建NDN进行数据迁移，NDN中数据包 分为Interest和Data，而NDN中名字是独立于NDN转发程序(NFD)但却相当重 要的组成部分，因此虚拟机在线迁移过程中，定义用于命名数据包的三个名字空间：

第一名字空间，用于标识迁移过程中的数据包；

第二名字空间，用于标识迁移结束的最后一个数据包；

第三名字空间，数据迁移过程中因数据包过大而丢包时，将该数据包分成若 干个后，用第三名字空间进行标识；具体每个名字空间中组件的设置如下：

第一名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data/sequence， 其中，/ndn为NDN中名字空间所共有的root组件，/location表示数据发送方所在 的设备或者网关的名字，/vm表明该名字属于与虚拟机相关的名字，/migration表 明该名字是迁移应用所使用的名字，/live表明该名字是在线迁移，/version表明该 在线迁移名字空间的版本号，/data表明该名字是标识迁移数据的名字，/sequence 表明迁移数据的序号，用于唯一标识不同的虚拟机在线迁移的数据块。

第二名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data/end/last，其 中，/end表明迁移数据已经结束，/last标识迁移数据块的最后一个序号，且sequence 的数值不大于last的数值。

第三名字空间的格式为/ndn/location/vm/migration/live/version/data/sequence /frag/nums/seq，其中，/frag表明该名字是一个分包的名字，/nums的组件表明一个数据 包被分成了几个，/seq表明该名字分包的序号。

(2)双向管道通信步骤：数据请求方(consumer)和数据发送方(producer) 之间通过双向管道通信数据包，双向管道通信是指：数据请求方以管道的方式连续 向数据发送方发送Interest，数据发送方接收后产生对应的Data，并以管道的方式 连续向数据请求方发送Data，数据请求方接收到返回的Data后产生新的Interest， 在双向管道通信时，数据迁移过程中的数据包以第一名字空间进行命名，当以第二 名字空间命名的数据包传输结束后，数据迁移结束。

双向管道通信数据包包括两个阶段：启动阶段和稳定阶段；

启动阶段：数据请求方初始发送2N个Interest，数据发送方产生并返回N个 data；

稳定阶段：数据请求方接收一个Data同时产生一个新的Interest，当且仅当 Consumer不断地发送Interest，producer不断地产生Data，虚拟机在线迁移才能以 一个较快的速度进行传输。

迁移开始后由启动阶段后进入稳定阶段，稳定阶段时，Data和Interest的传输 构成两条相反的管道，形成一个数据流环，则这种双向的管道模型使得迁移数据能 够不断地从producer发送到consumer。其中，N＝BD/L，N为网络中正在传输的 Data的最大个数，B是网络带宽，D是网络延迟，L是Data的长度。双向管道的 通信模型如图1所示，虚线表示当前正在进行的步骤，实线表示已完成的步骤，可 分为以下步骤：

步骤S1：consumer初始发送2N个Interest；

步骤S2：producer接收Interest后连续产生x个Data，x<N；

步骤S3：producer产生并返回N个Data，consumer接收Data并产生新的Interest；

步骤S4：重复步骤S2、S3，由启动阶段过渡到稳定阶段，consumer接收一个 Data同时产生一个新的Interest，X表示producer当前处理结束的Data的序号。

双向管道通信步骤包括逆序和丢包处理，逆序的处理为在数据请求方和数据 发送方分别设置一个用于保存因逆序提前到达或者提前产生的Data的缓存区。具 体为：数据请求方中设置第一Data缓冲区，用于保存因逆序而提前到达的Data， 数据发送方中设置第二Data缓冲区，用于保存因逆序而提前产生的Data，数据请 求方将收到的正确序号的Data连同其后缓存的提前到达的Data同时写入到虚拟机。

丢包的处理为采用超时重传机制来重新获取Data，当超时Q次后，采用分包 的方式将Interest分成若干个小数据块的Interest来请求该Data，则对应Data会相 应的被分成若干个小数据块的Data进行返回，分包后的数据包以第三名字空间命 名，Q为超时次数阈值。

缓冲区中缓存数组的长度Len由网络中正在传输的Data的最大个数N、超时 次数阈值Q、超时时间T(超时重传机制的预设值)以及网络延迟D决定。极限 情况下，当序号为X的Data一直没有收到，但是序号X之后的Data总是能够收 到，此时必须等待超时Q次之后，X对应的Data被分成若干个小的Data进行传输， consumer才能够取回Data。因此，Len必须大于，即。

(3)性能测试步骤：NDN使用名字作为标识符，与位置无关，因此，当虚 拟机迁移到新的位置的时候，使用以与位置无关的名字为前缀可以保证迁移结束后 通信可以自然地恢复。在虚拟机中运行以与位置无关的名字为前缀(例如采用广播 名字前缀作为一种通用的名字前缀)的应用，通过访问该应用验证虚拟机迁移的在 线性，同时使用NDN的ping程序每隔Pms发送Interest向虚拟机请求Data响应， 根据停机过程中ping程序中丢包数M，获得虚拟机在线迁移的停机时间，停机时 间的数值范围为[(M-1)×P，(M+1)×P]ms，误差范围为±Pms，其中，P≥300，实验 测试中，分别对P＝200ms、250ms、300ms的三种情况进行测试，发现P＝200ms、 250ms时，因发包速率太快而不能测出M，而P＝300ms时，测出的M能够较准确 地反应丢包情况，一般情况下P越小越好，但是考虑到实际测试结果，所以P可 选取大于等于300，同时P＝300ms时为最优选择。

本发明实验分成两个部分：理想环境(局域网)下的虚拟机在线迁移和真实网 络环境(广域网)下的虚拟机在线迁移，图2为理想环境下的虚拟机在线迁移实验 测试床，图3为真实环境下的虚拟机在线迁移实验测试床。

第一部分理想环境的具体实施过程如下所示：

步骤一：运行源宿主主机HOST_A和目的宿主主机HOST_B的NDN转发例 程NFD。具体命令为:nfd-start。在HOST_B注册FIB表项，具体命令为：nfdc register /ndn/cn/edu/tongji/vm udp4://10.0.2.1；

步骤二：在源宿主主机HOST_A上启动虚拟机HOST_VM，启动参数为：-m 640 -smp 1-drive file＝/var/lib/libvirt/images/ubuntu.img,if＝virtio,format＝raw-net  nic,vlan＝0,macaddr＝52:54:00:6d:82:f9-net tap,vlan＝0,ifname＝tap0,script＝no，其中， /var/lib/libvirt/images/ubuntu.img的大小是4G；

步骤三：在HOST_VM中启动虚拟机中的响应回显请求的服务ndnpingserver， 具体命令为：ndnpingserver/ndn/broadcast/tongji/hostVM。在HOST_A上启动NDN 的ping客户端，具体命令为：ndnping–i 300/ndn/broadcast/tongji/hostVM。

步骤四：在目的主机HOST_B上启动虚拟机HOST_VM在线迁移的接收进程， 启动方式为在步骤二中源宿主主机HOST_A启动虚拟机的启动参数后增加 QEMU-KVM的exec方式接收迁移数据的进程：-incoming testconsumer，其中 testconsumer为迁移数据接收进程。

步骤五：在源宿主主机HOST_A的QEMU的控制窗口中输入迁移的启动命令， 命令为：migrate–b exec:testproducer，其中参数表明迁移方式为块迁移， testproducer为迁移数据发送进程名。

步骤六：迁移结束之后，查看源宿主主机HOST_A的用于性能测试的Ping客 户端是否仍然可以继续运行，并且查看在停机过程中接收到的响应包和发送的请求 包的时间差。

第二部分真实环境的具体实施过程除了步骤一与上述理想环境不同，其余步骤 都相同，真实环境中以同济大学(Tongji University)与美国韦恩州立大学(Wayne  State University，WSU)之间虚拟机在线迁移为例，真实环境的具体实施过程的步 骤一如下：

步骤一：运行源宿主主机HOST_A和目的宿主主机HOST_B的NDN转发例 程NFD。具体命令为:nfd-start。在HOST_A注册FIB表项，具体命令为：nfdc register /ndn udp4://10.0.2.2。在HOST_B注册FIB表项，具体命令为：nfdc register/ndn  udp4://192.168.0.1。在Tongji testbed node上注册FIB表项，具体命令为：nfdc register /ndn/cn/edu/tongji/vm/migration udp4://10.0.2.1。在WSU gateway上注册FIB表项， 具体命令为：nfdc register/ndn/cn/edu/tongji udp4://202.120.188.176。

同时对在实验室理想环境和真实网络环境下(与上述本发明方法的实验环境相 同)TCP/IP下的虚拟机在线迁移的性能进行测试，其中实验室理想环境TCP/IP下 的虚拟机在线迁移采用UDP通信技术，真实网络环境TCP/IP下的虚拟机在线迁移 采用TCP通信技术，最后得到理想环境下和真实环境下NDN与TCP/IP下的虚拟 机在线迁移的总时间Total time和停机时间Downtime数值对比表格，如表1、表2。 表1理想环境下NDN与TCP/IP下的虚拟机在线迁移的Total time和Downtime

网络架构 Total time Downtime NDN 6min34sec 0.9sec

TCP/IP 6min24sec 0.9sec

表2真实环境下NDN与TCP/IP下的虚拟机在线迁移的Total time和Downtime

网络架构 Total time Downtime NDN 7min21sec 1.5sec TCP/IP 10min10sec NP

注：NP表示无测量结果。

表1可以发现，NDN下的虚拟机在线迁移的总时间接近于TCP/IP下的迁移的 总时间，两者停机时间相同。表2可以发现，在TCP/IP下无法内在地支持虚拟机 的在线迁移，但是NDN可以内在地支持虚拟机的在线迁移。同时，NDN的total time 小于TCP/IP的total time。通过实验表明NDN下的迁移程序就丢包、延迟、逆序 等方面的处理上性能要好于TCP/IP。综上，本发明完成了在未来网络架构NDN下 的虚拟机在线迁移及其性能的测量，并通过对比实验验证了本发明的可行性和优点， 是面向数据网络中在线迁移的一次重要探索。