云計(jì)算環(huán)境下資源管理研究

陳政聿 鄭路 楊晨 姜乃煜 薛東鵬

摘 要：本文在總結(jié)了以往對云計(jì)算的描述以及動態(tài)組織、優(yōu)化分配和即時監(jiān)控等方面研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)而闡述了云環(huán)境下資源管理所面臨和需要解決的新問題，并以此給出了構(gòu)建了云環(huán)境下資源管理框架的思路。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算：資源管理；資源優(yōu)化配置

1 云計(jì)算定義

云計(jì)算是一種商業(yè)計(jì)算模型，它將計(jì)算任務(wù)分布到由大量服務(wù)器構(gòu)成的資源池上，從而使用戶能夠根 據(jù)需要獲取計(jì)算能力、存儲空間和信息服務(wù)，這種資源池稱為“云”?！霸啤笔且恍┛梢宰晕揖S護(hù)和管理的 虛擬計(jì)算資源，通常是一些大型服務(wù)器集群，包括計(jì)算服務(wù)器、存儲服務(wù)器和寬帶資源等等。它是并行計(jì)算（Parallel Computing）、分布式計(jì)算（Distributed Computing）和網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）的延續(xù)， 或者說是這些計(jì)算科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。云計(jì)算是虛擬化（Virtualization）、效用計(jì)算（Utility Computing）、 laaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（Platform as a Service，平臺即服務(wù)）、SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)）等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。在云計(jì)算的定義上，許多學(xué)者與機(jī)構(gòu)各執(zhí)一詞，下文列舉了幾個具有代表性的云計(jì)算定義方式：

Ian Foster等人[1]認(rèn)為云計(jì)算是一個由經(jīng)濟(jì)因素驅(qū)動的大規(guī)模分布式計(jì)算范式，在云計(jì)算之中有一個抽 象的、虛擬化的、動態(tài)伸縮的、計(jì)算能力得到管理的，且存儲、平臺和服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)被按需提供給外部 用戶的資源池。

IBM在其技術(shù)白皮書[2]中指出：云計(jì)算一詞描述了一個系統(tǒng)平臺或一類應(yīng)用程序；該平臺可以根據(jù)用 戶的需求動態(tài)部署、配置等；云計(jì)算是一種可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問的可以擴(kuò)展的應(yīng)用程序。

Michael Armbrust[3]等人認(rèn)為云計(jì)算既是指通過Intemet作為服務(wù)發(fā)布的應(yīng)用程序，也指提供這些服務(wù) 的數(shù)據(jù)中心中的軟硬件資源，這些服務(wù)通常被稱為SaaS。數(shù)據(jù)中心的硬件和軟件合在一起便是我們所稱的 “云”。當(dāng)這些軟硬件資源以即用即付（pay as you go）方式提供給公眾時，稱其為公有云（public cloud），其所提供的服務(wù)就是效用計(jì)算（utility computing）；與之相對的是私有云（private cloud），其描述的是一個商業(yè)或其他機(jī)構(gòu)對外不可用的內(nèi)部數(shù)據(jù)中心，因此云計(jì)算即為SaaS和效用計(jì)算的融合。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院給出的云計(jì)算定義為：云計(jì)算是一種普適的、便捷的、通過網(wǎng)絡(luò)按需介入到一組配置好的計(jì)算資源池（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、 應(yīng)用程序以及服務(wù)等）的模型，該模型能夠以最小的管理代價或與服務(wù)提供商的交互快速地準(zhǔn)備及發(fā)布。

中國云計(jì)算網(wǎng)將云計(jì)算定義為[4]：云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說是這些科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)部署模式的不同，云計(jì)算的類型又可以分為公用云、私有云和混合云。

資源管理是云計(jì)算的核心問題之一，它主要包括資源的描述、動態(tài)組織、發(fā)現(xiàn)匹配、優(yōu)化配置和即時監(jiān)控等活動。與傳統(tǒng)的分布式環(huán)境和網(wǎng)格環(huán)境下的資源管理所不同的是，云計(jì)算環(huán)境下資源管理是通過虛擬化技術(shù)的運(yùn)用來屏蔽底層資源的異構(gòu)性和復(fù)雜性，把分散的各種資源管理起來，使得分布式資源能夠被當(dāng)作單一資源處理，形成一個統(tǒng)一的巨型資源池而不是分散的資源庫，以此確保資源的合理、高效的分配和使用，并且云計(jì)算環(huán)境下資源管理的各個組成部分之間并不是孤立的，資源的描述、組織、發(fā)現(xiàn)與匹配、

配置和監(jiān)控是彼此之間存在緊密聯(lián)系的系統(tǒng)要素，它們之間的共同作用構(gòu)成了一個整體。資源的描述和表示形式將影響到它的動態(tài)組織方式，而資源的發(fā)現(xiàn)與匹配機(jī)制又會因上述兩者的變化而做出相應(yīng)的調(diào)整， 以實(shí)現(xiàn)高效資源提??；同樣的，在制定資源調(diào)度策略時，也會考慮底層資源的組織形式、發(fā)現(xiàn)與匹配機(jī)制；最后，資源動態(tài)監(jiān)控將對系統(tǒng)中的各個要素進(jìn)行檢測和控制，保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

2 云計(jì)算資源管理框架構(gòu)建

1.資源信息的表示和描述針對云環(huán)境下資源信息的表示和描述方法具有服務(wù)化、語義化和用戶化等特點(diǎn)，該方向主要有以下幾點(diǎn)問題：

①由于目前分布式計(jì)算及網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境中資源信息的表現(xiàn)形式各異，描述語言多樣且雜亂，會使得在 此環(huán)境下的資源難以得到有效管理，因此云計(jì)算環(huán)境下資源信息描述方法應(yīng)在現(xiàn)有的資源信息表示格式、方法及框架基礎(chǔ)之上進(jìn)行相應(yīng)的描述轉(zhuǎn)換問題，從而實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一描述，克服資源描述方式的多樣性， 資源的異構(gòu)性和分布性等障礙，以此來支持云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的開放性，降低系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜度，也為云資源發(fā)現(xiàn)與匹配提供良好的環(huán)境和基礎(chǔ)。

②在對云計(jì)算資源進(jìn)行統(tǒng)一描述過程中，充分考慮資源的語義化描述問題，使其更貼近用戶的自然理解，更加準(zhǔn)確反映資源的實(shí)際內(nèi)容，從而達(dá)到高效的資源發(fā)現(xiàn)和匹配及支持面向用戶的智能化資源管理的目的。

③在對資源進(jìn)行統(tǒng)一描述過程中，充分考慮用戶的個性化需求問題，以期進(jìn)一步增強(qiáng)表述用戶信息的能力，加入如滿足SLA、QoS等需求的用戶個性化偏好信息，為用戶提供滿意的信息資源。因而，在云環(huán)境下信息資源管理研究中，應(yīng)將重點(diǎn)放在研究適用于云計(jì)算環(huán)境的、面向資源管理的服務(wù)語義描述框架，進(jìn)而研究基于用戶興趣的個性化資源定制需求的擴(kuò)展服務(wù)語義描述框架。

2.資源的發(fā)現(xiàn)與匹配機(jī)制針對云計(jì)算資源的分布性和異構(gòu)性特點(diǎn)，以及從資源發(fā)現(xiàn)過程中充分考慮用戶需求的角度出發(fā)，云環(huán)境下資源發(fā)現(xiàn)與匹配機(jī)制所面臨的關(guān)鍵問題主要在以下幾方面：

①基于分布式環(huán)境下的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。云環(huán)境作為一種廣域的大規(guī)模分布式環(huán)境，資源存儲在異構(gòu)平臺上，并且由不同的管理策略控制，研究不依賴集中控制的、迅速的、分布式、可擴(kuò)展、能適應(yīng)資源動態(tài)變化，并且定位性能好的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制是個亟待解決的問題。

②基于語義匹配的資源發(fā)現(xiàn)方法與技術(shù)。由于語義化資源描述可以使機(jī)器精確地理解、采集和組合信息，并且基于語義的信息很容易加入如SLA，QoS等個性化需求，從而研究云環(huán)境下基于語義匹配的資源發(fā)現(xiàn)方法也就成為一種必然。針對云計(jì)算環(huán)境中的海量資源，該領(lǐng)域應(yīng)主要研究具有自適應(yīng)特征的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制，建立基于服務(wù)語義描述和迭代反饋調(diào)整機(jī)制的資源匹配模型，并提出相應(yīng)的求解方法。

3.資源的動態(tài)管理云計(jì)算資源的動態(tài)管理是個復(fù)雜的問題。在云環(huán)境中，資源的地理分布極廣，類型豐富和數(shù)量巨大，而且要求一定程度的協(xié)同工作：資源是動態(tài)變化的，包括資源屬性的變化，以及在云環(huán)境中的復(fù)制和遷移等；資源工作在異構(gòu)平臺上，并且由不同的管理策略控制；在跨云計(jì)算平臺的資源需求協(xié)調(diào)過程中，資源為不同的組織擁有，這些組織具有不同的使用規(guī)則、計(jì)費(fèi)模型、負(fù)荷能力和使用模型。

在這樣的環(huán)境中，就需要研究一種實(shí)時性強(qiáng)、擴(kuò)展性能優(yōu)異且適應(yīng)資源動態(tài)變化的資源動態(tài)管理機(jī)制， 從而該領(lǐng)域未來的研究方法向應(yīng)致力于協(xié)調(diào)用戶與資源提供者之間的關(guān)系，對資源進(jìn)行有效組織、分配，研究云計(jì)算環(huán)境下基于用戶需求和用戶行為的資源推薦模型及算法，研究獲取跨組織、跨管理域的資源服 務(wù)協(xié)議，建立資源的動態(tài)優(yōu)化分配機(jī)制，最終為云用戶提供優(yōu)質(zhì)的資源服務(wù)。

3 小結(jié)

在動態(tài)的云計(jì)算環(huán)境下對資源實(shí)現(xiàn)有效的管理是保證云計(jì)算系統(tǒng)高效運(yùn)行、資源優(yōu)化配置和服務(wù)即時提供的保障。本文在總結(jié)云計(jì)算資源的基礎(chǔ)上，提出了該領(lǐng)域所面臨的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。并構(gòu)建了云計(jì)算環(huán)境下資源管理框架。

參考文獻(xiàn)

[1]Foster I，et a1.Cloud computing and grid computing 360-degree compared[C].Grid Computing Environments Workshop，IEEE，2008：1-10.

[2]智慧的地球一IBM動態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)白皮書.http//www.ibm.com/cn/express/migratetoibm/dynamicinfrastructure/download/dy7namicinfrastructure_whitepaper0903.pdf.

[3]Michael Armbrust，et a1.Above the Clouds：A Berkeley View of Cloud Computing，mimeo， UCBerkeley，RAD Laboratory，2009.http：//www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2009/EECS-2009-28.pdf.

[4]什么是云計(jì)算？中國云計(jì)算網(wǎng)[EB/OL].http：//www.cloudcomputin92china.cn/Article/ShowArticle.asp？Article ID=1.