Efficient online virtual machines migration for alert-based disaster resilience

In recent years, cloud networks have experienced exponential growth, since a great demand for services and applications, both public and business, are executed by cloud infrastructures. One of the main causes of this growth is virtualization which guarantees processing power and bandwidth reserved for storage and Internet access. In addition, virtualization allows the sharing of computing resources in various locations, which allows data center (DC) operators and service providers to create an abstraction of physical servers, contained within data centers and in this way can use their infrastructure in a way efficient. Therefore, services can be hosted directly in these abstract entities, called virtual machines (VMs). Due to the growth of cloud computing, the services and applications hosted in this infrastructure require that the underlying network in the cloud be resistant to data loss and interruptions that can be caused due to various factors, including a natural disaster. In fact, for critical applications in time a service interruption of a few seconds can represent revenue losses and at the same time they can be seen as violations of the service level agreement that a service provider has with a customer. However, the impact that predictable disasters have had on cloud networks and particularly in the downtime of the service, has introduced new challenges for the design of networks in the cloud resistant to disasters. In this regard, we apply the concept of VM migration online for disaster resistance in order to provide a solution that minimizes service downtime and prevents data loss. Specifically, we focus on online migration of virtual machines between data centers (Inter-DC) where virtual machines are migrated from the DC prone to be affected by a natural disaster, to any DC outside the danger zone. We propose three heuristic approaches for the optimal choice of bandwidth that will be assigned to each VM migration. Each of these heuristic approaches performs scheduling, routing and bandwidth allocation to virtual machine migration, so that the number of migrated virtual machines is maximized. In addition, they consider minimizing downtime and the resource occupation. We provide numerical results in a realistic network between DCs and we note that there is a minimum amount of time in which a migration can take place and in particular our results show great advantages in terms of execution time of heuristic approaches being able to migrate large numbers of virtual machines (in the order of thousands). In addition, we show an efficient tool based on resource estimation, which gives us information on how much capacity is needed in a certain alert time (deadline) to migrate a specific number of virtual machines.

Negli ultimi anni, le reti cloud hanno registrato una crescita esponenziale, poiché una grande richiesta di servizi e applicazioni, sia pubblici che aziendali, viene eseguita da infrastrutture cloud. Una delle principali cause di questa crescita è la virtualizzazione che garantisce potenza di elaborazione e larghezza di banda riservate per l'archiviazione e l'accesso a Internet. Inoltre, la virtualizzazione consente la condivisione di risorse di elaborazione in varie posizioni, il che consente agli operatori di data center (DC) e ai fornitori di servizi di creare un'astrazione di server fisici, contenuti all'interno di data center e in questo modo di utilizzare la propria infrastruttura in modo efficiente. Pertanto, i servizi possono essere ospitati direttamente in queste entità astratte, chiamate macchine virtuali (VM). A causa della crescita del cloud computing, i servizi e le applicazioni ospitati in questa infrastruttura richiedono che la rete sottostante nel cloud sia resistente alla perdita di dati e alle interruzioni che possono essere causate da vari fattori, tra cui un disastro naturale. In effetti, per applicazioni critiche nel tempo, l'interruzione del servizio di alcuni secondi può rappresentare una perdita di entrate e allo stesso tempo può essere vista come una violazione dell'accordo sul livello di servizio che un fornitore di servizi ha con un cliente. Tuttavia, l'impatto che disastri prevedibili hanno avuto sulle reti cloud e in particolare nei tempi di inattività del servizio, ha introdotto nuove sfide per la progettazione di reti nel cloud resistenti alle catastrofi. A questo proposito, applichiamo il concetto di migrazione della VM online per resistere alle catastrofi al fine di fornire una soluzione che minimizzi i tempi di fermo del servizio e prevenga la perdita di dati. In particolare, ci concentriamo sulla migrazione online di macchine virtuali tra data center (Inter-DC) in cui le macchine virtuali vengono migrate dalla DC soggetta a un disastro naturale, verso qualsiasi DC al di fuori della zona di pericolo. Proponiamo tre approcci euristici per la scelta ottimale della larghezza di banda che verrà assegnata a ciascuna migrazione di VM. Ognuno di questi approcci euristici esegue la pianificazione, l'instradamento e l'allocazione della larghezza di banda alla migrazione di macchine virtuali, in modo da massimizzare il numero di macchine virtuali migrate. Inoltre, considerano di ridurre al minimo i tempi di inattività e l'occupazione delle risorse. Forniamo risultati numerici in una rete realistica tra DC e notiamo che esiste un tempo minimo in cui può aver luogo una migrazione e in particolare i nostri risultati mostrano grandi vantaggi in termini di tempi di esecuzione di approcci euristici in grado di migrare grandi numeri di macchine virtuali (nell'ordine di migliaia). Inoltre, mostriamo uno strumento efficiente basato sulla stima delle risorse, che ci fornisce informazioni su quanta capacità è necessaria in un determinato tempo di avviso (scadenza) per migrare un numero specifico di macchine virtuali.