基于Service Chain的数据中心网络资源调度问题研究

As the fundamental infrastructure for efficient large scale data computing and services, efficient resource schedule for Data Center Networks (DCN) is critical to the success of applications, e.g., cloud computing, big data. Meanwhile, service chains (or policies), consisting a sequence of Network Functions (NFs) in order, play important roles in improving performance and security in multi-tenant cloud datacenters. However, current works usually take the management of Virtual Machines (VMs) and NFs as two independend problems, ignoring the coupling between them. In this project, we first investigate the synergistic effect between VMs and NFs (or service chain) management. Particularly, we also study the heterogeneous of NFs, and intend to apply stable matching theory to the scheduling of both VMs and NFs of service chains in data center networks. Finally, we'll develop the prototype system of small scale data centers to evaluate and justify the methods proposed. The research results will have important directive to the research of scheduling problem in data centers.

数据中心网络作为云计算、大数据等应用的关键支撑平台和基础设施，对其有效地资源调度至关重要，特别是在多租户的云计算环境下，资源虚拟化、网络功能（Network Functions）及Service Chain等对资源调度的综合影响不容忽视。但是，目前大部分研究工作中，都将对虚拟机资源和网络功能的调度当作两个独立的问题在研究。本项目中，我们深入研究虚拟机资源和异构的网络功能之间的耦合关系，首次提出了它们之间存在的协同效应（Synergistic Effect），并且分析和研究了数据中心网络中网络功能的异构性（包括硬件Middlebox及NFV虚拟化实现等）影响；结合Service Chain的多样化需求，利用稳定匹配等理论，研究它们之间的协同资源调度问题，来有效地提高数据中心网络的性能，进而提高云计算等应用的效率。最后，将开发实际原型系统，搭建小型数据中心实验平台，对算法进行测试和评估。

在实际网络（如数据中心网络）中，有效可靠的服务依赖于各种网络功能的实现，例如Firewalls、IPS/IDS、NAT等等。不同的网络功能按一定顺序对用户数据包执行处理，构成用户策略（即Service Chain），其对网络安全保障、性能提升等方面起着至关重要的作用。本项目重点围绕异构网络功能和Service Chain相关的资源调度与优化问题展开研究，并进一步针对Service Chain网络传输和异构网络功能优化等进行了研究。主要包括以下几个方面：.(1) 基于策略感知的资源调度和优化问题的研究：Service Chain对网络中的资源（如虚拟机、网络功能等）的管理和调度具有重要的影响。通过应用Open Jackson Network模型，项目组对网络功能位置因素进行建模分析，设计了Service Chain资源调度的优化方案。针对多区域网络之间的协同问题，提出了Federated Service Chain的架构，涵盖了网络功能和虚拟机/容器等的迁移、保证用户服务的SLA等。.(2) 面向异构网络功能和Re-ordering的优化研究：针对虚拟化计算资源和网络功能间的协同效应，项目组首先分析了网络功能在实际部署时所呈现的异构特性，在充分考虑网络功能与虚拟化计算资源（如虚拟机或容器等）之间的紧密耦合性基础上，提出了基于异构网络功能的协同资源调度方案，并且采用Re-ordering等方法进一步优化。.(3) 面向网络功能和Service Chain网络传输优化研究：网络功能之间需要满足Service Chain的网络传输的约束。项目组提出了基于SDN的Service Chain的网络性能测量方案，并且研究了面向IP分片的Service Chain优化方法和面向TCP的网络传输协议优化方法。.(4) 异构网络功能的设计与优化研究：项目组进一步针对网络功能的异构性的实现和优化进行了研究，重点针对基于P4交换机（可编程数据平面）的网络功能硬件实现和基于NFV的网络功能等进行了优化设计。..在项目执行期间，在国内外核心国际期刊及国际会议共发表学术论文16篇，其中SCI 检索论文10篇，如IEEE TPDS（CCF 推荐A类期刊）、Computer Networks、IEEE TNSM等等；申请国家发明专利2项；完成著作1部；参与国内标准制定1项；培养硕士生6人。