周迪卿

（杭州師范大學(xué)國際服務(wù)工程學(xué)院 瑞薩061班，浙江 杭州 310012）

1 引言

對于構(gòu)建的虛擬機(jī)將共享能力服務(wù)器底層的硬件資源，我們對虛擬機(jī)以及計算資源提供了統(tǒng)一的管理策略。正常工作狀態(tài)下，虛擬機(jī)本身運(yùn)行特定的應(yīng)用為用戶提供計算服務(wù)，由于應(yīng)用的本身差異以及虛擬機(jī)工作狀態(tài)的不同造成對計算資源表現(xiàn)出不同的需求特征，比如在某些時間段內(nèi)，某些虛擬機(jī)上應(yīng)用可能對CPU或memory等計算資源表現(xiàn)敏感，作業(yè)的運(yùn)行較多的消耗CPU時間片或memory，如果虛擬機(jī)當(dāng)前的資源剛好有限，那么虛擬機(jī)本身的負(fù)載可能就比較高;而此時，另外某些虛擬機(jī)可能出于非活動態(tài)(比如睡眠狀態(tài))或虛擬機(jī)內(nèi)部沒有運(yùn)行任何作業(yè)，機(jī)器本身的負(fù)載就比較低。在這樣一種場景下，如果能夠根據(jù)當(dāng)前虛擬機(jī)對資源的需求，重新調(diào)整虛擬機(jī)之間的資源分配狀況(比例)，將有效地緩解當(dāng)前高負(fù)載虛擬機(jī)的資源壓力，同時也能進(jìn)一步提升能力服務(wù)器整體的資源利用率，為此，我們研究了負(fù)載均衡的相關(guān)策略，并基于能力服務(wù)器資源管理的特點(diǎn)引入了能力流動機(jī)制。簡單的說，能力流動就是物理資源在不同虛擬平臺之間以及同一虛擬平臺的不同虛擬節(jié)點(diǎn)之間按需、動態(tài)和透明的“流動”，以保證整個系統(tǒng)始終具有較高的資源利用率、應(yīng)用運(yùn)行效率和負(fù)載均衡性。

2 負(fù)載均衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前信息系統(tǒng)的各個核心部分隨著業(yè)務(wù)量的不斷提高、訪問量和數(shù)據(jù)流量的快速增長，其處理能力和計算強(qiáng)度也相應(yīng)增大，使得單一設(shè)備根本無法承擔(dān)，在此情況下，如果扔掉現(xiàn)有設(shè)備去做大量的硬件升級，這樣將造成現(xiàn)有資源的極大浪費(fèi)，而且如果再面臨下一次業(yè)務(wù)量的提升時，這又將導(dǎo)致硬件升級的高額成本投入，甚至性能再卓越的設(shè)備也不能滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)量的增長，針對此情況而衍生出來的一種廉價、有效、透明的方法，以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性的技術(shù)就是負(fù)載均衡技術(shù)。負(fù)載均衡是一種策略，它能讓多臺服務(wù)器或多條鏈路共同承擔(dān)一些繁重的計算或I/O任務(wù)，從而以較低成本消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。負(fù)載均衡有兩個方面的含義:首先，把大量的并發(fā)訪問或數(shù)據(jù)流量分擔(dān)到多臺節(jié)點(diǎn)設(shè)備上分別處理，減少用戶等待響應(yīng)的時間;其次，單個重負(fù)載的運(yùn)算分擔(dān)到多臺節(jié)點(diǎn)設(shè)備上做并行處理，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備處理結(jié)束后，將結(jié)果匯總，再返回給用戶，使得信息系統(tǒng)處理能力可以得到大幅度提高。從系統(tǒng)的角度來看，負(fù)載均衡技術(shù)根據(jù)其最終實(shí)現(xiàn)的層次可以分為以下兩種：

2.1 作業(yè)拆分

這種負(fù)載均衡方法是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，通過可以將一個高負(fù)載的大作業(yè)進(jìn)行拆分為若干個小任務(wù)，將這些不同的小任務(wù)通過一定的調(diào)度策略分發(fā)到不同的機(jī)器上分別執(zhí)行，當(dāng)作業(yè)執(zhí)行完成后將結(jié)果匯總返回給用戶。類似的應(yīng)用場景比如傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)游戲中整個游戲只有一個服務(wù)器來支持一張異常龐大的地圖，這種超級制作運(yùn)轉(zhuǎn)起來難度自然相當(dāng)大。為了使服務(wù)器運(yùn)轉(zhuǎn)暢通無阻，以保證服務(wù)器后臺的高可用性，實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載均衡和動態(tài)可擴(kuò)展性，令地圖可連續(xù)跨接在多個服務(wù)器上。當(dāng)玩家發(fā)生跨服動作時達(dá)到一種無縫的平滑的效果，玩家甚至感覺不到己切換地圖或服務(wù)器，在這里就是通過將一個大作業(yè)進(jìn)行劃分后部署到后臺的集群服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡同時也提高了為用戶服務(wù)的效率和質(zhì)量。

2.2 硬件升級

這種是通過調(diào)整或升級底層硬件資源達(dá)到負(fù)載均衡，相關(guān)的硬件資源包含了CPUmemory.disk等。具體的硬件升級或調(diào)整方法可以是添加新硬件實(shí)現(xiàn)資源的擴(kuò)充，也可以是拋棄現(xiàn)有的設(shè)備更換全新的硬件資源。對于前者只需要在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加新的硬件資源即可，比如通過購買新的內(nèi)存增加總的內(nèi)存容量;然而隨著當(dāng)前硬件設(shè)備的迅速發(fā)展，可能某些硬件設(shè)備出現(xiàn)新舊兼容問題，就可能需要扔掉現(xiàn)有設(shè)備去做大量的硬件升級，這樣將造成現(xiàn)有資源的極大浪費(fèi)，而且如果再面臨下一次業(yè)務(wù)量的提升時，這又將導(dǎo)致硬件升級的高額成本投入。就能力服務(wù)器而言，由于應(yīng)用場景的差異通過將作業(yè)拆分成更小的粒度達(dá)到負(fù)載均衡顯得不太合適。相反，由于引入了虛擬化，實(shí)現(xiàn)對底層物理服務(wù)器資源的全局映射，支持虛擬平臺對全局虛擬化后的物理資源的訪問和共享，我們可以試圖采用新的硬件升級模式來做到負(fù)載均衡，這就是我們下面將要介紹的能力流動機(jī)制，能力流動即所謂的計算資源流動，就是指當(dāng)某臺虛擬機(jī)的計算資源利用達(dá)到飽和，其他虛擬機(jī)卻仍然有空閑計算資源時，我們能夠通過某種調(diào)度策略將空閑虛擬機(jī)的一部分計算資源動態(tài)分配給資源飽和的虛擬機(jī)，平衡當(dāng)前虛擬機(jī)之間的負(fù)載。

3 能力流動機(jī)制分析

3.1 能力流動概述

從第一臺電子計算機(jī)ANIARC的誕生至今，計算機(jī)的構(gòu)建模式就一直遵循馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)即計算機(jī)的組成包含運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分。在個人PC或企業(yè)服務(wù)器中CPU等部件與操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)綁定，當(dāng)應(yīng)用對硬件資源的需求增加時，如果當(dāng)前機(jī)器無法滿足應(yīng)用需求，此時用戶要想提高機(jī)器的運(yùn)算能力需要通過硬件升級實(shí)現(xiàn)，對于這問題企業(yè)服務(wù)器表現(xiàn)的尤為明顯。同時，企業(yè)內(nèi)部普遍資源分布的不均衡，某些服務(wù)器資源利用率很高，而另外一些則較低，由于機(jī)器本身的獨(dú)立性和對資源的獨(dú)占性導(dǎo)致了資源極大浪費(fèi)。然而能力服務(wù)器打破了傳統(tǒng)機(jī)器設(shè)備獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)底層資源整合以及底層物理服務(wù)器資源的全局映射，支持虛擬平臺對全局虛擬化后的物理資源的訪問和共享，能夠根據(jù)用戶的需求實(shí)時調(diào)整虛擬機(jī)資源的分配，實(shí)現(xiàn)計算資源的動態(tài)流動。

能力計算思想是能力服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的核心基礎(chǔ)，我們將CPU提供的運(yùn)算能力，內(nèi)存和硬盤提供的存儲能力統(tǒng)稱為能力資源，配合能力服務(wù)器虛擬資源管理相關(guān)策略實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)之間的能力流動即計算資源的流動。能力流動實(shí)現(xiàn)了計算資源(CPU,memory)在不同虛擬平臺之間以及同一虛擬平臺的不同虛擬節(jié)點(diǎn)之間按需、動態(tài)和透明的“流動”，以保證整個系統(tǒng)始終具有較高的資源利用率、應(yīng)用運(yùn)行效率和負(fù)載均衡性。

3.2 能力流動的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)資源全局映射，能力服務(wù)器的資源管理系統(tǒng)呱對全局資源可見，它可以根據(jù)當(dāng)前服務(wù)節(jié)點(diǎn)資源使用情況為某一虛擬機(jī)分配所需資源。Decision module模塊是整個資源流動的核心。它需要為資源在虛擬機(jī)之間按需、動態(tài)和透明的“流動”進(jìn)行關(guān)鍵的決策，解決上述三個“流動”決策問題，接下來分析解決上述決策問題的基本思路和策略:

3.2.1 “流動”遵循總原則

能力服務(wù)器中的虛擬機(jī)在創(chuàng)建初期均設(shè)置了相應(yīng)的優(yōu)先級參數(shù)，優(yōu)先級可由用戶指定，亦可采用系統(tǒng)的默認(rèn)級別。優(yōu)先級總分為以下五個級別:a.最高;b.高于標(biāo)準(zhǔn);c.標(biāo)準(zhǔn);d.低于標(biāo)準(zhǔn);e.最低，默認(rèn)優(yōu)先級是“標(biāo)準(zhǔn)”，同時規(guī)定：能力流動只能是由優(yōu)先級低虛擬機(jī)流向優(yōu)先級高的虛擬機(jī)，一旦作業(yè)運(yùn)行結(jié)束能力需要回流歸位。

3.2.2 “流動”時機(jī)的選擇

資源流動采用laze flowing的機(jī)制，基本思想是：當(dāng)收到某VM要減少其某種資源的請求時，并不真正減少其對該資源的使用，而僅僅進(jìn)行簡單的記錄;只有當(dāng)收到某VM要增加該類資源的請求時，才真正實(shí)現(xiàn)資源在這兩者間的“流動”。資源“流動”后，該資源的前擁有者不能夠再使用該資源，除非它將該資源再次借入。

當(dāng)收到某VM要增加其某種資源的請求時，Decision module會首先檢查其記錄的信息，看是否有空閑的該類資源，如果有則進(jìn)行相應(yīng)的資源“流動”:如果沒有，Decision module模塊會根據(jù)VM的動態(tài)優(yōu)先級進(jìn)行決策:若請求增加資源的VM的優(yōu)先級不是最低的，將控制資源從最低優(yōu)先級的VM流向請求資源的VM;若請求增加資源的VM的優(yōu)先級是最低的，則拒絕其增加資源的請求。(為防止某一虛擬機(jī)因為優(yōu)先級低而造成對資源的請求永遠(yuǎn)被拒絕，故此優(yōu)先級采用動態(tài)的變化，即隨時間增加，它的優(yōu)先級也會變大。簡單的說，只有當(dāng)有VM請求增加資源時，才有可能會激發(fā)真正的資源“流動”;但并不是所有的增加資源的請求都會引發(fā)資源“流動”，這要看整個系統(tǒng)當(dāng)前的狀況和發(fā)起請求的VM當(dāng)前的優(yōu)先級。

3.2.3 “流動”對象及其量的確定

對于哪類資源要“流動”，“流動”多少的問題，主要取決于收到的請求，VM要改變其所擁有資源時，須明確指出要改變哪類資源，改變多少。但真正改變的量還是會根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀況和提出請求的VM的當(dāng)前優(yōu)先級由Decision module模塊決定。若系統(tǒng)能夠滿足該VM的請求，將會滿足它:若不能，則會滿足部分或拒絕。

能力流動機(jī)制的引入，可以有效地解決了同一物理服務(wù)器內(nèi)部不同虛擬機(jī)之間的資源負(fù)載的均衡，實(shí)現(xiàn)了不同虛擬機(jī)之間資源的共享，提高了物理服務(wù)器的資源利用率。

[1]孫毓忠，常亮，未來企業(yè)信息化的基石-能力服務(wù)體系基礎(chǔ)，信息技術(shù),2006.

[2]李國杰，關(guān)于超級計算與能力服務(wù)的戰(zhàn)略思考，信息技術(shù)快報,2005.

[3]李國杰，關(guān)于下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用模式的思考，2002.