大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)能耗控制與性能優(yōu)化.pdf

1、由于人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求急劇增長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供系統(tǒng)的數(shù)量和規(guī)模出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),同樣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的耗電量也在快速增加。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)耗電量的增加,不僅提高了系統(tǒng)運(yùn)行代價(jià),而且制約著系統(tǒng)性能的提升,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。無(wú)論從環(huán)境角度還是經(jīng)濟(jì)角度,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的能耗控制日益成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要因素。在所有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中,多媒體應(yīng)用占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)流量的統(tǒng)治地位,而且還在迅速增加,因此多媒體集群系統(tǒng)的能耗控制和性能優(yōu)化具有重要的學(xué)術(shù)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2、r>　　 本文針對(duì)大規(guī)模多媒體服務(wù)系統(tǒng)的能耗控制和性能優(yōu)化進(jìn)行研究,主要圍繞多媒體集群和多媒體網(wǎng)關(guān),利用成比例計(jì)算(proportionalcomputing)思想,在實(shí)際工程背景下,通過(guò)建立描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化的數(shù)學(xué)模型,在模型下推導(dǎo)系統(tǒng)最優(yōu)控制策略以實(shí)現(xiàn)資源與負(fù)載的自適應(yīng)匹配。本文的分析思路和數(shù)學(xué)模型,具有較好的一般性和實(shí)用價(jià)值,能夠應(yīng)用到其它網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這些創(chuàng)新工作可以簡(jiǎn)要概括如下:
　　 針對(duì)VoD(videoondema

3、nd)服務(wù)集群的能耗控制,本文在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上提出使用分層優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行能耗控制和性能優(yōu)化,在集群端優(yōu)化集群系統(tǒng)資源的單位收益率,在客戶(hù)端利用客戶(hù)端自適應(yīng)技術(shù)補(bǔ)償由于集群端調(diào)節(jié)帶來(lái)的性能降低。在集群端使用自底向上的思路進(jìn)行分析,并提出了一種兩層Markov切換狀態(tài)空間控制過(guò)程模型來(lái)描述集群系統(tǒng)分層動(dòng)態(tài)特性。該模型將系統(tǒng)分為兩個(gè)層級(jí),下層為QoS層,優(yōu)化目標(biāo)為提高系統(tǒng)的QoS,上層為能量層,優(yōu)化目標(biāo)為降低系統(tǒng)能耗。兩層結(jié)構(gòu)總的優(yōu)化目標(biāo)為性能/能

4、耗比的最大化。本文提出了一種遞階協(xié)同優(yōu)化算法來(lái)求解最優(yōu)控制策略。在客戶(hù)端本文研究自適應(yīng)播放控制技術(shù),來(lái)對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)或者服務(wù)器端資源受限可能帶來(lái)的緩沖區(qū)下溢。針對(duì)該問(wèn)題首先提出了一種統(tǒng)計(jì)模型來(lái)估計(jì)緩沖區(qū)的下溢時(shí)間,然后在下溢時(shí)間估計(jì)基礎(chǔ)上,提出了一種基于雙門(mén)限的幀率調(diào)節(jié)算法,其中雙門(mén)限會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和緩存狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)速率調(diào)節(jié)的及時(shí)性。算法在調(diào)節(jié)幀率時(shí),考慮播放幀的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,從而提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)(QoE)。
　　 針對(duì)目前

5、流行的時(shí)延電視集群系統(tǒng)能耗控制問(wèn)題,首先建立了具有能耗控制功能的時(shí)延電視集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu),它能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)資源利用率等狀態(tài)信息,并能通過(guò)能耗控制器執(zhí)行控制策略,動(dòng)態(tài)調(diào)整集群系統(tǒng)可用資源數(shù)量。在該結(jié)構(gòu)下,本文分別考慮使用平穩(wěn)確定和隨機(jī)性策略對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)使用平穩(wěn)確定性策略時(shí),本文將集群系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置問(wèn)題建模成Markov切換狀態(tài)控制過(guò)程模型,通過(guò)該模型來(lái)優(yōu)化集群服務(wù)器的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟和關(guān)閉。結(jié)合性能勢(shì)理論和性能勢(shì)的在線(xiàn)估計(jì),提出了集群動(dòng)態(tài)能耗控制的

6、在線(xiàn)優(yōu)化算法。該算法通過(guò)樣本軌道求解最優(yōu)策略,不需要系統(tǒng)參數(shù)信息。當(dāng)使用平穩(wěn)隨機(jī)性策略時(shí),將節(jié)目和連接數(shù)分等級(jí),實(shí)現(xiàn)狀態(tài)空間的大幅度下降。隨機(jī)模型同樣采用Markov切換狀態(tài)空間控制過(guò)程模型,系統(tǒng)的能耗控制被建模為一個(gè)帶約束的隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題,優(yōu)化目標(biāo)為在滿(mǎn)足阻塞率約束下,最小化系統(tǒng)能耗。結(jié)合Lagrange乘子法和性能梯度韻在線(xiàn)估計(jì),提出了一種策略迭代算法求解最優(yōu)控制策略,并在理論上證明了算法的收斂性。
　　 考慮多媒體服務(wù)提供時(shí)

7、網(wǎng)絡(luò)層的能耗控制,研究利用自適應(yīng)鏈路速率調(diào)節(jié)技術(shù),通過(guò)控制多媒體網(wǎng)關(guān)的帶寬達(dá)到能耗控制的目的。首先對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分析,包括并發(fā)流量數(shù)、連接持續(xù)時(shí)間、多媒體數(shù)據(jù)特性等;然后引入MMPP模型對(duì)多媒體數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模,在該模型基礎(chǔ)上,本文將多媒體網(wǎng)關(guān)能耗控制建模為一個(gè)帶約束的半Markov決策過(guò)程。推導(dǎo)了基于嵌入Markov鏈的性能靈敏度公式,并在樣本軌道上通過(guò)再生周期估計(jì)性能梯度,最后提出在線(xiàn)性能優(yōu)化算法。相比于傳統(tǒng)的線(xiàn)性規(guī)劃和基于擬無(wú)