王霞俊

0 引言

作為一種新興的商業(yè)計(jì)算模型，云計(jì)算技術(shù)將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用作為服務(wù)（基礎(chǔ)設(shè)施Infrastructure as a Service，簡(jiǎn)稱IaaS、應(yīng)用平臺(tái)Platform as a Service，簡(jiǎn)稱PaaS和應(yīng)用軟件Software as a Service，簡(jiǎn)稱Saas），以按需付費(fèi)的方式提供給終端用戶，目的是希望實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的有效、動(dòng)態(tài)、靈活應(yīng)用[3]。云計(jì)算模式下的應(yīng)用服務(wù)（例如社交網(wǎng)絡(luò)、web租用、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,等等）都有不同的、復(fù)雜的組件、配置和部署條件和要求，根據(jù)現(xiàn)有條件在異構(gòu)真實(shí)的云計(jì)算環(huán)境（比如EC2，Azure）下，對(duì)云端基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)荷、節(jié)能、系統(tǒng)規(guī)模、資源調(diào)度分配策略和性能等指標(biāo)進(jìn)行重復(fù)、可伸縮的試驗(yàn)來(lái)對(duì)不同應(yīng)用模式進(jìn)行量化、評(píng)價(jià)是非常困難的。為此，需要一個(gè)云計(jì)算環(huán)境的分布式系統(tǒng)模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算試驗(yàn)的模擬，降低研究測(cè)試門檻和成本。

文章介紹了云計(jì)算的仿真工具CloudSim，描述了其架構(gòu)、工作原理、核心類庫(kù)。對(duì)CloudSim模擬云環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為了說(shuō)明CloudSim的擴(kuò)展仿真方法和過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自定義的云任務(wù)調(diào)度算法的擴(kuò)展，并在擴(kuò)展平臺(tái)下對(duì)算法性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果證明CloudSim的效率是比較優(yōu)異的。

1 CloudSim

1.1 CloudSim概述

CloudSim[1,3]云計(jì)算仿真工具是澳大利亞墨爾本大學(xué)Rajkumar Buyya教授領(lǐng)導(dǎo)的網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)室和Gridbus項(xiàng)目推出的云計(jì)算仿真軟件。

CloudSim是在GridSim模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，提供了云計(jì)算的特性，支持云計(jì)算的資源管理和調(diào)度模擬。云計(jì)算最大的特點(diǎn)是：采用了成熟的虛擬化技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心的資源虛擬化為資源池，打包對(duì)外向用戶提供服務(wù)。CloudSim恰好體現(xiàn)了此特點(diǎn)，擴(kuò)展部分實(shí)現(xiàn)了一系列接口，提供基于數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù)、虛擬化云的建模和仿真功能。

CloudSim是開(kāi)源的，可以在windows 和linux上運(yùn)行，用戶可以根據(jù)自己的研究?jī)?nèi)容自行擴(kuò)展 CloudSim，加入自己的代碼，重新編譯并發(fā)布平臺(tái)即可。

1.2 CloudSim體系結(jié)構(gòu)

CloudSim軟件框架的多層設(shè)計(jì)特征以及其體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 CloudSim層次體系結(jié)構(gòu)

Cloudsim 初始版本（1.0 beta）使用離散事件模擬包SimJava作為仿真引擎，可支持一些核心函數(shù)（如事件隊(duì)列和處理，云系統(tǒng)實(shí)體的創(chuàng)建（服務(wù)、主機(jī)、數(shù)據(jù)中心、代理器、虛擬機(jī)），組件間消息傳遞、仿真時(shí)鐘的管理）。然而在CloudSim 2.0以后版本中，由于不支持更高級(jí)的操作以及版權(quán)問(wèn)題，SimJava層已經(jīng)被去除。1）CloudSim核心模擬的引擎：

為了使仿真過(guò)程中能夠包括多個(gè)實(shí)體的復(fù)雜場(chǎng)景，CloudSim采用了一種新的事件管理框架。類圖的核心部分，如圖2(a)所示：

圖2 (a)CloudSim核心模擬引擎類圖

CloudSim：這是主類，主要負(fù)責(zé)管理事件隊(duì)列和控制仿真事件的按步驟執(zhí)行。

DeferredQueue：該類實(shí)現(xiàn)了供CloudSim使用的延時(shí)事件隊(duì)列。

FutureQueue：該類實(shí)現(xiàn)了供 CloudSim 使用的未來(lái)事件隊(duì)列。

CloudInformationService（CIS）：CIS是一個(gè)提供了注冊(cè)、索引、發(fā)現(xiàn)資源能力的實(shí)體。

SimEntity：這是一個(gè)抽象類，負(fù)責(zé)發(fā)送消息給其他實(shí)體以及處理接收到的消息，如放棄或處理事件。

CloudSimTags：這個(gè)類包含了多個(gè)靜態(tài)事件/命令標(biāo)簽，用來(lái)指出當(dāng)接收或發(fā)送事件時(shí)需由CloudSim實(shí)體采取的動(dòng)作類型。

SimEvent：該實(shí)體類描繪了兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體之間傳送仿真事件的過(guò)程。

CloudSimShutdown：該實(shí)體類主要是等待所有終端用戶和代理實(shí)體的結(jié)束，然后發(fā)送仿真結(jié)束信號(hào)給CIS。

Predicate：該類是用于從延時(shí)隊(duì)列中選擇事件。是一個(gè)抽象類，必須創(chuàng)建一個(gè)新類來(lái)擴(kuò)展它。一些標(biāo)準(zhǔn)的predicates類，如圖2（b）所示：

圖2 (b)CloudSim核心模擬引擎類圖

2）Cloudsim仿真層：

該層提供了對(duì)基于云的虛擬數(shù)據(jù)中心環(huán)境的建模與仿真的支持，包括對(duì)虛擬機(jī)、內(nèi)存、容量、帶寬的專用管理接口管理。這層要處理的基本問(wèn)題包括：虛擬機(jī)分配到主機(jī)的調(diào)度，管理應(yīng)用程序的執(zhí)行和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)。一個(gè)云提供商如果想要研究在分配其主機(jī)到虛擬機(jī)上的不同策略的有效性，就必須在這層來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的策略。這些實(shí)現(xiàn)策略可以通過(guò)擴(kuò)展編寫核心VM分配函數(shù)（VM provisioning）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）用戶代碼層：

在Cloudsim結(jié)構(gòu)中最上層是用戶代碼層：該層提供了一些基本的實(shí)體，如主機(jī)實(shí)體（機(jī)器數(shù)量、特性等）、應(yīng)用（任務(wù)數(shù)和條件）、VMs、用戶數(shù)和應(yīng)用類型、代理調(diào)度策略。在此處通過(guò)擴(kuò)展給定的基本實(shí)體，一個(gè)云應(yīng)用開(kāi)發(fā)商可以執(zhí)行以下功能：（1）生成一個(gè)混合的工作任務(wù)負(fù)責(zé)分配請(qǐng)求和應(yīng)用配置請(qǐng)求；（2）建立基于云的可用場(chǎng)景和根據(jù)自定義配置進(jìn)行魯棒性測(cè)試；（3）為云和聯(lián)合云實(shí)現(xiàn)自定義應(yīng)用分配技術(shù)。

1.3 CloudSim類的設(shè)計(jì)圖

Cloudsim相關(guān)的基礎(chǔ)類共同組成了仿真器。Cloudsim整體類的設(shè)計(jì)圖，如圖3所示：

圖3 Cloudsim整體類設(shè)計(jì)圖

依據(jù)CloudSim源代碼，有幾個(gè)核心類：

（1）Cloudlet類：構(gòu)建云環(huán)境下的任務(wù)。

（2）DataCenter類：數(shù)據(jù)中心，提供虛擬化的網(wǎng)格資源，處理虛擬機(jī)信息的查詢，包含虛擬機(jī)對(duì)資源的分配策略，云計(jì)算采用VM Provisioner處理虛擬機(jī)。

（3）DataCenterBroker類：隱藏了虛擬機(jī)的管理，如創(chuàng)建、任務(wù)提交、虛擬機(jī)的銷毀等。

（4）Host類：擴(kuò)展了機(jī)器對(duì)虛擬機(jī)除處理單元（PE）之外的參數(shù)分配策略，如帶寬、存儲(chǔ)空間、內(nèi)存等，一臺(tái)Host可對(duì)應(yīng)多臺(tái)虛擬機(jī)。

（5）VirtualMachine類：虛擬機(jī)類，運(yùn)行在Host上，與其它虛擬機(jī)共享資源，每臺(tái)虛擬機(jī)由一個(gè)擁有者所有，可提交任務(wù)，并由VMScheduler類定制該虛擬機(jī)的調(diào)度策略。

（6）VMScheduler類：虛擬機(jī)的調(diào)度策略（分配核的策略，時(shí)間的，空間的），用來(lái)管理執(zhí)行任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)接口。

（7）VMCharacteristics類：提供虛擬機(jī)描述。

（8）VMMAllocationPolicy類：虛擬機(jī)監(jiān)視器策略類，描述同一Host上的多臺(tái)虛擬機(jī)共享資源的策略。

（9）VMProvisioner類：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的主機(jī)到虛擬機(jī)的映射。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 任務(wù)的描述

云計(jì)算任務(wù)調(diào)度，就是如何對(duì)用戶提交的工作任務(wù)進(jìn)行計(jì)算資源分配和管理，即將相互獨(dú)立的 N項(xiàng)任務(wù)分配到M種異構(gòu)可用的資源上，使得任務(wù)的最大完成總時(shí)間最小，同時(shí)使得資源利用率最高。

在CloudSim中，最簡(jiǎn)單的一種任務(wù)調(diào)度就是：根據(jù)一定的調(diào)度策略，將云任務(wù)分配到相應(yīng)的虛擬機(jī)級(jí)別上的調(diào)度技術(shù)。

2.2 具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本文使用云計(jì)算仿真平臺(tái)CloudSim2.1.1進(jìn)行模擬，并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，重寫了 DataCenterBroker類中提供的的bindCloudletToVm(int cloudletId, int vmId)進(jìn)行測(cè)試模擬，分別采用 First-Come-First-Serve （FCFS）調(diào)度算法，貪心（Greedy）調(diào)度算法，分別編寫新方法bindCloudletsToVmsFCFS()和 bindCloudletsToVmsGreedy()。編程工具為 Eclipse-SDK-4.2.1。

評(píng)價(jià)指標(biāo)采用 makespan，即 Maximum Completion Time(MCT)，虛擬機(jī)上的所有任務(wù)的最大完成時(shí)間。期望makespan 最小。

設(shè)計(jì)了兩個(gè)場(chǎng)景：一個(gè)是虛擬機(jī)個(gè)數(shù)固定（5個(gè)），PE運(yùn)算速度在 100-300 MIPS（Million of Instructions Per Second）之間隨機(jī)產(chǎn)生，云任務(wù)長(zhǎng)度在 10000-50000 MI（Million of Instructions）之間隨機(jī)產(chǎn)生，任務(wù)個(gè)數(shù)分別從10，30，50，80到100，在兩種調(diào)度算法下運(yùn)行，每次試驗(yàn)運(yùn)行20次，最后統(tǒng)計(jì)每次的makespan平均值。測(cè)試結(jié)果，如圖4所示：

圖4 虛擬機(jī)=5，云任務(wù)個(gè)數(shù)增加

第二個(gè)場(chǎng)景是：云任務(wù)數(shù)固定（200個(gè)），長(zhǎng)度在10000-50000 MI之間隨機(jī)產(chǎn)生，PE運(yùn)算速度在 100-300 MIPS之間隨機(jī)產(chǎn)生，虛擬機(jī)個(gè)數(shù)分別從5，10，20，30到50，在兩種調(diào)度算法下運(yùn)行，每次試驗(yàn)運(yùn)行20次，最后統(tǒng)計(jì)每次的makespan平均值。測(cè)試結(jié)果，如圖5所示：

圖5 云任務(wù)個(gè)數(shù)=200，虛擬機(jī)增加

通過(guò)自定義的云任務(wù)調(diào)度算法的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析研究，可以看出，不管是在哪種場(chǎng)景下，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度策略，可以很好地優(yōu)化計(jì)算資源的分配和管理。同時(shí)也很好地說(shuō)明了CloudSim的擴(kuò)展仿真是很方便的，效率是比較優(yōu)異的。

3 總結(jié)

雖然云計(jì)算得到了全世界知名計(jì)算機(jī)公司和軟件供應(yīng)商的大力支持，但是作為一個(gè)新興的分布式計(jì)算模式，在有效處理基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用水平復(fù)雜性上還是缺乏給定的標(biāo)準(zhǔn)、工具和方法。而CloudSim是云計(jì)算環(huán)境下的優(yōu)秀的模擬與仿真工具，通過(guò)擴(kuò)展已有的基本函數(shù)，無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是企業(yè)界，都能夠基于特殊場(chǎng)景和配置環(huán)境下進(jìn)行核心算法、政策和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的研究、測(cè)試，這對(duì)于科研工作者以及企業(yè)在云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、商業(yè)產(chǎn)品的測(cè)試和部署等都有著不可估量的作用。

[1]劉鵬.云計(jì)算（第二版）[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2011.05

[2]M. Armbrust, A. Fox, R. Griffith, et. al. Above the Clouds:A Berkeley View of Cloud Computing. Technical Report No. UCB/EECS-2009-28, University of California at Berkley, USA, Feb. 10, 2009. [OL]http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2009/EECS-2009-28.pdf

[3]Rodrigo N. Calheiros, Rajiv Ranjan, Anton Beloglazov, et.al. CloudSim: A Toolkit for Modeling and Simulation of Cloud Computing Environments and Evaluation of Resource Provisioning Algorithms, Software: Practice and Experience (SPE), [J]Volume 41, Number 1, Pages: 23-50,ISSN: 0038-0644, Wiley Press, New York, USA, January,2011.

[4]Ghosh, T.K. ,Goswami, R. ; Bera, S. ,Barman, S.. Load balanced static grid scheduling using Max-Min heuristic.[j]2nd IEEE International Conference on Parallel Distributed and Grid Computing (PDGC2012), pp.419–423,2012.