数据中心高效资源管理关键技术研究

发布时间：2019-09-25 01:07

【摘要】：云计算作为一种新型的分布式计算服务提供模式,为当前网络应用或服务的持续发展提供了强有力的支持。而数据中心作为当前云计算的主流底层物理资源组织架构,为云计算的高效运行提供了灵活以及稳定的硬件环境。利用数据中心多样化以及高效的资源管理手段,底层物理服务器以及网络等资源可以实现按需分配,从而有利于更加合理的使用。此外,云计算中资源按使用量付费的租用模式,也促进了互联网应用以及服务朝着数量的规模化以及类型的多元化方向发展。在云计算中,虚拟化技术的应用使得数据中心分散化的物理计算资源以及网络资源被抽象,形成统一的虚拟资源分配池并向租户提供。而云计算提供者(Cloud Provider,CP)所面临的一个重要问题即是,如何对此资源池中的资源进行合理的管理,从而实现在满足租户SLA(Servcie Level Agreement)请求的同时,达到资源的高效使用。而高效的资源管理策略往往不仅有利于提高数据中心物理资源的利用率、降低物理设备的能耗使用,同时还有助于提高云计算资源提供者的收益。因此,设计高效的数据中心资源管理策略就成为当前学术界以及工业界广泛关注的热点问题。本文在第一章主要叙述了云计算的定义、发展历史、云计算背后的支撑技术——虚拟化、以及虚拟化数据中心资源管理关键技术的研究现状。第二章研究了动态到达虚拟机(Virtual Machine,VM)请求的接入控制与资源分配联合优化问题。针对当前VM资源分配策略将两者分开考虑,导致CP无法制定全局最优的资源管理决策这一不足,提出了VM接入控制与资源分配相结合的联合优化策略。并基于马尔科夫决策过程(Markov Decision Process,MDP)给出了此联合优化问题的数学模型。并设计了采样路径的近似动态规划算法,通过针对到达VM请求的类型及其资源需求特性进行采样,以达到在保证算法一定准确度的情况下,对MDP模型进行快速求解的目的。仿真结果显示,本文所提出的基于接入控制与资源放置联合优化策略可以有效提升CP的预期收益。第三章研究了VM资源需求动态变化环境下VM的迁移问题。针对当前VM迁移策略不能很好地应对动态环境下VM迁移需求,导致迁移成本过高的问题,提出了基于资源需求相关性的VM迁移策略。首先提出了基于VM服务水平协议(Service Level Agreement,SLA)的“软门限”迁移机制。通过监测VM过去一段时间内的资源需求变化,以综合判断最佳的VM迁移时机,降低VM突发资源需求所造成的频繁迁移触发。基于此机制,给出了基于动态资源需求相关性的VM迁移策略。通过对VM资源需求的动态变化特性与物理服务器资源使用变化特性之间的关联性进行定量分析,实现更优的迁移VM及其迁移顺序选择,以及迁移目的主机选择。综合上述基本VM迁移机制/策略,分别设计了具有VM SLA服务质量保障的VM迁移算法,以及促进数据中心(Data Center,DC)绿色节能的VM迁移算法。仿真结果显示,本文所提出的基于相关性的虚拟机迁移算法不仅可以有效降低迁移成本,同时还可以提高虚拟机的SLA性能保障。第四章研究了具有响应时延性能保障的高效VM部署问题。针对当前VM资源分配策略没有完全利用虚拟资源灵活分配特性,导致物理资源碎片率过高这一不足,提出了具有响应时延性能保障的VM资源分配策略。首先采用理论分析与实验验证相结合的方式,对VM在不同部署以及资源分配方案下的响应时延性能进行了深入的分析。基于此分析,给出了具有时延性能保障的VM拆分以及资源分配算法。该算法根据资源分配量与VM响应时延性能之间的对应关系,通过对较大资源需求的VM进行合理的拆分,以达到保障VM响应时延的同时,降低资源碎片率、提高物理资源的目的。仿真结果显示,本文论所提出的基于虚拟机拆分的虚拟机放置以及资源分配策略可以显著减少服务器的使用数量,进而降低服务器的能耗,从而达到数据中心绿色节能的目的。第五章研究了网络功能虚拟化环境下虚拟网络功能链(virtualized Network Function Chain,v NFC)的灵活部署问题。针对现有v NF部署策略不能完全利用虚拟资源灵活的分配特性,导致底层物理资源利用率过低这一问题,提出了基于多虚一实例化的v NF部署策略。该策略根据当前物理资源分配状况,为单个v NF实例化一个或多个功能实例,以促进v NF部署以及位置选择的灵活性,以及v NF动态横向扩展与伸缩的能力。此外,该策略通过为每个v NF实例进行细粒度的负载控制与资源分配,以实现对底层物理资源的精细化管理,从而提高底层物理资源的利用率。仿真结果显示,本论文所提出的基于虚拟网络功能服务多虚一实例化的部署策略不仅可以提高v NFC的接入率,同时还能有效提高服务器的资源利用率。第六章对全文研究工作进行了总结,并对未来的研究工作做了展望。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP308

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