面向云數(shù)據(jù)中心的高效能調(diào)度及資源管理研究.pdf

1、隨著云計算技術(shù)的不斷成熟和進步，基于云計算環(huán)境的數(shù)據(jù)中心也隨之發(fā)展，建設(shè)具有良好管理功能的云數(shù)據(jù)中心可以提供高質(zhì)量、安全、可靠的服務(wù)，快速的響應(yīng)日益增長的客戶在線請求。所以，云數(shù)據(jù)中心已經(jīng)得到了越來越多工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究人員的關(guān)注。在高度信息化的現(xiàn)代社會，云數(shù)據(jù)中心的規(guī)模通常都由成千上萬臺計算節(jié)點（如服務(wù)器）及相關(guān)的設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)、冷卻系統(tǒng)）組成，擁有大量的資源，同時隨著需求的增加，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也在劇增。它的存在為人們的生活起到了非常重

2、要的作用，已經(jīng)變成了如同電廠一般的又一基礎(chǔ)設(shè)施。
　　雖然數(shù)據(jù)中心給人們帶來了很多好處和便利條件，但是隨著規(guī)模的擴大現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心存在很多問題，已經(jīng)不能滿足新的需求。首先，為了滿足多樣化的應(yīng)用請求，提高數(shù)據(jù)中心的性能，新型計算系統(tǒng)（如可重構(gòu)系統(tǒng)）的應(yīng)用，將有助于數(shù)據(jù)中心性能的提高，適應(yīng)多樣化的服務(wù)請求，但是該類系統(tǒng)的能耗過高，會致使更大的支出，所以若要將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，就必須解決該類系統(tǒng)能耗開銷大的問題;其次就是數(shù)據(jù)中心的高能耗

3、問題，這個問題不僅使得數(shù)據(jù)中心的服務(wù)供應(yīng)商要承擔巨大的費用（包括電費之內(nèi)的其他相關(guān)費用支出），而且由于數(shù)據(jù)中心的排放物含碳量過高還會對環(huán)境造成嚴重污染。盡管綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，有利于緩解這一問題，但是綠色能源如太陽能、風(fēng)能的預(yù)測性和可持續(xù)性較差，難以持續(xù)保證能源的供應(yīng)。此外，高能耗帶來的另外一個問題就是計算節(jié)點的可靠性，溫度的升高會使得數(shù)據(jù)中心包括計算節(jié)點及相關(guān)設(shè)備的可靠性下降，在運行過程中造成機器失效損壞，嚴重的使得存儲的數(shù)據(jù)丟失，致

4、使巨大的經(jīng)濟后果。最后，隨著規(guī)模的擴大，基于地理分布式數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，使得服務(wù)范圍變廣，客戶請求多，為了滿足這些客戶的服務(wù)需求，良好的資源管理方法可以使得在完成服務(wù)部署后，最大化服務(wù)供應(yīng)商收益，所以設(shè)計一種高效的資源管理方法將請求進行合理分配也是目前數(shù)據(jù)中心亟待解決的問題之一。
　　本文就是在這些問題的研究背景驅(qū)動下，分別從數(shù)據(jù)中心內(nèi)單個系統(tǒng)、集中式數(shù)據(jù)中心以及分布式數(shù)據(jù)中心，展開了對數(shù)據(jù)中心高能耗和資源管理問題的研究。主要解決的

5、問題是:首先，針對可重構(gòu)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的高能耗問題，提出了一種面向基于多FPGAs組件的可重構(gòu)系統(tǒng)高效能調(diào)度算法;其次，面向綠色供能的數(shù)據(jù)中心提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)能耗感知的調(diào)度算法，該算法主要考慮了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通信的能耗損失。接著，在此算法基礎(chǔ)上，將溫度與計算節(jié)點的可靠性相互關(guān)聯(lián)，提出了一種可靠性感知的調(diào)度算法，這種算法好處在于既可以使得數(shù)據(jù)中心最大化的利用太陽能，又可以保證計算節(jié)點的可靠性;最后，隨著數(shù)據(jù)中心由集中式逐漸轉(zhuǎn)為分布式，

6、基于地理分布式的數(shù)據(jù)中心提出一種基于蟻群最優(yōu)化的資源管理方法將服務(wù)請求進行合理分配，最大化了服務(wù)供應(yīng)商收益。
　　具體的本文研究工作主要包括了以下三個方面內(nèi)容:
　　提出了一種基于蟻群最優(yōu)化的高效能調(diào)度算法，擴展了可重構(gòu)計算系統(tǒng)的應(yīng)用。設(shè)計基于多FPGAs組件的可重構(gòu)系統(tǒng)高效能調(diào)度算法的主要挑戰(zhàn)是:資源受限，重構(gòu)開銷，重構(gòu)端口數(shù)量受限以及作業(yè)時限等。這些挑戰(zhàn)的存在使得其高效能調(diào)度方法設(shè)計與傳統(tǒng)的多核調(diào)度不同，為了解決這些問題

7、，本文首先對問題進行了建模，并通過嚴格推導(dǎo)證明問題屬于NP完全問題;接著提出了一種基于蟻群算法的高效能調(diào)度算法(AEE)，并根據(jù)多FPGAs的特點設(shè)計了一種任務(wù)放置啟發(fā)式算法。此外，本文將AEE進行改進用于處理大規(guī)模有約束關(guān)系的作業(yè)集，提出了增強版的eAEE算法。最后，將提出的算法與經(jīng)典的啟發(fā)式算法比較，證明了提出算法在性能和復(fù)雜度上的優(yōu)越性。
　　提出了面向綠色云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)通信能耗感知的調(diào)度算法和可靠性感知的調(diào)度算法。首先，

8、由于網(wǎng)絡(luò)能耗的重要性，基于作業(yè)時限、總體能耗預(yù)算以及太陽能可用性的約束，本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)能耗感知的調(diào)度算法。接著，在此基礎(chǔ)上，通過考慮數(shù)據(jù)中心計算節(jié)點的可靠性，還提出了一種可靠性感知的調(diào)度算法，保證作業(yè)的順利的完成。最后，分別對兩種算法進行了模擬實驗，并與經(jīng)典的算法進行比較，結(jié)果表明了提出算法的優(yōu)越性和有效性。
　　提出了一種基于地理分布的數(shù)據(jù)中心資源管理方法合理分配服務(wù)請求，最大化了服務(wù)供應(yīng)商收益。隨著日益增長的用戶在線請求數(shù)

9、量，為了滿足客戶的服務(wù)，云計算系統(tǒng)從原來的集中式處理轉(zhuǎn)變成基于地理分布的分布式處理。然而，由于各個區(qū)域電價上的差異，服務(wù)提供商在進行服務(wù)部署時的成本是不同的。因此，這就要求設(shè)計一種合理的資源管理方法，最大限度的提高供應(yīng)商收益。現(xiàn)有的算法多是考慮電費作為供應(yīng)商的主要支出，或者忽略多類型的用戶請求。所以，在面臨多類型的請求時，原有算法不再適用。本文提出了一種基于蟻群思想的用戶滿意度感知調(diào)度方法AMP。通過引入用戶滿意度的模型，本文將收益最大