面向云計算的數字圖書館虛擬資源管理機制和調度策略研究

馬曉亭　高軍　魏婷

〔摘 要〕資源管理是云計算環境下數字圖書館的核心問題。本文首先分析了云計算資源的特點與資源管理的主要功能，給出了云計算資源管理的工作流程。然后基于云計算虛擬化技術，提出了一種云計算環境下數字圖書館資源交付與調度策略。該策略可以有效減少資源空閑時間，能夠保證虛擬資源有較高的可用性和利用率。

〔關鍵詞〕云計算；數字圖書館；資源調度；資源分配

〔中圖分類號〕G250.76 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008－0821(2012)09－0025－04隨著云計算技術的發展與成熟，云計算技術已成為數字圖書館運營和讀者個性化閱讀服務的支撐技術。云計算技術是一種新的IT資源管理、分配、使用模式，是將數字圖書館的云計算資源（主要為計算資源、存儲資源、網絡資源、基礎設施資源、應用和服務等資源）虛擬化之后，劃分為虛擬資源池的方式統一為用戶動態分配，為讀者提供以基礎設施即服務(IAAS)、平臺即服務(PAAS)、軟件即服務(SAAS)3種服務模式為核心的用戶服務。

云數字圖書館運營和讀者服務活動中，云計算資源在地理位置上呈現分布式結構，具有設備異構性程度高，用戶資源需求與管理動態性，以及資源管理與分配策略效率要求高的特點。如何加強云圖書館云計算架構的靈活性與可擴展性，提高云資源管理、調度系統的融合度，實現資源管理、調度、部署和配置的智能化與自動化，確保云虛擬化資源管理與調度安全、高效、可靠和經濟，是提高云圖書館用戶服務水平和市場競爭力的重要因素［1］。

1 圖書館云資源管理與調度平臺的結構與系統功能設計需求云計算環境下，數字圖書館云計算資源具有分布地域廣、基礎設施結構多樣性、資源管理與分配動態、云資源多用戶共享和互操作性強的特點。云資源管理與調度的目的為屏蔽云物理基礎設施資源的異構性和動態性，通過為用戶提供統一的訪問接口來對云資源實施統一的管理、共享、分配和優化服務，確保為讀者提供安全、高效、經濟、低碳的QoS(服務質量)服務。

1.1 資源管理與調度平臺的結構

云圖書館資源管理與調度平臺結構主要由云物理基礎設施層、虛擬化管理層、云應用閱讀服務管理層和工作負荷環境4個層面組成，如圖1所示：

圖1 云圖書館資源管理與調度平臺結構

云物理基礎設施主要由云閱讀應用服務器、供電系統、云存儲服務器、云計算服務器和相應的云數據中心網絡平臺系統組成，是云應用服務的物理基礎設施平臺。虛擬化管理層在云物理層基礎上，利用虛擬化技術將云物理資源和云計算資源劃分為資源池統一管理，為云應用閱讀服務的開展提供相應的虛擬化資源管理與調度支持。云應用閱讀服務為讀者提供所需的云服務和閱讀活動行為監測、管理，確保讀者云閱讀應用活動安全、高效、經濟、滿意。工作負荷層是云圖書館資源管理與調度平臺的最高層，是云應用閱讀服務管理與資源調度的最終服務對象，為讀者云應用閱讀活動提供安全、高效的二次應用開發環境和安全的網絡環境，保證讀者利用形式多樣的閱讀終端開展滿意的云個性化閱讀活動。

云資源調度系統結構的科學性、復雜性、可控性和工作效率，決定了云圖書館系統運營的安全性與有效性。在圖書館云計算資源的管理與調度中，應采用集中式與計算經濟相結合的調度方法，所有的云計算資源由一個中央調度程序統一控制、調度。根據云數字圖書館工作效率最優化和讀者核心云閱讀服務滿意度相結合的原則，在安全、經濟的前提下，實現云資源管理與調度策略、步驟的高可靠與最優化［2］。

1.2 資源管理與調度的過程

數字圖書館云計算資源管理與調度平臺的基本功能，是通過對所接受的讀者云閱讀服務資源請求進行分析、處理、計算后，根據讀者云閱讀活動資源需求量進行資源管理、分配、調度和優化。按照云資源用戶請求與管理過程劃分，可分為資源發現、資源分發、資源管理和資源調度4個步驟。

虛擬化資源發現是資源管理與調度的前提，通過對云虛擬化資源、已分配資源、用戶已釋放資源進行探測，準確掌握云虛擬化資源的數量、存在的位置、存在的狀態和可管理程度。資源分發是根據圖書館云業務運營和讀者閱讀活動的開展需求，對用戶和云閱讀應用進行云資源安全、高效、可靠、經濟的分配。資源管理是指將云計算資源通過虛擬化技術劃分為資源池統一管理，以便于有效的管理、分配、回收和再分配。資源調度是指依據云虛擬化資源池資源存儲特點、用戶云閱讀服務虛擬化資源需求、云系統運營效率狀況、云圖書館運營高效與經濟性需求，對資源進行統一的管理和調度。

云圖書館讀者服務模式和用戶需求是資源管理與調度平臺功能設計的主導因素，資源管理的安全性、效率、可靠性、經濟性是平臺設計的指導依據。因此，只有加強云資源管理與調度平臺的界面統一與功能融合，提高平臺的用戶友好性和可操作性，才能降低平臺設計、生產、運營費用，提高平臺的身份認證與管理、調度活動的安全水平，確保數字圖書館云計算資源管理與調度平臺安全、高效、開放、易用［3］。

2 數字圖書館云虛擬化資源管理機制

云計算環境下，數字圖書館通過虛擬化技術將云計算資源（主要由計算資源、存儲資源、網絡資源、應用資源組成）劃分為資源池方式統一管理、分配、調度、優化，較大幅度地提高了云計算環境下數字圖書館系統資源統一劃分、綜合管理、彈性分配、全面優化的能力。但是，對云系統資源的虛擬化劃分、管理與靈活使用，并不是關系云圖書館高效運營的主要方面。而利用有效的資源管理與調試系統，通過采用高效的管理與調度策略來確保虛擬化資源管理與調度活動安全、高效、經濟、便捷，才是提高云圖書館運營效率，保證讀者云閱讀活動滿意度和降低云圖書館建設與運營、維護成本，確保低碳運營和具有較強市場競爭力的關鍵［4］。

2.1 云圖書館資源管理的步驟

通過虛擬化技術對云物理基礎設施的異構性進行屏蔽和資源整合，在提高云資源管理效率的同時減少了虛擬化資源部署時間，降低了云資源使用與管理成本，使云資源可根據用戶需求而自由、彈性、準確、快捷地分配，為讀者云個性化閱讀服務的開展提供資源供給服務。

云圖書館虛擬化資源管理可分為資源信息收集、資源信息更新、資源發現、資源調度、資源定位、狀態監控幾個部分。通過對資源池資源總量和正在使用的資源數量進行準確統計后，實施統一的管理、分配、調度。同時，依據資源分配與用戶需求實際，及時更新云圖書館資源實際存在狀態與比例，并利用資源發現機制和資源請求者的資源請求描述，找到合適的資源并返回該資源的唯一標識符。

當用戶提出資源需求時，根據資源池實際和分配需求，并采用高效的資源管理策略按照用戶資源使用時間、內容、數量、權限等進行分配。同時，可依據資源的屬性描述獲得相應資源的物理地址，實現資源分配、使用的物理設施定位，并對設備在資源請求、分配、使用、釋放過程進行監控，確保資源管理過程安全、高效、可控、便捷。

2.2 依據讀者云服務資源需求和設備分布特點實施調度圖書館讀者云閱讀服務，具有云資源分配、調度依據讀者需求而周期變化的特點。當云圖書館進行多媒體閱讀等熱點服務時，讀者群數量和不同云閱讀活動模式對資源需求的不確定性，會造成云虛擬資源需求海量激增以及可供分配的云資源迅速減少，致使云資源管理、利用效率快速下降，讀者云閱讀滿意度降低或者云服務停止。

首先應對云資源池資源總量和可供分配的資源進行統計。通過監測準確掌握云圖書館讀者個性化服務資源需求的周期變化特點，并對突發熱點云閱讀活動的資源需求量進行預測，預先做好應對突發資源請求的分配策略和預留資源部署。

其次，應結合云圖書館數據中心基礎設施設備、數據中心網絡設備和用戶設備拓撲結構特點、資源調度活動數據網絡傳輸特點、調度活動高效性要求，執行不同的資源管理與調度策略。云數據中心虛擬化資源管理環境具有物理設備集中分布、拓撲結構復雜、易產生資源調度瓶頸、安全和經濟要求高的特點。因此，云數據中心應采用集中式調度的方法，將云資源池可管理與分配的資源總量、不同功能子系統資源需求量、資源調度網絡環境特點、云資源未來需求預測等信息集中存儲在中心機上，進行統一的管理、分配、調度和優化。此外，移動性和可便攜性是云閱讀終端的發展方向，結構簡單的閱讀終端可通過網絡獲得云計算資源。因此，應結合云讀者地域分布零散、單個用戶云資源需求量少、單個組件失效對資源分配活動整體影響小、資源管理系統容錯和可靠性高的特點，采取虛擬化資源的分布式管理和調度，確保用戶資源調度的高效、安全、同步、快捷［5］。

2.3 結合云閱讀服務業務特點進行資源調度

云計算環境下，數字圖書館的主要服務方式為在傳統數字服務基礎上，開設站內E-mail、圖書館視頻會議、云用戶管理服務系統、Web托管、云應用程序開發、視頻托管、數字圖書館安全防范、公用的應用程序組件、基本的辦公應用程序、批處理應用程序等個性化云應用服務。不同的服務方式具有不同的資源需求標準和要求，因此，要結合讀者云應用服務特點和閱讀服務需求，有效地進行云資源分配與調度。

讀者云閱讀服務活動開展過程中，圖書館視頻會議、云用戶管理服務系統、數字圖書館安全防范、視頻托管等服務，具有云計算資源需求量大、資源分配適時性強、調度高效與快速、突發性調度需求事件發生概率高的特點。因此，對上述云應用服務應設置較高的資源分配權限，當所分配的資源數量影響服務活動開展和讀者閱讀滿意度時，應優先將資源池資源進行分配，或者從其它適時性與資源分配級別低的應用上進行調度。其次，通常在18～23點之間，讀者對站內E-mail、公用的應用程序組件、視頻托管、Web托管等云服務資源需求量較大，而對圖書館視頻會議、基本的辦公應用程序、云應用程序開發等應用服務云資源需求量較小。因此，在此時段可將云資源從需求量較小的應用向需求量較大的應用遷移，等應用高峰期過后再遷移回來，保證云服務質量和云資源分配的安全與高效。第三，應在圖書館云數據中心和各備份中心之間實施云資源的統一管理和調度，當某一服務區域負載量過大時，確保能夠從其它相臨地域的備份中心進行云資源調度和遷移［6］。

2.4 確保云資源管理系統設計的易用性和安全性

圖書館云資源管理系統設計中，應在符合云計算標準規范的開發平臺上進行設計，并為用戶提供統一的管理接口和用戶界面，可兼容主流虛擬化廠商的軟、硬件設備，對異構性高的云資源具有較強的綜合管理能力。此外，在云資源管理平臺設計中，應采用以服務模式管理為對象的模塊化設計方法，確保同一管理平臺上不同功能的管理模塊具有較強的兼容性和獨立性。第三，為了方便管理員對云資源的適時管理，應采取基于Web的設計思路和B/S的管理架構，確保管理員能夠通過網絡以遠程訪問的方式安全、便捷地進入管理界面，進行云資源的管理、部署、遷移和維護。第四，在管理系統設計中，因重點突出云資源的自動、智能化管理和調度。確保云管理系統在較低的管理成本和人力資源成本投入前提下，能夠安全、高效、準確、經濟地進行資源管理和調度。

2.5 實現云資源管理、調度的監控與自動部署

首先，云圖書館資源管理、調度過程中，管理員應通過統一的管理平臺界面實現對云數據中心物理設備、虛擬集群和云應用服務的監控，采集的數據由管理系統處理后在統一界面對各項參數進行顯示，并依據管理員設置的閥值進行報警和自動設置。其次，可根據讀者群數量和云資源需求變化情況，依據云管理員預先設置而實現管理平臺對云資源的配置和調度。并根據讀者云閱讀服務安全性和物理設備安全隔離需求，將云計算、云存儲資源調度遷移到特定的物理設備上，或者由讀者按需自主進行云資源的配置。第三，當云數據中心部分服務器出現故障時，應通過云資源管理平臺系統自動部署新的虛擬集群資源，由管理平臺實現云資源的重新調度和負載遷移，確保讀者云個性化閱讀服務的不間斷性。第四，應保證云資源管理與調度網絡傳輸系統數據傳輸的安全與暢通，保證安全、高效、準確、及時地將調度控制數據傳輸至控制器［7］。

3 結束語

云計算環境下，數字圖書館為讀者提供高性能計算、海量存儲、多媒體數據傳輸、即時多模式閱讀服務的同時，安全、經濟、便捷、高性價比成為決定云圖書館發展和讀者滿意度的重要因素。

云圖書館建設、運營過程中，數字圖書館云計算資源是按照統一部署、集中管理、按需分配、分布使用的原則進行管理與調度，而云資源的租賃成本和使用效率是關系云圖書館投資收益率的關鍵因素，同時也是影響讀者云閱讀活動體驗滿意度的主要內容。因此，在虛擬化資源管理與調度中，應加強對云圖書館虛擬化資源管理機制和策略的研究，努力提高虛擬化資源管理與調度的自動化、智能化水平，保證云資源管理與調度活動安全、高效、經濟、低碳、簡單、可靠。同時，在保證云資源管理系統具有較高管理、運營效率的前提下，應不斷降低云圖書館管理、運營和讀者云閱讀成本，確保云圖書館具有較強的市場競爭力和讀者滿意度［8］。

參考文獻

［1］IBM虛擬化與云計算小組.虛擬化與云計算［Ｍ］.北京:電子工業出版社,2009：78-83.

［2］中國電信集團公司.中國電信(2010)141號云計算技術白皮書,2010:35-46．

［3］王春海.中小企業虛擬機解決方案大全［Ｍ］.北京:電子工業出版社,2010:47－71.

［4］陳全,鄧倩妮.云計算及其關鍵技術［Ｊ］.計算機應用,2009,29(9):2562-2567.

［5］陳康,鄭緯民.云計算:系統實例與研究現狀［Ｊ］.軟件學報,2009,20(5):1337-1348.

［6］程仕偉,潘郁.云計算環境下基于可信性的動態資源分配策略［Ｊ］.計算機工程,2011,11(37):45-48.

［7］張建勛,古志民,鄭超.云計算研究進展綜述［Ｊ］.計算機應用研究，2010(2)：429-433．

［8］劉煒．圖書館需要一朵怎樣的“云”?［Ｊ］.大學圖書館學報，2009，(4):2-6.