周隆亮 徐立

【摘要】負(fù)載均衡調(diào)度是容器云仿真平臺保證服務(wù)質(zhì)量需要解決的基礎(chǔ)問題，本文基于容器云仿真平臺架構(gòu)的分析，針對容器云仿真平臺的負(fù)載均衡調(diào)度問題進行了詳細(xì)描述，并設(shè)計了容器云仿真平臺的負(fù)載均衡調(diào)度系統(tǒng)，為后續(xù)針對容器云仿真平臺的負(fù)載均衡調(diào)度優(yōu)化算法的研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：容器云;仿真平臺;負(fù)載均衡

Research on load balancing scheduling of Container Cloud Simulation Platform

Zhou Long Liang，Xu Li

（SWIEE， CETC， Chengdu. Postcode：610036）

Abstract：Load balancing scheduling is a basic problem that needs to be solved to guarantee the service quality of container cloud simulation platform. This paper is based on the architecture of container cloud simulation platform，The load balancing scheduling problem of container cloud simulation platform is described in detail， and the load balancing scheduling system of container cloud simulation platform is designed，The load balancing system lays a foundation for the subsequent research on load balancing scheduling optimization algorithm for container cloud simulation platform.

Key words： container cloud; simulation platform; load balancing

引言

以Docker為代表的容器虛擬化技術(shù)出現(xiàn)，較之于傳統(tǒng)的虛擬機虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了更加輕量化的虛擬化，使云環(huán)境的資源利用率具備大幅提升的可能。傳統(tǒng)的虛擬機虛擬化技術(shù)以操作系統(tǒng)為中心，重點關(guān)注硬件自動化管理、人與機器的解耦合，而容器虛擬化技術(shù)以應(yīng)用為中心，重點解決應(yīng)用的自動化管理，應(yīng)用與操作系統(tǒng)的解耦;基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用交付、運維管理的標(biāo)準(zhǔn)化;獲得彈性擴展、彈性伸縮、負(fù)載均衡、故障遷移、敏捷開發(fā)、持續(xù)交付、持續(xù)集成等問題，提升用戶體驗。

容器云仿真平臺以容器虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，在云環(huán)境中構(gòu)建仿真應(yīng)用系統(tǒng)，遵循微服務(wù)架構(gòu)，將仿真應(yīng)用系統(tǒng)按功能劃分為想定編輯、任務(wù)推演、模型調(diào)度等多個微服務(wù)，并封裝形成容器鏡像，部署于云環(huán)境，持續(xù)為多個用戶提供仿真驗證服務(wù)。容器云仿真平臺構(gòu)建了一種用戶可按需獲取的仿真新模式，用戶通過統(tǒng)一的門戶訪問仿真服務(wù)，云管理系統(tǒng)根據(jù)訪問請求，動態(tài)分配資源創(chuàng)建仿真系統(tǒng)，訪問完畢后釋放相應(yīng)的資源，提升資源利用效率。

因此，根據(jù)用戶的訪問量，動態(tài)調(diào)整仿真應(yīng)用在云環(huán)境中的部署，合理調(diào)度各個計算節(jié)點的資源負(fù)荷，實現(xiàn)負(fù)載均衡，是保證容器云仿真平臺服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 容器云仿真平臺架構(gòu)

容器云仿真平臺是在私有云環(huán)境上搭建的仿真專用平臺，用戶通過統(tǒng)一的仿真門戶登錄后訪問相應(yīng)服務(wù)。容器云仿真平臺為用戶提供想定設(shè)計、仿真驅(qū)動、態(tài)勢呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)管理等服務(wù)，多個用戶可同時并發(fā)訪問仿真服務(wù)，為每個用戶動態(tài)創(chuàng)建專用的仿真應(yīng)用系統(tǒng)。容器云仿真平臺的架構(gòu)如圖 1所示：

當(dāng)用戶提交仿真請求后，容器云仿真平臺的管理系統(tǒng)為用戶仿真請求分配一套仿真應(yīng)用系統(tǒng)（包含場景設(shè)計、任務(wù)推演、模型調(diào)度、態(tài)勢生成等多個服務(wù)），并部署到云基礎(chǔ)環(huán)境中的計算機集群上運行。用戶終止仿真后，將仿真應(yīng)用從計算機集群上卸載。其中，云基礎(chǔ)環(huán)境中的計算機集群中各個計算機節(jié)點在硬件配置可以不同。

2容器云仿真平臺負(fù)載均衡問題描述

傳統(tǒng)的基于虛擬機虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云仿真平臺存在兩個層次上的負(fù)載均衡調(diào)度。第一個層次是任務(wù)調(diào)度，將負(fù)載過重虛擬機上的子任務(wù)動態(tài)調(diào)度到負(fù)載較輕的虛擬機上，使云平臺的虛擬機集群整體上負(fù)載均衡;第二個層次是虛擬機調(diào)度，將負(fù)載過重物理主機上的虛擬機遷移到負(fù)載較輕的物理主機[1]。

從容器云仿真平臺的架構(gòu)可以看出，容器云仿真平臺的負(fù)載均衡調(diào)度不存在虛擬機調(diào)度的問題，可直接面向任務(wù)調(diào)度。用戶的一個仿真任務(wù)就對應(yīng)一套仿真應(yīng)用系統(tǒng)，一套仿真應(yīng)用系統(tǒng)的由若干個微服務(wù)構(gòu)成，每個微服務(wù)在部署形式上為一個容器，容器是負(fù)載均衡調(diào)度的最小單位，負(fù)載均衡調(diào)度要解決的問題就是建立容器與云基礎(chǔ)環(huán)境中的計算節(jié)點的映射關(guān)系，并根據(jù)該映射關(guān)系部署運行。

假設(shè)同時有n個用戶仿真任務(wù)請求，每個仿真應(yīng)用系統(tǒng)由p個微服務(wù)構(gòu)成，那么就會存在n*p個容器需要調(diào)度。假設(shè)云環(huán)境存在著q個計算節(jié)點，負(fù)載均衡調(diào)度問題等效為：基于一定的條件約束和最優(yōu)目標(biāo)構(gòu)建n*p個容器與q個計算節(jié)點的映射關(guān)系，其中條件約束通常為計算節(jié)點的性能指標(biāo)，包括CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)的性能，最優(yōu)目標(biāo)通常為最大的并發(fā)仿真應(yīng)用系統(tǒng)運行數(shù)量。

負(fù)載均衡調(diào)度的意義在于優(yōu)化容器云仿真平臺的部署關(guān)系，有效避免某些計算節(jié)點因為負(fù)荷過低而浪費資源，或者某些計算節(jié)點因為資源超負(fù)荷，嚴(yán)重降低運行效率，甚至拒絕服務(wù)。

3 容器云仿真平臺負(fù)載均衡系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)容器云仿真平臺負(fù)載均衡調(diào)度，需面向容器云仿真平臺負(fù)載均衡調(diào)度的問題，構(gòu)建對應(yīng)的負(fù)載均衡調(diào)度系統(tǒng)，優(yōu)化容器云仿真平臺的部署關(guān)系，提升容器云仿真平臺的服務(wù)質(zhì)量。

3.1 仿真應(yīng)用資源消耗統(tǒng)計

仿真應(yīng)用的微服務(wù)組成相對固定，可通過大量的實驗，統(tǒng)計各個服務(wù)的資源消耗情況[2]，主要是CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建每個服務(wù)的資源消耗向量，統(tǒng)計每個服務(wù)運行的資源消耗典型值，為負(fù)載均衡調(diào)度算法提供輸入數(shù)據(jù)。

3.2 云仿真平臺資源監(jiān)控

容器云仿真平臺的計算機集群中各計算節(jié)點的資源使用和資源剩余信息是實現(xiàn)負(fù)載均衡的基礎(chǔ)[3]。由于云環(huán)境中仿真應(yīng)用的部署和銷毀是動態(tài)變化的，需要實時監(jiān)控資源狀態(tài)，才能為負(fù)載均衡調(diào)度提供實時的輸入數(shù)據(jù)。周期性采集各計算節(jié)點的CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)使用情況，會加大采集系統(tǒng)的工作負(fù)載，造成不必要的資源浪費，因此，可采用事件觸發(fā)的機制采集計算節(jié)點的狀態(tài)信息，收到用戶仿真請求或仿真停止事件后，觸發(fā)采集操作，降低計算節(jié)點負(fù)載信息采集的頻度，提升資源利用率。為保證計算節(jié)點的資源負(fù)荷信息獲取，需在各個計算節(jié)點上開發(fā)部署資源監(jiān)控服務(wù)。

3.3 負(fù)載均衡服務(wù)

負(fù)載均衡服務(wù)部署于容器云仿真平臺，專門負(fù)責(zé)負(fù)載均衡調(diào)度，加載仿真應(yīng)用資源消耗的統(tǒng)計值等先驗信息，同時采集云仿真平臺各個計算節(jié)點實時資源負(fù)荷信息，進行負(fù)載均衡計算，建立仿真應(yīng)用容器與計算節(jié)點的部署映射關(guān)系。負(fù)載均衡調(diào)度計算的實質(zhì)就是在負(fù)載約束條件下的最優(yōu)化問題，可采用遺傳算法、粒子群算法等多種算法[3，4]，解算優(yōu)化部署映射關(guān)系，在負(fù)載均衡服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計上需考慮負(fù)載均衡調(diào)度算法的替換和升級便捷性。

3.3 負(fù)載均衡調(diào)度流程

容器云仿真平臺的負(fù)載均衡調(diào)度流程如圖 2所示：

負(fù)載均衡的調(diào)度業(yè)務(wù)依靠負(fù)載均衡調(diào)度服務(wù)實現(xiàn)，在用戶提交仿真請求需要重新進行負(fù)載均衡計算時，負(fù)載均衡調(diào)度服務(wù)向各個計算節(jié)點的資源監(jiān)控服務(wù)請求狀態(tài)信息，采集計算集群各節(jié)點的資源負(fù)荷信息，通過負(fù)載均衡算法解算，得到仿真應(yīng)用容器與計算節(jié)點的最優(yōu)部署映射關(guān)系，并執(zhí)行部署。

4 結(jié)束語

負(fù)載均衡是保證云仿真環(huán)境服務(wù)質(zhì)量的重要手段，本文針對容器云仿真平臺的負(fù)載均衡問題進行了描述，并設(shè)計了可靈活置換負(fù)載均衡調(diào)度算法的容器云仿真平臺的負(fù)載均衡系統(tǒng)，后續(xù)可針對負(fù)載均衡調(diào)度優(yōu)化算法進行持續(xù)研究，最大限度地提升云仿真平臺的資源利用效率。

參考文獻：

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[2]徐愛萍，吳笛，徐武平，陳軍. 實時多任務(wù)異構(gòu)云計算平臺負(fù)載均衡算法[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2016， 46（3）：215-221.

[3]海江. 一種改進云計算虛擬資源負(fù)載均衡調(diào)度算法[J]. 控制工程， 2017， 24（1）：100-105.

[4]石峰. 云環(huán)境下資源調(diào)度效率優(yōu)化研究與仿真[J]. 計算機仿真， 2016， 33（5）：363-366.

作者簡介

周隆亮（1987-），男，碩士，工程師。

徐立（1986-），男，碩士，工程師。