基于FMC 的移動云計算管理系統可伸縮性

基于FMC 的移動云計算管理系統可伸縮性

毛宏云 陳友福 江西應用技術職業學院 江西贛州 341000 

董海燕 河源職業技術學院 廣東河源 517000 

【文章摘要】 

本文分析了基于FMC 系統的可伸縮特性，提出了基于分布式可擴展系統控制面板功能的分離策略。并用一系列的模擬實驗證明，應用此分離策略能夠有效降低個人開放流控制器的保有量，還能提高網絡通訊定位的效率。

【關鍵詞】

移動云計算；可伸縮性；開放流；網絡管理；分離策略

0 引言

當今社會，人們正通過各種各樣的移動終端，如筆記本電腦、平板電腦、智能手機，隨時隨地地接入互聯網絡獲得所需的服務。事實上，這種靈活又經濟有效的服務方式，完全依賴于云計算技術的快速發展。

為更好的實現對移動用戶群的服務， 本文提出了一種FMC（Follow-Me Cloud） 技術，該技術可克服當前TCP/IP 架構的移動性限制，并能支持新型移動互聯云計算應用程序。

1 FMC 的可伸縮性

FMC 使用開放流（Open Flow）來提供透明的標識符/ 定位符分割，并引入一些開放流規則來支持數據包重新定向到移動節點的新位置。這個過程，無需修改傳統的IP 路由設置。當移動發生時，一些硬件將參與到網絡控制平臺的通信中。特別是，FMC 控制器需要協調它們的活動，并且各種開放流交換器也需要升級轉發規則。

在本節中，我們的目標是評估FMC 的可伸縮性，并從數量的角度管理開放流規則。我們看到存在的兩個主要問題：第1，有多少規則需要安裝在特定的開放流交換器中；第2，FMC 控制器必須管理多少規則。我們定義前者為數據平面的可伸縮性問題；定義后者為控制平面的可伸縮性問題。當開放流交換器卷入許多IP 地址的移動時，數據平面的可伸縮性會影響FMC 的能力。例如，大量的規則將被安裝。可一個開放流交換器的能力是有限的，它只能夠支持一定數量的規則。這也意味著，從FMC 角度來看 ，能夠提供網絡服務的并發數是受限制的。毫無疑問，這是非常重要的問題，并值得我們去研究。

我們假設，FMC 是可以被用作一個謹慎分區解決的網絡，即由某個開關來控制網絡的負荷。那么，很顯然，憑借這個數據中心的方案，我們可以添加更多的網絡設備來解決問題。換言之，我們可以增加控制平臺上的工作負載來解決問題。事實上，控制平臺的可伸縮性，與由FMC 控制管理的設備數量和開放流規則總數有關。設備的數量嚴格依賴與網絡維度，并由FMC 控制器集中式的管理分區。此外， 我們假設，這個控制器知道，提前建立開放流交換器規則是必須的。這樣我們就能夠評估那些需要重新定向進行數據包轉發的數量，而無須考慮具體實現的相關規則。

2 分布式控制器

控制平臺的可伸縮性是FMC 應用在大規模網絡上的關鍵要求。也是本節討論的重點。我們的目標是構建一個實際的FMC 分布式控制器，以使得FMC 平穩地運行于諸多FMC 控制器中。構建一個分布式控制器既提升平臺的可伸縮性，還可提高反應的靈活性，并具有分布式特征， 以使FMC 功能跨越網絡邊界。

分布式控制器設計遵循原則是，分配內容到真正需要的地方去。在我們的例子中，特定控制器所需的信息是標識符/ 定位符映射為一個給定的網絡實體。而控制器需要了解這種映射就是對異地交換機、本地交換機和通信交換機的控制。為了管理這些信息并分發它到控制器中。

關于轉移的節點，在FMC 控制器中， 我們需要識別三種不同角色，包括：本地控制器、控制標識符的地址、異地控制器控制網絡到定位器所屬地址；通信控制器控制一個或多個通信交換機。足夠靈活的架構能夠使得一個控制器扮演一個、兩個或所有同一時間轉移節點的角色。如，相同的控制器可以負責管理多個網絡。為了解決實際網絡負載，也可以使用擴展的方法，增加接入的網絡數量，從而減少訪問每個網絡節點的數量。然后，每個控制器被指定管理更多接入的網絡，以達到共同承擔負載的目的。

本地控制器負責管理本地位置的映射信息。由于移動節點的標識符地址屬于被本地控制器管理著的網絡。因此，移動節點的任何轉移，都被本地控制器管理控制，并將其映射信息保存在本地控制器的“權威”庫中。當移動節點轉移到異地控制器，本地控制器會注意到這個轉移動作， 并告知異地控制器關于移動節點正在轉移到其某個自身管理的網絡這個事實。因為異地控制器負責管理定位器所在網絡，我們把為移動節點生成定位器地址的責任指定給異地控制器去完成。一旦定位器被定義，它被發送回本地控制器，以便FMC 通信交換機有完整的標識符/ 定位符信息映射執行所需的配置。到目前為止，僅僅本地控制器和異地控制器被指定構造為具有支持轉移的功能。因為一些需要連接到數據中心的端點正在努力建議與移動節點通信，最終，通信控制器也將需要標識符/ 定位符的映射信息。

以上我們介紹了，本地控制器和異地控制器的工作過程，同時也是本地交換機和異地交換機的工作過程，因為他們既是轉移的來源，也是轉移的目標。任何時候， 雖然我們無法預料誰要開啟下一個通信， 任意一個實體都可以加入與移動節點的通信過程中。這與我們在第四部分所做的不同。為了應對這個問題，我們構建了反應性方法：一旦與通信節點建立了新的通信，相關的通信控制器將被合理地更新。這里，我們必須區別兩種情況：第1，從通信節點開始交流；第2，從轉移節點啟動通信。

第一種情況，當通信節點向移動節點發送一個數據包，它總是使用標識符地址064 

軟件開發

Software Development 

電子制作

作為數據包的目的地。因為通信交換機不知道更新的標識符/ 定位符映射信息，它不執行重寫數據包。因此，轉發沿著路線到移動節點的本地位置后，一旦數據到達本地交換機，將被攔截，并被發送一個消息去更新在通信控制器上的標識符/ 定位符映射。然后轉發的數據包被三角路由替換成本地標識符。

圖1 顯示了本地控制器和通信控制器的交互細節。必須指出，通信控制器更新后的標識符/ 定位符映射信息有必要被存儲下來。考慮到隨后的轉移將觸發所有已存儲在通信控制器里的映射信息，通信控制器更新后標識符/ 定位符映射信息非常有必要存儲下來。否則，通信節點生成的數據包將繼續指向舊的移動節點位置。

第二種情況，當移動節點開始與通信節點通信，我們需要考慮異地交換機早已應用了標識符/ 定位符映射信息。因為，從另一方面來看，通信交換機并不知道標識符/ 定位符映射，數據包將使用定位器的源地址送達通信節點，然后，通信節點將使用定位器地址與轉移節點通話。如果沒有更多的轉移發生，則移動節點這種行為沒有問題，但是如果新的移動發生，接著定位開始變化，從而與通信節點的通信將會中斷。考慮到這個問題，我們應該確保任何實體總是使用標識符作為目的地址。又考慮到上述提到的屬性，異地控制器必須攔截任何發自轉移節點并指向控制節點的數據包，因此這些數據包的網絡FMC 控制器仍未完成移動節點的標識符/ 定位符映射更新。

這樣，異地控制器就能發送升級后的標識符/ 定位符映射信息到信控制器。值得注意的是，盡管移動節點仍然位于其管理區域，異地控制器不會告知本地控制器，通信控制器已經升級。相反，當新的移動節點轉移發生時，異地控制器會把新的通信控制器更新列表發回給本地控制器。當移動節點轉移回到本地節點，或到一個新網絡，那么，在不同移動節點控制器的所有標識符/ 定位符分布的映射信息將不再有效。至于其他任何移動節點轉移， 當本地控制器被告知移動節點正在轉移， 本地控制器會將移動節點的位置變化更新給“舊”的異地控制器。在這種交互過程中，異地控制器發送本地的通信控制器更新列表給本地控制器。然后，本地控制器就會更新之前升級的標識符/ 定位符映射信息。

3 評價

分布式架構使得規則安裝的處理過程更好更快了。即使相關FMC 的規則仍然需要面對由于控制器之間的協作所導致的一些網絡延遲。主要操作仍然在本地由特意放置在其所控制網絡附近的控制器來執行。假設一個場景，在該場景中，被管理的網路是分開的。并且，進一步假設單一的集中式控制器放在異地交換機附近，這樣就可以用來交換所需要的大部分規則安裝信息。這種布置會使控制器與本地交換器集群/ 異地交換器集群之間的信息交換過程歷經較高的延遲。在分布式架構里，相反，只有inter-FMC 控制器的信息會出現高延遲。對于一些有“長途”需求的信息可以在本地節點、異地節點和一些通信節點里增加一些線性節點。

4 結論和展望

FMC 技術支持操作的分布式架構是以早期評估的可伸縮性開放流為原型。目前已經成功的實驗將為進一步研究提供堅實的發展基礎。特別是，已經實現了用于判定何時何地轉移服務以滿足需求的判定邏輯。除了支持移動用戶的原始案例，事實證明，FMC 技術還在從多領域具有適用性，如解決通信服務轉移和核心移動轉移網絡組件等普遍問題。

【參考文獻】

[1]Openflow-http://www.Openflow.org/. 

[2]Lantz,B.,Heller,B.,and McKeown, N.A network in a laptop:rapid prototyping for software-defined networks.In Proceedings of the Ninth ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks (New York,NY,USA,2010),Hotnets ’10,ACM,PP19:1–19:6. 

[3]Manetti,V.,Canonico,R.,Ventre, G.,and Stavrakakis,I.System-level virtualization and mobile ip to support service mobility.In Proceedings of the 2009 International Conference on Parallel Processing Workshops,ICPPW’09 (2009), pp.243–248. 

【作者簡介】

毛宏云(1978-)，女，江西南昌人，江西應用技術職業學院，講師，碩士研究生，主要從事計算機科學與技術、教育技術、信息化教育研究。

陳友福（1977-），男，江西贛州人，江西應用技術職業學院從事計算機課程教學，軟件工程碩士。

董海燕（1984-），女，江西撫州人，河源職業技術學院，講師，碩士研究生，主要從事計算機科學與技術、網頁設計與開發、新媒體技術應用。