面向云計算的數(shù)字圖書館虛擬資源管理機(jī)制和調(diào)度策略研究

馬曉亭　高軍　魏婷

〔摘 要〕資源管理是云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館的核心問題。本文首先分析了云計算資源的特點(diǎn)與資源管理的主要功能，給出了云計算資源管理的工作流程。然后基于云計算虛擬化技術(shù)，提出了一種云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館資源交付與調(diào)度策略。該策略可以有效減少資源空閑時間，能夠保證虛擬資源有較高的可用性和利用率。

〔關(guān)鍵詞〕云計算；數(shù)字圖書館；資源調(diào)度；資源分配

〔中圖分類號〕G250.76 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1008－0821(2012)09－0025－04隨著云計算技術(shù)的發(fā)展與成熟，云計算技術(shù)已成為數(shù)字圖書館運(yùn)營和讀者個性化閱讀服務(wù)的支撐技術(shù)。云計算技術(shù)是一種新的IT資源管理、分配、使用模式，是將數(shù)字圖書館的云計算資源（主要為計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、基礎(chǔ)設(shè)施資源、應(yīng)用和服務(wù)等資源）虛擬化之后，劃分為虛擬資源池的方式統(tǒng)一為用戶動態(tài)分配，為讀者提供以基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IAAS)、平臺即服務(wù)(PAAS)、軟件即服務(wù)(SAAS)3種服務(wù)模式為核心的用戶服務(wù)。

云數(shù)字圖書館運(yùn)營和讀者服務(wù)活動中，云計算資源在地理位置上呈現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，具有設(shè)備異構(gòu)性程度高，用戶資源需求與管理動態(tài)性，以及資源管理與分配策略效率要求高的特點(diǎn)。如何加強(qiáng)云圖書館云計算架構(gòu)的靈活性與可擴(kuò)展性，提高云資源管理、調(diào)度系統(tǒng)的融合度，實(shí)現(xiàn)資源管理、調(diào)度、部署和配置的智能化與自動化，確保云虛擬化資源管理與調(diào)度安全、高效、可靠和經(jīng)濟(jì)，是提高云圖書館用戶服務(wù)水平和市場競爭力的重要因素［1］。

1 圖書館云資源管理與調(diào)度平臺的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能設(shè)計需求云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館云計算資源具有分布地域廣、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)多樣性、資源管理與分配動態(tài)、云資源多用戶共享和互操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。云資源管理與調(diào)度的目的為屏蔽云物理基礎(chǔ)設(shè)施資源的異構(gòu)性和動態(tài)性，通過為用戶提供統(tǒng)一的訪問接口來對云資源實(shí)施統(tǒng)一的管理、共享、分配和優(yōu)化服務(wù)，確保為讀者提供安全、高效、經(jīng)濟(jì)、低碳的QoS(服務(wù)質(zhì)量)服務(wù)。

1.1 資源管理與調(diào)度平臺的結(jié)構(gòu)

云圖書館資源管理與調(diào)度平臺結(jié)構(gòu)主要由云物理基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化管理層、云應(yīng)用閱讀服務(wù)管理層和工作負(fù)荷環(huán)境4個層面組成，如圖1所示：

圖1 云圖書館資源管理與調(diào)度平臺結(jié)構(gòu)

云物理基礎(chǔ)設(shè)施主要由云閱讀應(yīng)用服務(wù)器、供電系統(tǒng)、云存儲服務(wù)器、云計算服務(wù)器和相應(yīng)的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)組成，是云應(yīng)用服務(wù)的物理基礎(chǔ)設(shè)施平臺。虛擬化管理層在云物理層基礎(chǔ)上，利用虛擬化技術(shù)將云物理資源和云計算資源劃分為資源池統(tǒng)一管理，為云應(yīng)用閱讀服務(wù)的開展提供相應(yīng)的虛擬化資源管理與調(diào)度支持。云應(yīng)用閱讀服務(wù)為讀者提供所需的云服務(wù)和閱讀活動行為監(jiān)測、管理，確保讀者云閱讀應(yīng)用活動安全、高效、經(jīng)濟(jì)、滿意。工作負(fù)荷層是云圖書館資源管理與調(diào)度平臺的最高層，是云應(yīng)用閱讀服務(wù)管理與資源調(diào)度的最終服務(wù)對象，為讀者云應(yīng)用閱讀活動提供安全、高效的二次應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保證讀者利用形式多樣的閱讀終端開展?jié)M意的云個性化閱讀活動。

云資源調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、復(fù)雜性、可控性和工作效率，決定了云圖書館系統(tǒng)運(yùn)營的安全性與有效性。在圖書館云計算資源的管理與調(diào)度中，應(yīng)采用集中式與計算經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的調(diào)度方法，所有的云計算資源由一個中央調(diào)度程序統(tǒng)一控制、調(diào)度。根據(jù)云數(shù)字圖書館工作效率最優(yōu)化和讀者核心云閱讀服務(wù)滿意度相結(jié)合的原則，在安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，實(shí)現(xiàn)云資源管理與調(diào)度策略、步驟的高可靠與最優(yōu)化［2］。

1.2 資源管理與調(diào)度的過程

數(shù)字圖書館云計算資源管理與調(diào)度平臺的基本功能，是通過對所接受的讀者云閱讀服務(wù)資源請求進(jìn)行分析、處理、計算后，根據(jù)讀者云閱讀活動資源需求量進(jìn)行資源管理、分配、調(diào)度和優(yōu)化。按照云資源用戶請求與管理過程劃分，可分為資源發(fā)現(xiàn)、資源分發(fā)、資源管理和資源調(diào)度4個步驟。

虛擬化資源發(fā)現(xiàn)是資源管理與調(diào)度的前提，通過對云虛擬化資源、已分配資源、用戶已釋放資源進(jìn)行探測，準(zhǔn)確掌握云虛擬化資源的數(shù)量、存在的位置、存在的狀態(tài)和可管理程度。資源分發(fā)是根據(jù)圖書館云業(yè)務(wù)運(yùn)營和讀者閱讀活動的開展需求，對用戶和云閱讀應(yīng)用進(jìn)行云資源安全、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的分配。資源管理是指將云計算資源通過虛擬化技術(shù)劃分為資源池統(tǒng)一管理，以便于有效的管理、分配、回收和再分配。資源調(diào)度是指依據(jù)云虛擬化資源池資源存儲特點(diǎn)、用戶云閱讀服務(wù)虛擬化資源需求、云系統(tǒng)運(yùn)營效率狀況、云圖書館運(yùn)營高效與經(jīng)濟(jì)性需求，對資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。

云圖書館讀者服務(wù)模式和用戶需求是資源管理與調(diào)度平臺功能設(shè)計的主導(dǎo)因素，資源管理的安全性、效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性是平臺設(shè)計的指導(dǎo)依據(jù)。因此，只有加強(qiáng)云資源管理與調(diào)度平臺的界面統(tǒng)一與功能融合，提高平臺的用戶友好性和可操作性，才能降低平臺設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)營費(fèi)用，提高平臺的身份認(rèn)證與管理、調(diào)度活動的安全水平，確保數(shù)字圖書館云計算資源管理與調(diào)度平臺安全、高效、開放、易用［3］。

2 數(shù)字圖書館云虛擬化資源管理機(jī)制

云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館通過虛擬化技術(shù)將云計算資源（主要由計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用資源組成）劃分為資源池方式統(tǒng)一管理、分配、調(diào)度、優(yōu)化，較大幅度地提高了云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館系統(tǒng)資源統(tǒng)一劃分、綜合管理、彈性分配、全面優(yōu)化的能力。但是，對云系統(tǒng)資源的虛擬化劃分、管理與靈活使用，并不是關(guān)系云圖書館高效運(yùn)營的主要方面。而利用有效的資源管理與調(diào)試系統(tǒng)，通過采用高效的管理與調(diào)度策略來確保虛擬化資源管理與調(diào)度活動安全、高效、經(jīng)濟(jì)、便捷，才是提高云圖書館運(yùn)營效率，保證讀者云閱讀活動滿意度和降低云圖書館建設(shè)與運(yùn)營、維護(hù)成本，確保低碳運(yùn)營和具有較強(qiáng)市場競爭力的關(guān)鍵［4］。

2.1 云圖書館資源管理的步驟

通過虛擬化技術(shù)對云物理基礎(chǔ)設(shè)施的異構(gòu)性進(jìn)行屏蔽和資源整合，在提高云資源管理效率的同時減少了虛擬化資源部署時間，降低了云資源使用與管理成本，使云資源可根據(jù)用戶需求而自由、彈性、準(zhǔn)確、快捷地分配，為讀者云個性化閱讀服務(wù)的開展提供資源供給服務(wù)。

云圖書館虛擬化資源管理可分為資源信息收集、資源信息更新、資源發(fā)現(xiàn)、資源調(diào)度、資源定位、狀態(tài)監(jiān)控幾個部分。通過對資源池資源總量和正在使用的資源數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計后，實(shí)施統(tǒng)一的管理、分配、調(diào)度。同時，依據(jù)資源分配與用戶需求實(shí)際，及時更新云圖書館資源實(shí)際存在狀態(tài)與比例，并利用資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制和資源請求者的資源請求描述，找到合適的資源并返回該資源的唯一標(biāo)識符。

當(dāng)用戶提出資源需求時，根據(jù)資源池實(shí)際和分配需求，并采用高效的資源管理策略按照用戶資源使用時間、內(nèi)容、數(shù)量、權(quán)限等進(jìn)行分配。同時，可依據(jù)資源的屬性描述獲得相應(yīng)資源的物理地址，實(shí)現(xiàn)資源分配、使用的物理設(shè)施定位，并對設(shè)備在資源請求、分配、使用、釋放過程進(jìn)行監(jiān)控，確保資源管理過程安全、高效、可控、便捷。

2.2 依據(jù)讀者云服務(wù)資源需求和設(shè)備分布特點(diǎn)實(shí)施調(diào)度圖書館讀者云閱讀服務(wù)，具有云資源分配、調(diào)度依據(jù)讀者需求而周期變化的特點(diǎn)。當(dāng)云圖書館進(jìn)行多媒體閱讀等熱點(diǎn)服務(wù)時，讀者群數(shù)量和不同云閱讀活動模式對資源需求的不確定性，會造成云虛擬資源需求海量激增以及可供分配的云資源迅速減少，致使云資源管理、利用效率快速下降，讀者云閱讀滿意度降低或者云服務(wù)停止。

首先應(yīng)對云資源池資源總量和可供分配的資源進(jìn)行統(tǒng)計。通過監(jiān)測準(zhǔn)確掌握云圖書館讀者個性化服務(wù)資源需求的周期變化特點(diǎn)，并對突發(fā)熱點(diǎn)云閱讀活動的資源需求量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)先做好應(yīng)對突發(fā)資源請求的分配策略和預(yù)留資源部署。

其次，應(yīng)結(jié)合云圖書館數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、資源調(diào)度活動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)、調(diào)度活動高效性要求，執(zhí)行不同的資源管理與調(diào)度策略。云數(shù)據(jù)中心虛擬化資源管理環(huán)境具有物理設(shè)備集中分布、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、易產(chǎn)生資源調(diào)度瓶頸、安全和經(jīng)濟(jì)要求高的特點(diǎn)。因此，云數(shù)據(jù)中心應(yīng)采用集中式調(diào)度的方法，將云資源池可管理與分配的資源總量、不同功能子系統(tǒng)資源需求量、資源調(diào)度網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)、云資源未來需求預(yù)測等信息集中存儲在中心機(jī)上，進(jìn)行統(tǒng)一的管理、分配、調(diào)度和優(yōu)化。此外，移動性和可便攜性是云閱讀終端的發(fā)展方向，結(jié)構(gòu)簡單的閱讀終端可通過網(wǎng)絡(luò)獲得云計算資源。因此，應(yīng)結(jié)合云讀者地域分布零散、單個用戶云資源需求量少、單個組件失效對資源分配活動整體影響小、資源管理系統(tǒng)容錯和可靠性高的特點(diǎn)，采取虛擬化資源的分布式管理和調(diào)度，確保用戶資源調(diào)度的高效、安全、同步、快捷［5］。

2.3 結(jié)合云閱讀服務(wù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行資源調(diào)度

云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館的主要服務(wù)方式為在傳統(tǒng)數(shù)字服務(wù)基礎(chǔ)上，開設(shè)站內(nèi)E-mail、圖書館視頻會議、云用戶管理服務(wù)系統(tǒng)、Web托管、云應(yīng)用程序開發(fā)、視頻托管、數(shù)字圖書館安全防范、公用的應(yīng)用程序組件、基本的辦公應(yīng)用程序、批處理應(yīng)用程序等個性化云應(yīng)用服務(wù)。不同的服務(wù)方式具有不同的資源需求標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此，要結(jié)合讀者云應(yīng)用服務(wù)特點(diǎn)和閱讀服務(wù)需求，有效地進(jìn)行云資源分配與調(diào)度。

讀者云閱讀服務(wù)活動開展過程中，圖書館視頻會議、云用戶管理服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)字圖書館安全防范、視頻托管等服務(wù)，具有云計算資源需求量大、資源分配適時性強(qiáng)、調(diào)度高效與快速、突發(fā)性調(diào)度需求事件發(fā)生概率高的特點(diǎn)。因此，對上述云應(yīng)用服務(wù)應(yīng)設(shè)置較高的資源分配權(quán)限，當(dāng)所分配的資源數(shù)量影響服務(wù)活動開展和讀者閱讀滿意度時，應(yīng)優(yōu)先將資源池資源進(jìn)行分配，或者從其它適時性與資源分配級別低的應(yīng)用上進(jìn)行調(diào)度。其次，通常在18～23點(diǎn)之間，讀者對站內(nèi)E-mail、公用的應(yīng)用程序組件、視頻托管、Web托管等云服務(wù)資源需求量較大，而對圖書館視頻會議、基本的辦公應(yīng)用程序、云應(yīng)用程序開發(fā)等應(yīng)用服務(wù)云資源需求量較小。因此，在此時段可將云資源從需求量較小的應(yīng)用向需求量較大的應(yīng)用遷移，等應(yīng)用高峰期過后再遷移回來，保證云服務(wù)質(zhì)量和云資源分配的安全與高效。第三，應(yīng)在圖書館云數(shù)據(jù)中心和各備份中心之間實(shí)施云資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，當(dāng)某一服務(wù)區(qū)域負(fù)載量過大時，確保能夠從其它相臨地域的備份中心進(jìn)行云資源調(diào)度和遷移［6］。

2.4 確保云資源管理系統(tǒng)設(shè)計的易用性和安全性

圖書館云資源管理系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)在符合云計算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的開發(fā)平臺上進(jìn)行設(shè)計，并為用戶提供統(tǒng)一的管理接口和用戶界面，可兼容主流虛擬化廠商的軟、硬件設(shè)備，對異構(gòu)性高的云資源具有較強(qiáng)的綜合管理能力。此外，在云資源管理平臺設(shè)計中，應(yīng)采用以服務(wù)模式管理為對象的模塊化設(shè)計方法，確保同一管理平臺上不同功能的管理模塊具有較強(qiáng)的兼容性和獨(dú)立性。第三，為了方便管理員對云資源的適時管理，應(yīng)采取基于Web的設(shè)計思路和B/S的管理架構(gòu)，確保管理員能夠通過網(wǎng)絡(luò)以遠(yuǎn)程訪問的方式安全、便捷地進(jìn)入管理界面，進(jìn)行云資源的管理、部署、遷移和維護(hù)。第四，在管理系統(tǒng)設(shè)計中，因重點(diǎn)突出云資源的自動、智能化管理和調(diào)度。確保云管理系統(tǒng)在較低的管理成本和人力資源成本投入前提下，能夠安全、高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行資源管理和調(diào)度。

2.5 實(shí)現(xiàn)云資源管理、調(diào)度的監(jiān)控與自動部署

首先，云圖書館資源管理、調(diào)度過程中，管理員應(yīng)通過統(tǒng)一的管理平臺界面實(shí)現(xiàn)對云數(shù)據(jù)中心物理設(shè)備、虛擬集群和云應(yīng)用服務(wù)的監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)由管理系統(tǒng)處理后在統(tǒng)一界面對各項參數(shù)進(jìn)行顯示，并依據(jù)管理員設(shè)置的閥值進(jìn)行報警和自動設(shè)置。其次，可根據(jù)讀者群數(shù)量和云資源需求變化情況，依據(jù)云管理員預(yù)先設(shè)置而實(shí)現(xiàn)管理平臺對云資源的配置和調(diào)度。并根據(jù)讀者云閱讀服務(wù)安全性和物理設(shè)備安全隔離需求，將云計算、云存儲資源調(diào)度遷移到特定的物理設(shè)備上，或者由讀者按需自主進(jìn)行云資源的配置。第三，當(dāng)云數(shù)據(jù)中心部分服務(wù)器出現(xiàn)故障時，應(yīng)通過云資源管理平臺系統(tǒng)自動部署新的虛擬集群資源，由管理平臺實(shí)現(xiàn)云資源的重新調(diào)度和負(fù)載遷移，確保讀者云個性化閱讀服務(wù)的不間斷性。第四，應(yīng)保證云資源管理與調(diào)度網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c暢通，保證安全、高效、準(zhǔn)確、及時地將調(diào)度控制數(shù)據(jù)傳輸至控制器［7］。

3 結(jié)束語

云計算環(huán)境下，數(shù)字圖書館為讀者提供高性能計算、海量存儲、多媒體數(shù)據(jù)傳輸、即時多模式閱讀服務(wù)的同時，安全、經(jīng)濟(jì)、便捷、高性價比成為決定云圖書館發(fā)展和讀者滿意度的重要因素。

云圖書館建設(shè)、運(yùn)營過程中，數(shù)字圖書館云計算資源是按照統(tǒng)一部署、集中管理、按需分配、分布使用的原則進(jìn)行管理與調(diào)度，而云資源的租賃成本和使用效率是關(guān)系云圖書館投資收益率的關(guān)鍵因素，同時也是影響讀者云閱讀活動體驗滿意度的主要內(nèi)容。因此，在虛擬化資源管理與調(diào)度中，應(yīng)加強(qiáng)對云圖書館虛擬化資源管理機(jī)制和策略的研究，努力提高虛擬化資源管理與調(diào)度的自動化、智能化水平，保證云資源管理與調(diào)度活動安全、高效、經(jīng)濟(jì)、低碳、簡單、可靠。同時，在保證云資源管理系統(tǒng)具有較高管理、運(yùn)營效率的前提下，應(yīng)不斷降低云圖書館管理、運(yùn)營和讀者云閱讀成本，確保云圖書館具有較強(qiáng)的市場競爭力和讀者滿意度［8］。

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