基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究

宗江琴

（江西省信息科技學(xué)校，江西 南昌330029）

模糊規(guī)劃理論能夠較好地描述，并且模仿人類思維方式，進(jìn)而根據(jù)人的體驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)具有多維度、復(fù)雜性的事物進(jìn)行識(shí)別、判斷以及決策[1-2]?；谀：?guī)劃理論的研究作為一門新興學(xué)科，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)多媒體技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制等多個(gè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[3]。因此，基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度，不僅能夠保證互聯(lián)網(wǎng)信息環(huán)境的安全性、可靠性；還能夠基于云計(jì)算資源的統(tǒng)一分配、管理，提高云計(jì)算服務(wù)器資源的利用率。

1 基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究

1.1 確定云計(jì)算資源調(diào)度優(yōu)先級(jí)

在云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)應(yīng)用過程中，其資源數(shù)據(jù)存在一定數(shù)量的輕量級(jí)任務(wù)。因此，為了提高云環(huán)境下調(diào)度資源與服務(wù)請(qǐng)求的匹配度，需要對(duì)云計(jì)算平臺(tái)中的等待時(shí)間、傳輸時(shí)間以及調(diào)度時(shí)間進(jìn)行調(diào)整[4]。

通過細(xì)粒度任務(wù)的請(qǐng)求方式，以云計(jì)算資源分組為前提，整合云計(jì)算資源調(diào)度數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高云計(jì)算資源的利用率。與此同時(shí)，要關(guān)注到云環(huán)境下的資源調(diào)度是實(shí)時(shí)變化的，需要將云計(jì)算資源的靜態(tài)調(diào)度與動(dòng)態(tài)調(diào)度進(jìn)行融合。具體關(guān)于云計(jì)算資源優(yōu)先級(jí)的調(diào)度流程如圖1 所示：

圖1 云計(jì)算資源優(yōu)先級(jí)的調(diào)度流程

縮短云計(jì)算資源的等待時(shí)間，以及根據(jù)云資源的狀態(tài)信息分組處理是確定資源調(diào)度優(yōu)先級(jí)的關(guān)鍵目標(biāo)，能夠有效提高云計(jì)算資源的利用率。當(dāng)客戶在云計(jì)算平臺(tái)提交服務(wù)需求時(shí)，資源調(diào)度器能夠具有針對(duì)性地提取相關(guān)資源的特征參數(shù)，并根據(jù)服務(wù)器需求資源的節(jié)點(diǎn)，選擇特定的云計(jì)算資源進(jìn)行調(diào)度[5]。與此同時(shí)，云計(jì)算資源的調(diào)度分組會(huì)受到任務(wù)粒度的影響，需要在給定的資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定數(shù)量的資源調(diào)度。

在云計(jì)算資源調(diào)度中，通過云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中心獲取的調(diào)度資源，具有明顯異構(gòu)性，需要根據(jù)云計(jì)算資源調(diào)度的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序。通常情況下，云計(jì)算資源調(diào)度的處理能力，以及帶寬參數(shù)值，通過SCTP 層傳輸協(xié)議，能夠直接影響著云計(jì)算資源的調(diào)度排序結(jié)果。因此，為了減少云計(jì)算服務(wù)器與調(diào)度資源間的傳輸延遲，便需要選擇具有最高通信傳輸率的調(diào)度資源。

1.2 分析模糊變量設(shè)置目標(biāo)參數(shù)

在量化云計(jì)算平臺(tái)用戶應(yīng)用偏好的前提下，根據(jù)云計(jì)算資源的完成時(shí)間、可靠性以及安全性等多方面進(jìn)行有效評(píng)估，進(jìn)而構(gòu)造效用函數(shù)。在基于模糊規(guī)劃理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)云計(jì)算資源調(diào)度的概率問題，對(duì)云計(jì)算資源調(diào)度的空間、隨機(jī)變量以及模糊變量的相關(guān)參數(shù)特征進(jìn)行提取。在基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究中，模糊變量是模糊規(guī)劃理論的數(shù)學(xué)描述，并根據(jù)不同用戶的服務(wù)需求設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

由于云計(jì)算平臺(tái)下用戶資源使用的需求存在一定的偏差，因此在基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度方法中，首先需要明確用戶的資源偏好值，并對(duì)云計(jì)算下的所有資源進(jìn)行量化。因此，通過對(duì)調(diào)度資源的進(jìn)行量化剛性偏好，以及彈性偏好的分析，得到用戶任務(wù)對(duì)云計(jì)算下不同資源屬性的偏好值，具體表達(dá)式如公式（1）所示：

其中，ri表示為云計(jì)算調(diào)度資源；k表示為維度空間；ri(k)表示為云計(jì)算調(diào)度資源ri在k維的特征屬性；表示為偏好區(qū)間；表示為用戶任務(wù)對(duì)云計(jì)算下不同資源屬性的實(shí)際偏好值。

綜上所述，基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度參數(shù)設(shè)置，是利用模糊規(guī)劃的定義、序關(guān)系以及運(yùn)算等形式，規(guī)定云計(jì)算資源調(diào)度的模糊數(shù)排序。與此同時(shí)，根據(jù)云計(jì)算用戶資源的偏好特性，提取模糊規(guī)劃中的參數(shù)特征應(yīng)用于實(shí)際資源調(diào)度。在基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度的過程中，為了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源的最優(yōu)調(diào)度目的，需要考慮在規(guī)定條件下的調(diào)度約束條件。

1.3 構(gòu)建模糊線性規(guī)劃模型實(shí)現(xiàn)調(diào)度

在云計(jì)算資源調(diào)度過程中，引入模糊線性規(guī)劃理論，是將其看作是帶有模糊參數(shù)的云計(jì)算資源優(yōu)化調(diào)度方法。其中，將云計(jì)算平臺(tái)下的用戶看作是資源調(diào)度的約束條件，需要根據(jù)模糊變量的排序規(guī)則，構(gòu)建基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度模型。無(wú)論是云計(jì)算平臺(tái)下的部分調(diào)度資源，還是云計(jì)算平臺(tái)下的全部調(diào)度資源，都可以看作是模糊線性規(guī)劃的系數(shù)。

在基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度過程中，需要首先確定云計(jì)算資源調(diào)度的最大決策模糊集。與此同時(shí)，根據(jù)云計(jì)算資源的參數(shù)特征，深度分析資源調(diào)度的可行解集，與資源調(diào)度的模糊目標(biāo)集之間的兼容程度。

為了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源調(diào)度的最優(yōu)解集，在模糊線性規(guī)劃模型中設(shè)置多目標(biāo)。與此同時(shí)，根據(jù)云計(jì)算資源調(diào)度的多目標(biāo)約束條件，在經(jīng)典的多目標(biāo)線性規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，求解云計(jì)算資源最優(yōu)調(diào)度，具體如公式（2）所示：

基于經(jīng)典的多目標(biāo)線性規(guī)劃模型，Z 表示為目標(biāo)函數(shù)在約束條件下取得的極值；c、k、a、b 均表示為云計(jì)算資源調(diào)度的規(guī)劃常量。

關(guān)于構(gòu)建模糊規(guī)劃理論下的云計(jì)算資源調(diào)度模型，可以通過截集的方法，在基于云計(jì)算調(diào)度資源以及服務(wù)用戶的需求雙目標(biāo)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，精確模糊線性規(guī)劃常量。與此同時(shí)，根據(jù)云計(jì)算資源調(diào)度的約束條件，對(duì)資源調(diào)度的非單調(diào)性情形進(jìn)行實(shí)際規(guī)劃。一定程度上，這不僅簡(jiǎn)化了云計(jì)算資源調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，還極大地提高了云計(jì)算資源的高效調(diào)度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究實(shí)驗(yàn)，需要10 臺(tái)物理服務(wù)器一對(duì)一開啟10 臺(tái)虛擬機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過程中，每臺(tái)云計(jì)算虛擬機(jī)分別運(yùn)行一個(gè)服務(wù)程序，并通過增加服務(wù)器負(fù)荷的方式，完成本次資源數(shù)據(jù)的測(cè)量。在本次研究實(shí)驗(yàn)中，云計(jì)算平臺(tái)共需要10 個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，并且能夠在Intel Xeon 5506 的處理器運(yùn)行。

C1oudSim 是一個(gè)獨(dú)立存在的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠在創(chuàng)建云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，支持云計(jì)算資源的有效調(diào)度。因此，本次基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源調(diào)度與應(yīng)用服務(wù)之間的開源框架，需要在CloudSim 仿真工具下進(jìn)行。

此外，在云計(jì)算平臺(tái)的資源采集過程中，需要通過Linux 操作系統(tǒng)中的IPTraf 數(shù)據(jù)控制臺(tái)，對(duì)云計(jì)算服務(wù)下的資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，可以根據(jù)模糊規(guī)劃理論中的模糊變量，自行調(diào)整調(diào)度參數(shù)，并執(zhí)行云計(jì)算資源調(diào)度代碼。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中心的資源具有動(dòng)態(tài)性、多樣性以及復(fù)雜性。因此，在短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)量大量涌入，甚至超過服務(wù)器負(fù)載時(shí)，極易導(dǎo)致云計(jì)算服務(wù)器崩潰，直接影響服務(wù)效率。由于云計(jì)算的資源調(diào)度直接服務(wù)于客戶，因此用戶滿意度是云計(jì)算資源調(diào)度的關(guān)鍵。針對(duì)不同的服務(wù)客戶，需要根據(jù)自身的服務(wù)特殊性，提供多維度的服務(wù)質(zhì)量保證。

為了驗(yàn)證基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究實(shí)驗(yàn)具有優(yōu)越性，需要將其與傳統(tǒng)的云計(jì)算資源調(diào)度方法進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。其中，將基于經(jīng)典Min-Min 的云計(jì)算資源調(diào)度方法作為傳統(tǒng)方法1；將基于負(fù)載均衡的云計(jì)算資源調(diào)度方法作為傳統(tǒng)方法2。

與此同時(shí)，為了保證不同云計(jì)算調(diào)度方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有客觀性。因此，在云計(jì)算任務(wù)量與資源調(diào)度量一致的情況下，每種調(diào)度方法分別進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)并取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。具體不同云計(jì)算調(diào)度方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1 所示：

表1 不同調(diào)度方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，在云計(jì)算任務(wù)量與資源調(diào)度量一致的情況下，基于經(jīng)典Min-Min 的云計(jì)算資源調(diào)度的傳統(tǒng)方法1 在資源利用率，以及調(diào)度時(shí)間兩個(gè)方面都不占用優(yōu)勢(shì)。基于負(fù)載均衡的云計(jì)算資源調(diào)度的傳統(tǒng)方法2 與本文調(diào)度方法的資源利用率相差不是很大，但基于模糊規(guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度方法中，調(diào)度時(shí)間明顯縮短，僅需17s。

結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算通過互聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供多元化的資源服務(wù)。云計(jì)算資源的有效調(diào)度是云計(jì)算平臺(tái)性能服務(wù)的關(guān)鍵因素，因此，在增加云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中心資源調(diào)度復(fù)雜性的同時(shí)，保證云計(jì)算資源具有異構(gòu)性。云計(jì)算環(huán)境下的服務(wù)存在一定數(shù)量的輕量級(jí)任務(wù)，需要保證云計(jì)算資源節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡性?？偠灾谀：?guī)劃理論的云計(jì)算資源調(diào)度研究，在分析模糊線性規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用模糊規(guī)劃理論，能夠有效解決云計(jì)算資源調(diào)度存在的問題。一定程度上，既能擴(kuò)大云計(jì)算資源的服務(wù)范圍，也能夠保證服務(wù)具有可靠性。