王 元，王志明

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京工程學(xué)院 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引 言

監(jiān)控作為管理云計(jì)算平臺(tái)的重要舉措之一，使得管理員能夠獲取系統(tǒng)運(yùn)行的信息，從而調(diào)整自己的行為，提供更高的服務(wù)質(zhì)量[1-4]。開(kāi)源云平臺(tái)OpenStack有多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，不同物理節(jié)點(diǎn)之間在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)消耗一定的帶寬。而監(jiān)控作為一種管理手段，不應(yīng)該消耗過(guò)多的帶寬資源。因此，在OpenStack云平臺(tái)中構(gòu)建合理的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的預(yù)測(cè)能力，也就是說(shuō)能夠預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，這樣可以減少物理節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸[5]。然而，監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力，即預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，是至關(guān)重要的，同樣也是一個(gè)難點(diǎn)。

在OpenStack云平臺(tái)提供的Ceilometer項(xiàng)目的基礎(chǔ)上[6-8]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)在不同時(shí)刻采用不同的預(yù)測(cè)算法，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的資源狀態(tài)。

1 基本的預(yù)測(cè)算法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者都在研究云平臺(tái)中的預(yù)測(cè)算法，通過(guò)預(yù)測(cè)算法對(duì)下一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[9]提出一種使用馬爾可夫鏈模型(Markov chain model，MCM)來(lái)預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔(MTI)的監(jiān)測(cè)機(jī)制，基于預(yù)測(cè)狀態(tài)和作業(yè)處理時(shí)間，調(diào)整監(jiān)視時(shí)間間隔。文獻(xiàn)[10]提出一種基于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)技術(shù)，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔。從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，找到規(guī)律、數(shù)據(jù)的特征，以一定的可信度預(yù)測(cè)未來(lái)事件。

1.1 線性回歸分析

線性回歸分析預(yù)測(cè)是一種通過(guò)分析自變量和因變量之間的關(guān)系，構(gòu)建變量間的線性回歸方程，通過(guò)該方程根據(jù)自變量的變化來(lái)預(yù)測(cè)因變量值的預(yù)測(cè)算法[11-12]。

OpenStack云平臺(tái)中的內(nèi)存利用率如表1所示。

表1 內(nèi)存利用率

將表1中的前五個(gè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，后五個(gè)作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。在使用線性回歸算法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，得到的直線方程為y=25.267 84。預(yù)測(cè)后五個(gè)數(shù)據(jù)，若誤差容忍度為1，命中率為20%。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 線性回歸算法預(yù)測(cè)

線性回歸算法預(yù)測(cè)的結(jié)果呈正相關(guān)關(guān)系，可以在一定程序上預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，但是無(wú)法保證其精度。由于其直線的特性，對(duì)于某些變動(dòng)比較大的數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，線性回歸無(wú)法適應(yīng)于要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)。

1.2 馬爾可夫預(yù)測(cè)

馬爾可夫預(yù)測(cè)法是一種預(yù)測(cè)事件發(fā)生概率的方法，不僅能列出事件發(fā)生的各種可能結(jié)果，還給出了每一種結(jié)果發(fā)生的概率，即事件在預(yù)測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)該種結(jié)果的可能性程度。在馬爾可夫鏈模型中，事件在任何時(shí)間發(fā)生的概率是先前時(shí)間段發(fā)生的事件的概率函數(shù)[13]。

使用離散時(shí)間馬爾可夫鏈算法[14]對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，狀態(tài)劃分情況如表3所示(轉(zhuǎn)移矩陣的每個(gè)狀態(tài)所表示的區(qū)間寬度為1)。預(yù)測(cè)后五個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)ETD=1時(shí)，命中率為50%。另外，由于在29這個(gè)狀態(tài)上沒(méi)有訓(xùn)練數(shù)據(jù)，根據(jù)算法設(shè)定預(yù)測(cè)值是它自己的狀態(tài)。(注：如果預(yù)測(cè)失敗，小括號(hào)里的表示調(diào)整后的狀態(tài))

表3 DTMC算法狀態(tài)劃分以及預(yù)測(cè)

從表3可看出，DTMC預(yù)測(cè)算法的狀態(tài)劃分對(duì)預(yù)測(cè)的命中率起著決定性作用，五個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)相差都不大，如果狀態(tài)劃分的分割點(diǎn)是26.440 5，命中率則達(dá)到70%。由此可看出，僅僅是因?yàn)闋顟B(tài)劃分的問(wèn)題而造成的命中率只有40%。一個(gè)好的劃分不但能提高DTMC算法預(yù)測(cè)的命中率，而且還能降低算法的開(kāi)銷(xiāo)。然而在云計(jì)算環(huán)境中，數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化的，一個(gè)固定不變的劃分會(huì)大大降低云計(jì)算環(huán)境中資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的命中率。

2 混合算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

上一節(jié)介紹了線性回歸算法和DTMC算法并指出了它們?cè)陬A(yù)測(cè)云計(jì)算監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上的缺陷，本節(jié)提出基于回歸和DTMC的混合算法L-D，對(duì)云計(jì)算環(huán)境的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在云平臺(tái)環(huán)境中，虛擬系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)資源的消耗和時(shí)間有很大關(guān)系，符合“潮汐”規(guī)律[15]。在高峰時(shí)間段內(nèi)，資源消耗呈無(wú)規(guī)律變化，因此監(jiān)控系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)也是不穩(wěn)定的，此時(shí)可以分成不同的時(shí)間段應(yīng)用不同的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行解決。在系統(tǒng)比較繁忙的時(shí)候，采用馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而在其他時(shí)間段則采用線性回歸算法進(jìn)行預(yù)測(cè)。算法流程如下：

(1)判斷ti是否處于系統(tǒng)繁忙時(shí)期，如果是，則按照馬爾可夫鏈方法進(jìn)行處理，構(gòu)建轉(zhuǎn)移概率矩陣；如果不是，則按照線性回歸處理。

(2)建立直線方程y=mean。

(3)使用直線方程y，計(jì)算{ti}與y的偏離值序列{tic}。

(4)根據(jù){tic}以及精度要求分配狀態(tài)，數(shù)據(jù)如表4所示。當(dāng)精度要求為1，直線y=25.241 3，TH=10時(shí)，數(shù)據(jù)被劃分為(-5,-2)，[-2,-1)，[-1,0)，[0,1)，[1,2)，[2,5)。其中，當(dāng)偏離程度超過(guò)5時(shí)，則需要重新開(kāi)始計(jì)算直線方程。表4中，前五個(gè)數(shù)據(jù)是有效的(與直線的偏離值在TH范圍內(nèi))，后五個(gè)數(shù)據(jù)是無(wú)效的(因?yàn)橹挥幸粋€(gè)數(shù)據(jù)值與直線的偏離值在TH范圍內(nèi))。

表4 內(nèi)存利用率及狀態(tài)劃分

(5)計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P，矩陣中第i行第j列的元素表示在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中從狀態(tài)i經(jīng)一步轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的總次數(shù)，依據(jù)表4得出矩陣P：

(6)預(yù)測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間決定使用哪個(gè)預(yù)測(cè)模型。如果是忙碌時(shí)間，則使用矩陣R進(jìn)行預(yù)測(cè)；否則，選取合適的直線方程以及矩陣R2進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)從狀態(tài)i轉(zhuǎn)移出去時(shí)，在第i行中選擇最有可能的下一個(gè)狀態(tài)(第i行中值最大的那一列)作為預(yù)測(cè)狀態(tài)。如i=3時(shí)，最有可能的下一個(gè)狀態(tài)是3，即留在原地。

(7)計(jì)算預(yù)測(cè)值，在選擇好狀態(tài)后，選擇該狀態(tài)所表示的區(qū)間的中點(diǎn)作為預(yù)測(cè)偏離值v(此處v=0.5)。

(8)計(jì)算最終預(yù)測(cè)值，根據(jù)使用的預(yù)測(cè)模型計(jì)算預(yù)測(cè)值，如果使用矩陣R進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終的預(yù)測(cè)值則是該狀態(tài)所表示的值區(qū)間的中位數(shù)；否則最終的預(yù)測(cè)值是該狀態(tài)所表示的值區(qū)間的中位數(shù)加上直線y的值。最終預(yù)測(cè)值為y+v(28.769 34)，y是直線方程(y=25.241 3)。

當(dāng)使用L-D算法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模預(yù)測(cè)時(shí)，得出直線方程y=28.269 34。然后根據(jù)計(jì)算得到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)與直線的偏離值劃分狀態(tài)，構(gòu)建馬爾可夫轉(zhuǎn)移概率矩陣(TH=10時(shí)，數(shù)據(jù)被劃分為(-10,-1),[-1,0),[0,1),[1,10)，狀態(tài)用0,1,2,3分別表示)。如表5所示，當(dāng)ETD=1時(shí)，命中率為80%。(注：如果預(yù)測(cè)失敗，小括號(hào)里表示調(diào)整后的狀態(tài))

表5 L-D算法狀態(tài)劃分以及預(yù)測(cè)

L-D算法的馬爾可夫矩陣的狀態(tài)空間雖然是固定的，但是通過(guò)相同的狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)值不一定是相同的，它隨著直線的變化而變動(dòng)。表5中馬爾可夫矩陣的狀態(tài)2表示的預(yù)測(cè)值是28.769 34，在未來(lái)某時(shí)刻，該狀態(tài)表示的預(yù)測(cè)值可能是58.634 2，它是根據(jù)直線方程變化的，而不是固定不變的。相比DTMC算法，L-D算法這種特性，在平臺(tái)突發(fā)性事件發(fā)生時(shí)(如虛擬機(jī)新建)，無(wú)需擔(dān)心新的數(shù)據(jù)范圍未得到訓(xùn)練而需要重新訓(xùn)練模型，只需要調(diào)整直線方程即可，提高了預(yù)測(cè)的命中率。

3 測(cè)試過(guò)程和結(jié)果分析

文中部署了OpenStack云平臺(tái)，根據(jù)用戶設(shè)置的閾值，分別采用線性回歸預(yù)測(cè)算法、馬爾可夫鏈算法和混合算法對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果實(shí)際的數(shù)據(jù)在設(shè)定好的閾值內(nèi)，表明預(yù)測(cè)算法準(zhǔn)確性高，因此可以丟棄該數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)傳輸。如果在閾值之外，則節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)上，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)存和磁盤(pán)利用率來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)算法的性能。數(shù)據(jù)一致性測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 數(shù)據(jù)的一致性測(cè)試

由表6可知，在三種算法中，混合算法比另外兩種預(yù)測(cè)算法能夠更加精確地預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，避免了不必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析和研究了云計(jì)算中的監(jiān)控系統(tǒng)，提出在不同時(shí)間段采用不同的預(yù)測(cè)算法模型，即在高峰時(shí)采用馬爾可夫鏈算法，其他時(shí)間段采用線性回歸算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法的預(yù)測(cè)命中率更高，更能降低網(wǎng)絡(luò)傳輸開(kāi)銷(xiāo)。