吳偉楠，陳 鳴，鄧 理

(南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)技術(shù)使得部署、管理和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更為經(jīng)濟(jì)與靈活[1]。管理與編排(management and orchestration，MANO)是NFV系統(tǒng)管理計(jì)算節(jié)點(diǎn)、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等資源的重要功能。而高質(zhì)量的MANO決策，依賴及時(shí)有效地獲取硬件服務(wù)器、虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(virtualized network function，VNF)實(shí)例等NFV對象的狀態(tài)信息并加以分析、處理和利用[2-4]。

盡管目前的NFV監(jiān)視系統(tǒng)能滿足部分NFV應(yīng)用的信息獲取需求，但隨著網(wǎng)絡(luò)流量和用戶量以驚人的速度增長，虛擬化網(wǎng)絡(luò)規(guī)模正不斷擴(kuò)大，NFV對象的數(shù)量與類型急劇增多[5]。由此，NFV監(jiān)視系統(tǒng)面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第一，NFV對象由于業(yè)務(wù)需求、性能瓶頸等因素，生命周期、部署位置和配置參數(shù)頻繁變動[6-7]，導(dǎo)致NFV應(yīng)用的信息獲取需求變化快、動態(tài)性強(qiáng)，NFV監(jiān)視系統(tǒng)難以滿足不同NFV應(yīng)用的個(gè)性化信息獲取需求，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備很少會移動和更改其生命周期。第二，目前存在很多監(jiān)視NFV對象的技術(shù)與方法，但這些方法的功能與性能各有千秋，導(dǎo)致NFV監(jiān)視系統(tǒng)功能復(fù)雜，無法確定哪種方法更適合。相比之下，監(jiān)視管理傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已有統(tǒng)一且成熟的方法[8-9]。第三，NFV縮短了新技術(shù)的引入周期。每當(dāng)研發(fā)出一種新型VNF應(yīng)用，就需要更新監(jiān)視系統(tǒng)程序以支持獲取與監(jiān)視該VNF應(yīng)用的狀態(tài)信息，開發(fā)與維護(hù)成本高。因此，研究如何根據(jù)信息獲取需求而靈活、高效地獲取各種NFV對象狀態(tài)信息并且能敏捷地能夠擴(kuò)展系統(tǒng)監(jiān)視能力，是促進(jìn)NFV技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)重要工作。

針對第一個(gè)挑戰(zhàn)，該文將NFV對象劃分為3類，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)化描述符用于定義靈活多變的信息獲取需求。針對第二個(gè)挑戰(zhàn)，提出了一種信息獲取需求與獲取技術(shù)解耦(information requirements decoupling from acquisition，IRDA)機(jī)制，該機(jī)制通過解析需求描述符即可獲取狀態(tài)信息。需求方可專注于描述需求而不用學(xué)習(xí)各種監(jiān)視技術(shù)和方法。針對第三個(gè)挑戰(zhàn)，提出了一種監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制，無需修改程序便可擴(kuò)展IRDA系統(tǒng)的監(jiān)視能力。

1 相關(guān)工作

一些著名的NFV MANO項(xiàng)目已提出相應(yīng)的解決方案。2014年ETSI組織發(fā)布的NFV標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[10]通過散布的參考點(diǎn)共享組件間的狀態(tài)數(shù)據(jù)，但存在監(jiān)控管理碎片化問題。OpenBaton項(xiàng)目[11]提出插件機(jī)制，利用成熟的監(jiān)控系統(tǒng)獲取狀態(tài)信息，消除了碎片化問題，但需要為每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)編寫專有的監(jiān)控插件。ONAP項(xiàng)目提出閉環(huán)自動化模式[12]，通過DCAE模塊采集NFV環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)、消息分發(fā)給分析應(yīng)用。T-NOVA項(xiàng)目則提出一種集成監(jiān)控框架[13]，引入獨(dú)立的監(jiān)視組件，通過OpenStack和OpenDaylight提供的API監(jiān)視、收集、合并VNF實(shí)例和基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳達(dá)給編排器。該監(jiān)控框架足夠簡單且具有一定擴(kuò)展性，但擴(kuò)展監(jiān)視能力需要由開發(fā)人員編程完成。Kim等人[14]基于NFV監(jiān)視架構(gòu)，提出一種實(shí)用測量框架，能主動測量虛擬網(wǎng)絡(luò)性能且具有較好的移植性。Naik等人[15]提出了一種可定制的NFV性能監(jiān)視和瓶頸檢測工具NFVPerf，準(zhǔn)確性高且系統(tǒng)開銷較小。

OpenStack的Ceilometer[16]項(xiàng)目能有效地收集物理和虛擬資源的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，既能存儲數(shù)據(jù)以供未來分析，也能實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給OpenStack的核心組件使用。隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶量的擴(kuò)大，虛擬資源的監(jiān)視需求是巨大、多樣且高度復(fù)雜的。Monasca項(xiàng)目[17]提供了一種面向多租戶、高度可擴(kuò)展、高性能和容錯(cuò)的監(jiān)視即服務(wù)(monitoring-as-a-service)解決方案。Monasca采用微服務(wù)架構(gòu)，可以根據(jù)運(yùn)營商/客戶的需求部署相應(yīng)的監(jiān)控服務(wù)，但系統(tǒng)復(fù)雜度和資源開銷也大幅度上升。

降低NFV監(jiān)控系統(tǒng)的資源開銷也是研究熱點(diǎn)之一。江逸茗等人[18]設(shè)計(jì)了一種基于監(jiān)控代理的資源監(jiān)控策略，意在最大化降低監(jiān)控系統(tǒng)的通信開銷。劉玄[19]利用動態(tài)資源分配算法優(yōu)化了監(jiān)控代理部署的策略，在降低通信開銷方面有較好的表現(xiàn)。

綜上所述，目前主要通過開發(fā)一個(gè)融合多種監(jiān)視技術(shù)的監(jiān)視系統(tǒng)來獲取不同NFV對象的狀態(tài)信息，并盡可能地降低系統(tǒng)開銷。此外，需要重新編程才能擴(kuò)展系統(tǒng)的監(jiān)視能力。

2 描述信息獲取需求的結(jié)構(gòu)化方法

為解決上述問題，該文提出一種信息獲取需求與獲取技術(shù)解耦(IRDA)機(jī)制。該機(jī)制的基本思路是將信息獲取需求與獲取該信息的監(jiān)視技術(shù)解耦，需求方專注于描述需求而不用學(xué)習(xí)各種監(jiān)視技術(shù)和軟件的使用方法。本節(jié)討論如何清晰地描述需求方的信息獲取需求。

2.1 相關(guān)術(shù)語

定義1：NFV環(huán)境中的資源實(shí)體定義為NFV對象。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法與功能的不同，將NFV對象分為三類。第一類是支撐NFV系統(tǒng)以及虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的通用硬件服務(wù)器對象SerObject。第二類是在通用服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)對象VMObject。第三類是部署在虛擬機(jī)上的VNF應(yīng)用實(shí)例對象VNFObject。

定義2：描述信息獲取需求的結(jié)構(gòu)化描述符稱為需求描述符。根據(jù)合理的語法要求編寫需求描述符，能夠清晰描述多變的信息獲取需求[20]。需求方的信息獲取需求可能涉及到大量NFV對象，這些NFV對象的類型、部署位置和監(jiān)控方式可能不同。2.2節(jié)將重點(diǎn)討論需求描述符的語法格式。

定義3：獲取NFV對象的狀態(tài)信息所采用的協(xié)議和監(jiān)視技術(shù)稱為信息獲取方法。不同類型的NFV對象通常需要不同的信息獲取方法獲取狀態(tài)信息。例如，ServObject可通過簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol，SNMP)收集狀態(tài)信息。VMObject可通過虛擬機(jī)引擎提供的RESTful API來獲取狀態(tài)信息。VNFObject可通過VNF應(yīng)用自身提供的API來收集狀態(tài)信息。而無法獲取某新型NFV對象的狀態(tài)信息時(shí)，就需要擴(kuò)展系統(tǒng)的信息獲取能力和監(jiān)視能力。

2.2 需求描述符

需求描述符應(yīng)方便人類的理解和編寫，利于計(jì)算機(jī)解析和執(zhí)行，能明確指定需要監(jiān)視的NFV對象和需要獲取的狀態(tài)，支持多種數(shù)據(jù)交付方式，如直接存儲到數(shù)據(jù)庫中或交付消息隊(duì)列。通常，NFV系統(tǒng)中的每一個(gè)NFV對象都具有唯一的名稱標(biāo)識。因此，利用該名稱能輕松指明需要監(jiān)視的NFV對象及其部署位置。

該文采用具有良好語義的XML語法定義需求描述符。根標(biāo)簽是，指明這是一份需求描述符，并定義了開始獲取時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、每次獲取的間隔時(shí)間。這些時(shí)間屬性使用標(biāo)準(zhǔn)日期和時(shí)間格式，其中“start”的值為0表示信息獲取任務(wù)立即開始，“end”的值為0信息獲取任務(wù)不會自動停止，而“interval”的值為0表示信息獲取任務(wù)僅執(zhí)行一次。

第二層標(biāo)簽定義具體的信息需求和需要監(jiān)視的NFV對象。其中，第三層標(biāo)簽首先定義一條具體的監(jiān)視項(xiàng)。如表示獲取虛擬機(jī)的啟動狀態(tài)。然后，在上述標(biāo)簽下并列使用第四層標(biāo)簽定義需要監(jiān)視的NFV對象。第四層標(biāo)簽根據(jù)NFV對象類型分為3類，具體定義參見表1。

表1 NFV對象的標(biāo)簽定義

第二層標(biāo)簽用于指定交付狀態(tài)信息的方式和相關(guān)參數(shù)。其中，使用第三層標(biāo)簽定義交付參數(shù)，則表明將信息交付到數(shù)據(jù)庫；使用定義交付參數(shù)，則表明將信息交付到消息隊(duì)列中。

3 基于IRDA的系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該文設(shè)計(jì)的基于IRDA機(jī)制的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)主要分為三個(gè)層次：需求描述層、任務(wù)編排層和獲取執(zhí)行層。

圖1 基于IRDA的系統(tǒng)架構(gòu)

需求描述層的主要功能是為用戶提供編寫需求描述符的工具(包括RESTful API接口、Dashboard圖形化界面和CLI命令行工具)，支持用戶根據(jù)其信息獲取需求快速便捷地編寫需求描述符，并提交到任務(wù)編排層。

任務(wù)編排層作為系統(tǒng)的核心，主要由IRDA解析模塊、調(diào)度執(zhí)行模塊和監(jiān)視項(xiàng)映射表組成。任務(wù)編排層是需求描述符的解釋調(diào)度環(huán)境，關(guān)鍵作用是理解用戶獲取NFV對象狀態(tài)信息的需求，并將其轉(zhuǎn)換為獲取狀態(tài)信息的任務(wù)。監(jiān)視項(xiàng)映射表存儲了監(jiān)視項(xiàng)與信息獲取方法的映射關(guān)系。IRDA解析模塊接收需求描述符，通過檢索監(jiān)視項(xiàng)映射表，將需求描述符中的監(jiān)視項(xiàng)轉(zhuǎn)換為具體的信息獲取方法，創(chuàng)建相應(yīng)的信息獲取任務(wù)，把信息獲取任務(wù)交接給調(diào)度執(zhí)行模塊。調(diào)度執(zhí)行模塊根據(jù)時(shí)間約束調(diào)度執(zhí)行信息獲取任務(wù)，調(diào)用相應(yīng)的信息獲取方法獲取所需狀態(tài)信息并交付。

獲取執(zhí)行層是系統(tǒng)的底層支撐，提供獲取所需信息的能力。獲取執(zhí)行層主要由SNMP服務(wù)、成熟的監(jiān)控軟件和虛擬機(jī)/容器引擎提供的RESTful API等監(jiān)控組件構(gòu)成。這些監(jiān)控組件所能提供的信息獲取方法均記錄在監(jiān)視項(xiàng)映射表中。擴(kuò)展IRDA系統(tǒng)的監(jiān)視能力時(shí)，新監(jiān)視技術(shù)通過監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制進(jìn)行注冊。監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制將在3.4節(jié)具體討論。

3.2 系統(tǒng)工作流程

IRDA系統(tǒng)工作時(shí)具有“需求描述”、“解析調(diào)度”和“執(zhí)行獲取”三種狀態(tài)，圖2描述了IRDA系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)。每當(dāng)有新獲取需求時(shí)，進(jìn)入“需求描述”狀態(tài)，根據(jù)需求編寫并提交需求描述符。此后，向“解析調(diào)度”狀態(tài)轉(zhuǎn)移。解析執(zhí)行模塊解析描述符并創(chuàng)建信息獲取任務(wù)，將信息獲取任務(wù)按時(shí)間順序插入任務(wù)隊(duì)列中。一旦任務(wù)隊(duì)列不為空且首部的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間到了，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入“執(zhí)行獲取”狀態(tài)。系統(tǒng)在“執(zhí)行獲取”狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行信息獲取任務(wù)，交付獲取的信息。執(zhí)行過的任務(wù)若是單次的，則執(zhí)行完成后刪除該任務(wù)；若屬于周期性任務(wù)，則再次插入任務(wù)隊(duì)列適當(dāng)位置，等待下次調(diào)度。任務(wù)隊(duì)列為空時(shí)，回到“需求描述”狀態(tài)等待新需求。

圖2 基于IRDA系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)

3.3 IRDA解析模塊

正確地理解描述的需求，把監(jiān)視項(xiàng)轉(zhuǎn)換為具體的信息獲取方法是一個(gè)難點(diǎn)。IRDA系統(tǒng)支持的信息獲取方法記錄在監(jiān)視項(xiàng)映射表中。一個(gè)信息獲取方法對應(yīng)一條表項(xiàng)，一條表項(xiàng)共包含五個(gè)字段，描述了該信息獲取方法的監(jiān)視項(xiàng)名稱、所需參數(shù)、調(diào)用接口、調(diào)用方式以及返回的數(shù)據(jù)格式。監(jiān)視項(xiàng)映射表表項(xiàng)示例參見表2，例如監(jiān)視項(xiàng)“net.if.inOctet”對應(yīng)的信息獲取方法為使用SNMP WALK操作獲取OID為“1.3.6.1.2.1.2.2.1.10”的狀態(tài)信息，支持的NFV對象類型為SerObject，不需要額外參數(shù)，返回原生字符串類型的數(shù)據(jù)。

表2 監(jiān)視項(xiàng)映射表示例

顯然，IRDA解析模塊正常工作需要嚴(yán)格檢查需求描述符。IRDA解析模塊解析需求描述符過程如下：

(1)接收需求描述符并檢查語法。接收需求描述符，檢查需求描述符語法結(jié)構(gòu)是否正確。如果檢查未通過，則返回錯(cuò)誤消息。如果檢查通過，則繼續(xù)。

(2)將監(jiān)視項(xiàng)轉(zhuǎn)換為具體的信息獲取方法。依次解析所有標(biāo)簽，提取監(jiān)視項(xiàng)，將監(jiān)視項(xiàng)作為索引在監(jiān)視項(xiàng)映射表中檢索“對象類型”、“參數(shù)”、“API”等信息。如果檢索到所有監(jiān)視項(xiàng)對應(yīng)的信息獲取方法，則繼續(xù)；否則，返回錯(cuò)誤信息。

(3)獲取需要監(jiān)視的NFV對象信息。解析標(biāo)簽下的所有NFV對象標(biāo)簽，提取NFV對象信息。檢查每一個(gè)NFV對象類型是否符合信息獲取方法支持的“對象類型”，是否包含信息獲取方法所需的“參數(shù)”。檢查通過則將信息獲取方法的“API”作為鍵，NFV對象信息作為值，存儲在HashMap實(shí)例中。

(4)提取控制信息。在需求描述符的根標(biāo)簽中提取開始時(shí)間，停止時(shí)間，時(shí)間間隔和數(shù)據(jù)交付方法。計(jì)算信息獲取任務(wù)的首次執(zhí)行時(shí)間。

(5)創(chuàng)建并交接任務(wù)對象。新建一個(gè)信息獲取任務(wù)對象，使用HashMap實(shí)例存儲上述獲取的各類信息，將其交接調(diào)度執(zhí)行模塊。

當(dāng)監(jiān)視項(xiàng)目映射表提供的信息獲取方法不能滿足信息獲取需求時(shí)，可通過監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制擴(kuò)展系統(tǒng)支持的監(jiān)視項(xiàng)和信息獲取方法。

3.4 監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制

目前擴(kuò)展NFV系統(tǒng)信息獲取能力的解決方案的共同點(diǎn)是，通過編程與編譯使監(jiān)視項(xiàng)與信息獲取方法耦合起來。而IRDA解析模塊的工作方式使得IRDA系統(tǒng)具有無需修改監(jiān)視系統(tǒng)的程序也能擴(kuò)展系統(tǒng)監(jiān)視能力。

監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制是用于添加、刪除和修改監(jiān)視項(xiàng)映射表表項(xiàng)的機(jī)制，進(jìn)而擴(kuò)展IRDA系統(tǒng)的監(jiān)視能力。信息獲取方法的注冊過程如下：

(1)按監(jiān)視項(xiàng)映射表表項(xiàng)的字段結(jié)構(gòu)，依次定義和編寫新的監(jiān)視項(xiàng)名稱、支持對象類型、所需參數(shù)、信息獲取方法的調(diào)用方式和調(diào)用接口、返回?cái)?shù)據(jù)類型，作為注冊信息；

(2)監(jiān)視項(xiàng)映射表提供了用于添加，修改和刪除注冊信息的API。調(diào)用對應(yīng)的API將新編寫的注冊信息提交給監(jiān)視項(xiàng)映射表；

(3)測試注冊信息。監(jiān)視項(xiàng)映射表自動調(diào)用注冊的信息獲取方法隨機(jī)獲取一個(gè)NFV對象的狀態(tài)信息，測試方法的有效性。如果能夠根據(jù)注冊信息的描述獲取到正確的NFV對象狀態(tài)信息，則將注冊信息添加到監(jiān)視項(xiàng)目映射表中并對外發(fā)布監(jiān)視項(xiàng)名稱。

相比為獲取功能編寫專門的程序并進(jìn)行編譯，監(jiān)視項(xiàng)注冊的方法無疑更為簡單、快捷。

3.5 信息獲取任務(wù)調(diào)度

調(diào)度執(zhí)行模塊本質(zhì)是一個(gè)定時(shí)任務(wù)調(diào)度框架，維護(hù)著一個(gè)線程池和任務(wù)隊(duì)列，負(fù)責(zé)調(diào)度、執(zhí)行信息獲取任務(wù)和交付狀態(tài)信息。調(diào)度執(zhí)行模塊接收新任務(wù)對象后，將新任務(wù)對象實(shí)例化，根據(jù)任務(wù)對象中的時(shí)間控制信息設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度策略，并放入任務(wù)隊(duì)列中等待調(diào)度與執(zhí)行。

任務(wù)隊(duì)列調(diào)度過程如下：當(dāng)?shù)竭_(dá)隊(duì)首任務(wù)的調(diào)度時(shí)間時(shí)，執(zhí)行信息獲取任務(wù)，否則等待。當(dāng)信息獲取任務(wù)開始執(zhí)行時(shí)，對于信息獲取任務(wù)中的每種信息獲取方法，將啟動利用線程池中的一個(gè)或多個(gè)空閑線程來執(zhí)行狀態(tài)獲取操作。按定義的交付方式傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果信息獲取任務(wù)是周期性的，則計(jì)算下一個(gè)執(zhí)行時(shí)間，將任務(wù)插入任務(wù)隊(duì)列中的適當(dāng)位置。如果信息獲取任務(wù)是非周期性的，則在執(zhí)行后將其刪除。重復(fù)上述步驟，直到任務(wù)隊(duì)列為空。

4 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試分析

4.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

在一臺Lenovo ThinkServer RD550服務(wù)器上利用LXD容器管理軟件和TFN2K[21]DDoS攻擊工具，搭建了一個(gè)擁有22個(gè)容器、能進(jìn)行小規(guī)模DDoS攻擊實(shí)驗(yàn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境。該服務(wù)器具有一顆六核、主頻2.4 GHz的CPU，內(nèi)存為32 GB，操作系統(tǒng)版本Ubuntu Server 18.04。試驗(yàn)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示，tfn2k節(jié)點(diǎn)為部署TFN2K主控端VNF的攻擊節(jié)點(diǎn)，td1-td5為部署TFN2K代理端VNF的傀儡節(jié)點(diǎn)，iperf1和iperf2為部署Iperf3 VNF的虛擬主機(jī)，h1為普通虛擬主機(jī)，r1-r12是部署Quagga VNF并配置了OSPF路由協(xié)議的虛擬路由器，ddosd是部署了VNFfilter的虛擬防火墻[22]，VNFfilter用于過濾惡意的UDP報(bào)文。每一個(gè)LXD容器都啟動了NET-SNMP軟件以支持SNMP協(xié)議。

圖3 IRDA原型系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境

4.2 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在上述NFV環(huán)境中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有IRDA機(jī)制的原型系統(tǒng)。原型系統(tǒng)前后端分離，采用RESTful風(fēng)格的API與HTTP協(xié)議進(jìn)行前后端和模塊間的通信。

原型系統(tǒng)的需求描述層作為系統(tǒng)前端，使用C#語言基于.NET框架開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)獲取的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示虛擬網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、性能數(shù)據(jù)的圖形化界面，能呈現(xiàn)監(jiān)視項(xiàng)映射表已注冊的監(jiān)視項(xiàng)名稱，并提供了需求描述符編寫工具。

任務(wù)編排層作為系統(tǒng)后端，由IRDA解析模塊、監(jiān)視項(xiàng)映射表和調(diào)度執(zhí)行模塊組成。IRDA解析模塊和監(jiān)視項(xiàng)映射表的基本邏輯基于SpringBoot框架編程實(shí)現(xiàn)。調(diào)度執(zhí)行模塊的基本邏輯基于Quartz定時(shí)任務(wù)調(diào)度框架實(shí)現(xiàn)。獲取執(zhí)行層部署了SNMP客戶端、Zabbix軟件和基于LXD管理API開發(fā)的容器監(jiān)控程序。

4.3 功能測試與分析

為了驗(yàn)證基于IRDA機(jī)制的監(jiān)視系統(tǒng)是否具有根據(jù)需求描述符獲取NFV對象相關(guān)狀態(tài)信息的能力和系統(tǒng)擴(kuò)展監(jiān)視能力的能力，在虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行DDoS攻擊試驗(yàn)，并利用IRDA原型系統(tǒng)獲取試驗(yàn)過程中虛擬網(wǎng)絡(luò)的各類相關(guān)狀態(tài)信息。試驗(yàn)開始前，監(jiān)視項(xiàng)映射表中注冊了LXD容器監(jiān)控程序和SNMP常用的監(jiān)控OID，以支持獲取宿主服務(wù)器、LXD容器、Quagga VNF等NFV對象的狀態(tài)信息。

試驗(yàn)步驟如下：

(1)運(yùn)行圖3中的虛擬網(wǎng)絡(luò)，讓iperf1節(jié)點(diǎn)向iperf2節(jié)點(diǎn)發(fā)起速率為100 Mbps的UDP流，測試網(wǎng)絡(luò)連通性。此時(shí)，編寫需求描述符獲取r1節(jié)點(diǎn)的3個(gè)端口的輸入流量。圖4為前端系統(tǒng)顯示r1的端口流量統(tǒng)計(jì)情況?？梢姡琁RDA系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取了所需的狀態(tài)信息。

圖4 r1的端口輸入流量統(tǒng)計(jì)

(2)輸入命令使得tfn2k節(jié)點(diǎn)同時(shí)控制傀儡節(jié)點(diǎn)td1-td5向h1節(jié)點(diǎn)發(fā)起UDP Flood攻擊。此時(shí)，編寫新的需求描述符獲取60秒內(nèi)所有傀儡節(jié)點(diǎn)的UDP攻擊報(bào)文發(fā)送速率。圖5為前端系統(tǒng)獲取各傀儡節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)UDP攻擊報(bào)文發(fā)送速率后，計(jì)算得出的各個(gè)時(shí)刻UDP攻擊報(bào)文最大、最低和平均發(fā)送速率。

圖5 傀儡節(jié)點(diǎn)UDP攻擊報(bào)文發(fā)送速率統(tǒng)計(jì)

(3)啟動ddosd上的VNFfilter，過濾發(fā)往h1的惡意UDP流。VNFfilter提供了獲取丟棄報(bào)文數(shù)量的RESTful API，但I(xiàn)RDA系統(tǒng)未注冊該信息獲取方法，無法使用該接口。編寫該接口的注冊信息，并為其定義新監(jiān)視項(xiàng)名稱“filter.drop.pkts”，提交到監(jiān)視項(xiàng)映射表。測試通過后，使用“filter.drop.pkts”編寫需求描述符監(jiān)視60秒內(nèi)ddosd的報(bào)文丟棄情況。圖6為VNFfilter的UDP報(bào)文丟棄數(shù)量變化情況。

圖6 VNFfilter丟棄報(bào)文數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

試驗(yàn)小結(jié)：通過解釋執(zhí)行需求描述符，IRDA原型系統(tǒng)能分別獲取指定NFV對象的狀態(tài)信息，并將其傳遞到前端程序。監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制能快速地?cái)U(kuò)展IRDA系統(tǒng)不支持的監(jiān)視能力。同時(shí)，使用可視化工具可以幫助用戶快速正確地編寫需求描述符。

4.4 性能測試與分析

本節(jié)主要對IRDA原型系統(tǒng)性能與資源利用率進(jìn)行試驗(yàn)與分析。定義從用戶向IRDA解釋器提交需求描述符到交接狀態(tài)信息的過程所需的時(shí)間為信息獲取時(shí)延。圖7顯示了增加IRDA原型系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的信息獲取任務(wù)數(shù)量與信息獲取時(shí)延的平均值。

圖7 獲取時(shí)延與信息獲取任務(wù)數(shù)的關(guān)系

可見，信息獲取時(shí)延隨系統(tǒng)中信息獲取任務(wù)數(shù)量增加而呈大致的線性增長，每個(gè)任務(wù)的平均狀態(tài)獲取時(shí)延約為30 ms～53 ms。如果其中周期性信息獲取任務(wù)占的比例高，非首次執(zhí)行不需解析需求描述符，信息獲取時(shí)延會較短。

IRDA原型系統(tǒng)運(yùn)行在宿主服務(wù)器上，需要占用系統(tǒng)資源，考察考察IRDA原型系統(tǒng)對宿主服務(wù)器資源具有何種影響很重要。在具有相同配置的服務(wù)器上部署了OpenStack。然后，使用IRDA原型系統(tǒng)和Ceilometer連續(xù)獲取多個(gè)虛擬機(jī)的相同狀態(tài)信息與性能指標(biāo)，并逐步增加信息獲取任務(wù)數(shù)量。測量結(jié)果如圖8所示，可以看出，即使IRDA原型系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行500個(gè)獲取任務(wù)，CPU利用率也低于6%，內(nèi)存利用率小于3%。但是Ceilometer在類似的情況下占用的服務(wù)器資源要大得多。

(a)CPU占用率與信息獲取任務(wù)數(shù)量關(guān)系

(b)內(nèi)存占用率與信息獲取任務(wù)數(shù)量關(guān)系圖8 宿主服務(wù)器CPU、內(nèi)存與信息獲取任務(wù)數(shù)關(guān)系

5 結(jié)束語

為滿足NFV應(yīng)用和NFV系統(tǒng)管理的信息獲取需求，如何按需靈活獲取NFV對象的狀態(tài)信息是NFV技術(shù)迫切需要解決的技術(shù)問題。文中提出了一種信息需求與獲取技術(shù)解耦(IRDA)機(jī)制，使用需求描述符定義獲取信息的需求，系統(tǒng)可以有效地獲取所需的狀態(tài)數(shù)據(jù)。文中提出的監(jiān)視項(xiàng)注冊機(jī)制可以擴(kuò)展IRDA系統(tǒng)支持的監(jiān)控軟件或監(jiān)控技術(shù)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)IRDA系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。原型系統(tǒng)的測試和評估結(jié)果顯示了IRDA相關(guān)機(jī)制的可用性和有效性。下一步，將在更大規(guī)模的NFV網(wǎng)絡(luò)對IRDA機(jī)制及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行測試，為NFV管理與編排提供一種實(shí)用的信息獲取技術(shù)。