Vebula云平台网络管理系统的自动化QoS
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【摘要】主要介绍广州杰赛科技股份有限公司自主研发的vebula云平台网络管理模块（VNS）自动化QoS的相关技术与架构。此外，还对比了传统网络管理方式与云平台网络管理模式的差异，并总结云网络管理的优势与不足。
【关键词】Vebula SDN VNS OpenFlow QoS
1 概述
在传统物理设备管理网络流量的情况下，通常是利用管理型交换机的管理模块对主机的流量进行管理。而在云计算时代，由于云平台的出现，使主机的管理自动化、集中化。使用现有的物理设备管理网络并非是最好的方案，因为需要运维人员到达现场连接到设备上进行配置管理的情况越来越少。因此，通过云平台的集中化、自动化管理网络宽带流量是云平台的一大特色。
传统的网络模式中，应用的宽带管理一直都是交由管理型交换机管理的，管理流程[1]如图1所示。它是一种被动的、多样化的管理方式。
（1）网络管理员在管理型交换机上设置应用的QoS（Quality of Service）规则；
（2）交换机对对应的应用作出QoS限制。
Vebula云平台的网络模式与传统的网络模式不同。Vebula云平台网络管理模块在OpenFlow[2]的基础上构建了适应Vebula平台的网络管理模块，使Vebula云平台的网络管理达到自动化集中管理的目的，这就是VNS被创建的原因。
云平台的网络管理模式，应用宽带管理是通过云平台自动管理的，网络管理员只需要通过设置相应的策略，云平台就会对应用生成对应的规则。Vebula管理流程如图2所示，是一种主动的、统一化的管方式。
（1）云管理员在云控制器上设置动态QoS策略；
（2）云平台动态地为各个应用生成并设置QoS规则。
Vebula云平台是通过三层架构（见图3）来支撑起整个云平台的，包括云控制台、集群管理模块和节点管理模块，网络资源的管理是交由集群管理模块完成。由于应用服务部署在节点管理模块的实例（虚拟机）上，而流量是通过集群控制器流到云外网络中去，因此集群控制器就像一个核心交换机，可以通过云平台的网络管理API对网络流量作出限制，也可以通过编写程序来调用API达到动态自动化管理的目的。
OpenFlow是第一个为SDN（Software Defined Networking，软件定义网络）设计开放标准协议，协议是基于原有的TCP/IP协议实现的[3]，提供高性能并支持跨多个厂商的网络设备，让除了企业级与运营商级的用户拥有前所未有的可编程性、可扩展性，使网络具有高度灵活性以及能够适应不断变化的业务需求的协议。
由于目前的OpenFlow组件并不能很好地适应VNS，因此必须实现新的模块组件，并通过测试效果来反映自动化QoS对应用服务的影响。
通过OpenFlow设备实现一个QoS组件的目的是为了增强网络带宽预留、缓存控制与网络流量监控等功能。
为了在OpenFlow设备上解决自动化QoS的问题，本文构建了一个基于VNS模块的框架，使QoS管理在对应的OpenFlow环境中完成。VNS中添加了QoS相关的函数与允许通过可编程的方式来扩建QoS的规则和策略。这些函数在SDN的基础架构上允许管理QoS资源（如宽带、队列与延时等），也就是说，所有的这些管理手段都是通过OpenFlow控制器来动态管理的，这样可以达到无人工干预与实时调控的目的。
2 VNS的架构
VNS的架构是模块化的、可扩展的，基本由两部分组成：VNS控制模块与VNS模块，如图4所示：
2.1 VNS控制模块
VNS控制模块是基于Nox（最常用的OpenFlow网络操作系统）[4-5]。Nox不仅仅是一个OpenFlow的控制器，还兼顾着远程调用服务的API接口层。VNS的网络监控也可以通过Nox实现的OpenFlow协议来达到监控的目的。Nox负责管理与监控Agent的行为及分发不同的信息到OpenFlow交换机上。
VNS的控制模块是由VNS控制器、VNS管理、VNS网络监控与VNS数据库客户端等部分组成。
VNS控制器是基于Nox之上的提供管理功能的组件。管理软件与控制器之间的沟通是通过JSON格式的接口来实现调用。控制器承担接受策略、管理命令、监控命令等第三方的应用。
VNS管理与VNS网络监控组件是基于OpenFlow协议的，两者都是运行在VNS控制器之上。VNS控制器上会运行不同组件，而这些组件会有各自的功能，如管理组件与网络监控组件等。网络管理员通过第三方的管理平台发送对应的宽带限制或分流命令到达VNS控制模块，再由VNS控制器集中调度发送到每个VNS上，来实现网络管理员想达到的目的。
此外，VNS数据库客户端支持VNS管理模块与VNS网络监控模块的一些数据持久化功能，能够对对应操作的数据库表做增删改查，并可注册新的资源到VNS网络系统中。
2.2 VNS模块
VNS模块（全称为VNS网络节点模块）是负责控制模块发送的消息接受与处理，并且真正实施QoS管理规则与策略的实体。该模块实为OpenFlow交换节点，因为OpenFlow的架构就是通过控制器对每个交换节点发送控制或管理命令来实现对应的操作。
该节点会对所有符合规则的数据包实行不同的行为，行为则是由网络管理员通过第三方管理平台决定的。同理，自动化QoS管理功能也是通过VNS模块最终实行到每个网络节点上。
当达到网络管理员设置的规则后，VNS控制器会自动发送对应的命令到对应的VNS上，实行自动化的QoS控制。待节点接受到对应的配置命令以后，就会对符合规则的数据包实施响应的行为（丢弃或转发等）。
VNS能够通过QoS达到以下目的：
（1）通过一个已知的速率限制总带宽；
（2）限制部分用户、服务或客户端的带宽；
（3）释放部分用户与服务的带宽限制；
（4）允许均匀分布地使用未保留带宽。
3 总结与展望
VNS是基于OpenFlow设备上的一个管理系统，它既避免了网络管理员人为干预网络宽带的限制，也降低了管理人员额外学习不同物理设备的成本，只要通过Vebula云平台对云主机的网络情况做一个统一的配置，待配置了对应的规则后，VNS会自动化地将能够利用的资源动态分配。管理员不必再学习繁杂的底层管理命令，而只需通过第三方的管理平台来进行可视化的操作，以达到管理网络、减少维护成本等目的。
参考文献：
[1] 杭州华三通信技术有限公司. qos配置[EB/OL]. http：//.cn/Service/Document_Center.
[2] OpenFlow Switch Specification[EB/OL]. [2011-02-28]. http：///documents/openflow-spec-v1.1.0.pdf.
[3] W Richard Stevens. TCP/IP详解 卷1：协议[M]. 范建华，等译. 北京： 机械工业出版社， 2000.
[4] Nox Wiki[EB/OL]. [2011-02-28]. http：///noxwiki/index.php/Main_Page.
[5] Gude N， Pfaff B， Koponen T， et al. Mckeown. NOX： Towards an Operating System for Networks[A]. ACM SIGCOMM Computer Communications Review[C]. 2008： 105-110.