郭 平，馮婷瑩

（重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件理論與技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶400044）

1 引言

云計(jì)算是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型，它將計(jì)算任務(wù)分布在資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲(chǔ)空間和各種軟件服務(wù)[1～3]。

為有效管理云計(jì)算系統(tǒng)中的資源并發(fā)揮其效率，資源監(jiān)測(cè)是必不可少的。資源監(jiān)測(cè)不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)云計(jì)算系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的虛擬機(jī)出現(xiàn)的故障，為解決故障贏得時(shí)間從而及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的性能；而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)資源使用的變化，為任務(wù)調(diào)度和負(fù)載均衡等提供可靠數(shù)據(jù)保障；同時(shí)為資源的使用計(jì)費(fèi)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。因此，研究云計(jì)算環(huán)境下的資源監(jiān)測(cè)，對(duì)云計(jì)算的發(fā)展有著舉足輕重的作用。

對(duì)計(jì)算系統(tǒng)中資源監(jiān)測(cè)的研究起始于20世紀(jì)60年代。隨著分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，資源監(jiān)測(cè)的技術(shù)與方法取得了很大的發(fā)展。例如，PAPI[4]是一種硬件性能計(jì)數(shù)器，當(dāng)產(chǎn)生特定信號(hào)或相關(guān)狀態(tài)時(shí)對(duì)事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)這些事件進(jìn)行檢測(cè)可以獲取代碼和體系結(jié)構(gòu)映射效率的相關(guān)性，以便在性能上進(jìn)行分析和調(diào)整；Ganglia[5]通過對(duì)集群進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取包括內(nèi)存、操作系統(tǒng)、處理器負(fù)載等基本主機(jī)數(shù)據(jù)；Autopilot[6]是一個(gè)分布式性能測(cè)量和資源控制系統(tǒng)，提供在分布式系統(tǒng)中捕獲的網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)；Virtue[7]從 Autopilot接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并允許用戶改變軟件行為和資源策略；MDS[8]是一種基于網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的信息服務(wù)框架，包括資源的發(fā)現(xiàn)、描述、監(jiān)視以及更新，可以幫助網(wǎng)格應(yīng)用程序進(jìn)行自我調(diào)整和配置，也可以幫助用戶了解所搭建網(wǎng)格系統(tǒng)。這些研究對(duì)于分布式系統(tǒng)與網(wǎng)格系統(tǒng)中的資源監(jiān)測(cè)有重要的作用，但如果直接用于云計(jì)算環(huán)境下，則會(huì)有一些不足。一方面，云計(jì)算環(huán)境下的資源是高度虛擬化和彈性化的，同時(shí)云計(jì)算向外提供如IaaS、PaaS、SaaS等不同層次的服務(wù)，除了對(duì)物理服務(wù)器的資源需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，對(duì)運(yùn)行在其上的虛擬機(jī)也需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另一方面，云計(jì)算資源主要分為計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，對(duì)不同類型的資源所需監(jiān)測(cè)的信息也是不同的。例如，對(duì)計(jì)算資源主要監(jiān)測(cè)CPU、內(nèi)存，而對(duì)存儲(chǔ)資源則主要監(jiān)測(cè)硬盤、內(nèi)存。因此，在云計(jì)算系統(tǒng)中，不僅監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)生了變化，而且監(jiān)測(cè)環(huán)境也發(fā)生了變化。

目前，針對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的資源監(jiān)測(cè)，主要集中在數(shù)據(jù)傳輸安全性以及用戶信息服務(wù)上[9]。如使用SLA（service level agreement，服務(wù)等級(jí)協(xié)議）加強(qiáng)用戶交互時(shí)間和安全性[10]以及使用面向方面編程的方法來監(jiān)測(cè)云服務(wù)數(shù)據(jù)[11]。本文提出的云計(jì)算中資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型是對(duì)云計(jì)算環(huán)境中資源使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 云計(jì)算環(huán)境中的資源

云計(jì)算一般分為3層：硬件層、虛擬化層和服務(wù)提供層。硬件層就是傳統(tǒng)意義上的硬件資源，再加上云計(jì)算資源池的控制軟件、操作系統(tǒng)和中間件等。虛擬化層主要是由虛擬化資源、虛擬化映像管理、網(wǎng)絡(luò)和資源存儲(chǔ)等模塊組成，在該層可利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每一個(gè)服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合起來，提供超級(jí)計(jì)算和存儲(chǔ)能力。服務(wù)提供層是云計(jì)算和用戶的交互界面，用戶能夠通過該界面使用后臺(tái)強(qiáng)大的資源，該層提供的服務(wù)方式包括 SaaS、PaaS和IaaS等。

對(duì)云計(jì)算中的資源監(jiān)測(cè)主要集中在硬件層和虛擬化層。此外，需要監(jiān)測(cè)的云計(jì)算資源可以分為計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及管理節(jié)點(diǎn)。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性不同，所以要監(jiān)測(cè)的對(duì)象也不同。計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要處理計(jì)算服務(wù)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要處理用戶數(shù)據(jù)資源的存取工作以及應(yīng)用的存放與處理，管理節(jié)點(diǎn)則是對(duì)其他服務(wù)器進(jìn)行任務(wù)分配以及管理的節(jié)點(diǎn)。

對(duì)云計(jì)算資源的監(jiān)控，能夠掌握系統(tǒng)實(shí)時(shí)情況以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理。對(duì)云計(jì)算資源監(jiān)控為負(fù)載均衡提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)云計(jì)算資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析有助于掌握云計(jì)算系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以便進(jìn)行分析。

3 資源監(jiān)測(cè)模型

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象與監(jiān)測(cè)參數(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)對(duì)象，從功能角度分為存儲(chǔ)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器和管理服務(wù)器；從虛擬化角度分為物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器；而更細(xì)的方面，監(jiān)測(cè)對(duì)象就是操作系統(tǒng)、CPU、內(nèi)存、硬盤、I/O 等。

因?yàn)榉?wù)器的功能不同，所以各服務(wù)器所需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象也就不同。表1給出了針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象需要監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源監(jiān)測(cè)的方法主要分為周期監(jiān)測(cè)和事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種。

周期監(jiān)測(cè)是指監(jiān)測(cè)服務(wù)器按照一定的規(guī)律周期地發(fā)出監(jiān)測(cè)請(qǐng)求，如每隔5 s發(fā)送一次請(qǐng)求，采集器采集各被監(jiān)測(cè)對(duì)象的資源使用相關(guān)數(shù)據(jù)后向監(jiān)測(cè)服務(wù)器反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)控本地服務(wù)器上各虛擬機(jī)對(duì)于CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用情況，并通過綜合獲得當(dāng)前服務(wù)器的整個(gè)資源使用情況。周期監(jiān)測(cè)是為了能夠更加及時(shí)地獲取經(jīng)常變化的對(duì)象數(shù)據(jù)，如內(nèi)存的使用情況。

周期監(jiān)測(cè)又分為固定周期監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)周期監(jiān)測(cè)。固定周期是指監(jiān)測(cè)的間隔完全相同，動(dòng)態(tài)周期則是指根據(jù)一定的規(guī)律來調(diào)整周期。固定周期監(jiān)測(cè)方便監(jiān)測(cè)的統(tǒng)一管理，但沒有根據(jù)所要監(jiān)測(cè)資源的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；動(dòng)態(tài)周期監(jiān)測(cè)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)調(diào)整周期的變化，但如果周期變化規(guī)律過于復(fù)雜又會(huì)給服務(wù)器過重的負(fù)擔(dān)。因此，服務(wù)器需要能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象情況合理調(diào)整周期。

事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)是指當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象產(chǎn)生特定事件時(shí)，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的發(fā)生時(shí)間具有不確定性，沒有特定的規(guī)律，通常與系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用以及系統(tǒng)的狀態(tài)相關(guān)。

表1 監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)參數(shù)

一般情況下，通過周期監(jiān)測(cè)來監(jiān)測(cè)服務(wù)器就足夠了。但當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)生特定事件時(shí)，如更換操作系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)對(duì)象就需要給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送其所在服務(wù)器的最新信息，以便監(jiān)測(cè)服務(wù)器能夠得到最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測(cè)模型

本文基于對(duì)云計(jì)算下資源監(jiān)測(cè)的分析，并結(jié)合云計(jì)算自身的特點(diǎn)，建立如圖1所示的監(jiān)測(cè)模型。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器是用來管理監(jiān)測(cè)事務(wù)的，其主要功能包括發(fā)送監(jiān)測(cè)請(qǐng)求、接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)周期和更新資源狀態(tài)表等。監(jiān)測(cè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)發(fā)送的監(jiān)測(cè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)、接收的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及服務(wù)器的一些處理數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)周期模型模塊是對(duì)服務(wù)器的檢測(cè)周期進(jìn)行處理的模塊，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)周期。狀態(tài)表包括周期狀態(tài)表、監(jiān)測(cè)請(qǐng)求狀態(tài)表等。

被監(jiān)測(cè)對(duì)象包括物理的或虛擬的計(jì)算、存儲(chǔ)和管理服務(wù)器，其主要功能有接收監(jiān)測(cè)請(qǐng)求、獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)主動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。其中，監(jiān)測(cè)請(qǐng)求是由周期監(jiān)測(cè)發(fā)送的；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既包括周期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也包括事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。對(duì)象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)的使用者是指將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)以進(jìn)行后續(xù)工作的功能模塊或人員，如負(fù)載均衡模塊、服務(wù)器管理人員等。

4 監(jiān)測(cè)模型的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 周期的調(diào)整

假設(shè)以監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)服務(wù)器的最小周期單位為t0。監(jiān)測(cè)周期狀態(tài)表中保存的數(shù)據(jù)包括服務(wù)器標(biāo)識(shí)、服務(wù)器類型、資源情況、時(shí)間差、服務(wù)器狀態(tài)、監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)周期等。監(jiān)測(cè)周期存放著還需要過多少個(gè)t0就需要對(duì)服務(wù)器發(fā)送監(jiān)測(cè)請(qǐng)求。

在調(diào)整周期之前，先將監(jiān)測(cè)資源分為3組，分別為計(jì)算、存儲(chǔ)和管理3類。每一類又分成若干個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的數(shù)量取決于具體的云環(huán)境。假設(shè)分為3個(gè)隊(duì)列，分別為qA、qB和qC。qA為資源使用情況超過某一指標(biāo)v1的服務(wù)器所組成的隊(duì)列，qB為低于v1但高于另一指標(biāo)v2的服務(wù)器所組成的隊(duì)列，其他小于v2的則組成qC。

在這3個(gè)隊(duì)列中，qC是三者中運(yùn)行情況最穩(wěn)定也是負(fù)載最低的，通常情況下這種狀態(tài)的服務(wù)器也是最多的，因此整個(gè)qC可以采用共同的監(jiān)測(cè)周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣發(fā)送監(jiān)測(cè)請(qǐng)求也可以減輕監(jiān)測(cè)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

qA則是三者之中最危險(xiǎn)的，因此需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)。對(duì)于這一隊(duì)列的節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行負(fù)載均衡使其擺脫危險(xiǎn)狀態(tài)。每隔t0就對(duì)這個(gè)隊(duì)列的監(jiān)測(cè)狀態(tài)表進(jìn)行如圖2所示的更新。

qB是介于qA和qC二者之間，可以采取類似qC的方法，即整個(gè)隊(duì)列使用共同周期，但這個(gè)周期又比qA的周期要小。如果qA為空，可以將qB中個(gè)別長時(shí)間在qB中且資源使用率比較高的移至qA中進(jìn)行負(fù)載均衡調(diào)節(jié)。

不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象類型所需要的監(jiān)測(cè)周期不同。數(shù)據(jù)波動(dòng)大的資源需要較高的采樣頻率，如CPU；數(shù)據(jù)波動(dòng)小的使用較低的采樣頻率就可以滿足，如磁盤。由此可得，管理服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器以及計(jì)算服務(wù)器3個(gè)組的周期的變化規(guī)律是不同的。將它們分為不同的組，在各個(gè)組里使用若干個(gè)隊(duì)列進(jìn)行動(dòng)態(tài)周期的調(diào)節(jié)由此來實(shí)時(shí)獲取資源信息以及減輕監(jiān)測(cè)服務(wù)器負(fù)擔(dān)。

4.2 事件的選擇

周期監(jiān)測(cè)能夠滿足大部分監(jiān)測(cè)要求，但仍然有一些資源使用情況會(huì)發(fā)生突然的變化，這時(shí)如果仍采用監(jiān)測(cè)周期方法將影響資源監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。產(chǎn)生資源使用突然變化的事件就是事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)要關(guān)注的事件。

云計(jì)算環(huán)境中，事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)的事件主要包括新建虛擬機(jī)、刪除虛擬機(jī)、啟動(dòng)新應(yīng)用、結(jié)束應(yīng)用、改變操作系統(tǒng)、服務(wù)器啟動(dòng)等。

4.3 監(jiān)測(cè)時(shí)間同步

在資源監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘與監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)鐘往往是不同的，這種差異使監(jiān)測(cè)服務(wù)器不能確定被監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)狀況。為此，通過定期在監(jiān)測(cè)服務(wù)器與被監(jiān)測(cè)對(duì)象之間傳送時(shí)間戳來計(jì)算它們的時(shí)鐘差。

基于監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘，假設(shè)監(jiān)測(cè)服務(wù)器向被監(jiān)測(cè)對(duì)象發(fā)送時(shí)鐘同步請(qǐng)求的時(shí)間戳為t1，被監(jiān)測(cè)對(duì)象接收請(qǐng)求的時(shí)間戳為t2，被監(jiān)測(cè)對(duì)象回傳同步請(qǐng)求的時(shí)間戳為t3，監(jiān)測(cè)服務(wù)器接收請(qǐng)求的時(shí)間戳為t4。另外，由于在監(jiān)測(cè)服務(wù)器與被監(jiān)測(cè)對(duì)象之間傳輸?shù)膬H時(shí)鐘同步請(qǐng)求和時(shí)間戳（數(shù)據(jù)量?。?，可假設(shè)數(shù)據(jù)的雙向傳輸?shù)臅r(shí)延是相同的，即：

假設(shè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)鐘比監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘慢δ，那么就有：

其中，t2′是被監(jiān)測(cè)對(duì)象接收同步請(qǐng)求的實(shí)際時(shí)間戳，t3′是被監(jiān)測(cè)對(duì)象向監(jiān)測(cè)服務(wù)器回傳同步請(qǐng)求的實(shí)際時(shí)間戳。結(jié)合式（1）和式（2），有：

即：

由式（2）可知，當(dāng)δ>0時(shí)，被監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)鐘比監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘慢δ；當(dāng)δ=0時(shí)，被監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)鐘與監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘是一致的；當(dāng)δ<0時(shí)，被監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)鐘比監(jiān)測(cè)服務(wù)器的時(shí)鐘快|δ|。通過δ就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)服務(wù)器與被監(jiān)測(cè)對(duì)象間的時(shí)鐘同步，它為云系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

資源監(jiān)測(cè)是云計(jì)算環(huán)境中必不可少的組成部分。根據(jù)云計(jì)算資源的特性，本文提出了基于動(dòng)態(tài)周期和事件驅(qū)動(dòng)的資源監(jiān)測(cè)模型。周期監(jiān)測(cè)對(duì)于大多數(shù)常規(guī)監(jiān)測(cè)是足夠的，但在某些特殊情況下事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以發(fā)揮重要作用。本文提出的資源監(jiān)測(cè)模型結(jié)合了動(dòng)態(tài)周期和事件驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有良好的時(shí)效性；接收的數(shù)據(jù)都以最原始的狀態(tài)保存至數(shù)據(jù)庫，具有良好的魯棒性；監(jiān)測(cè)者與被監(jiān)測(cè)者不需要相互了解其內(nèi)在結(jié)構(gòu)，具有松耦合性；同時(shí)本模型具有可擴(kuò)展性。

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