云計算環(huán)境下基于QOS保障的數(shù)字圖書館虛擬機資源分配策略

〔摘 要〕針對云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館虛擬化資源分配的QOS保障問題，本文提出了一種云計算環(huán)境下基于QOS保障的數(shù)字圖書館虛擬機資源分配策略。該策略可以提高云計算環(huán)境下數(shù)字圖書館虛擬機的可靠性，有助于保持云環(huán)境負載均衡，并能提高虛擬化資源的利用效率。

〔關(guān)鍵詞〕云計算；QOS保障；數(shù)字圖書館；虛擬機；資源分配

云計算技術(shù)在圖書館管理與服務(wù)中的應(yīng)用，大幅度增強了圖書館云服務(wù)的安全性、效率、經(jīng)濟性和可控性，確保云讀者具有較高的云閱讀滿意度和云服務(wù)質(zhì)量（QOS）保證。但是，隨著圖書館讀者云閱讀服務(wù)的不斷發(fā)展與完善，云圖書館基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和云服務(wù)模式也呈現(xiàn)復(fù)雜度不斷增強，讀者群數(shù)量和云閱讀服務(wù)數(shù)據(jù)量級數(shù)遞增，云閱讀服務(wù)平臺復(fù)雜度和云資源管理難度快速上升的態(tài)勢，對云圖書館服務(wù)安全性、有效性和可持續(xù)性產(chǎn)生了較大威脅。虛擬化是云計算的核心技術(shù)。利用虛擬化技術(shù)可以動態(tài)地組織異構(gòu)的計算資源、消除硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)異構(gòu)性，同時，實現(xiàn)了云資源的靈活配置、管理、調(diào)度和遷移，為復(fù)雜云計算環(huán)境下，讀者云閱讀服務(wù)提供了可靠的技術(shù)支持和云資源保障。復(fù)雜云計算環(huán)境下，如何加強虛擬機資源分配、管理、調(diào)度、遷移活動的科學性、可控性和可執(zhí)行性，保證虛擬化系統(tǒng)環(huán)境安全、高效、經(jīng)濟和穩(wěn)定，是提高圖書館云閱讀服務(wù)資源利用率和降低管理成本，保證云閱讀活動安全、可用、靈活和可擴展的關(guān)鍵[1]。

1 云圖書館虛擬機資源分配的特點與目標

1.1 云圖書館虛擬機資源的管理過程云圖書館虛擬機資源的管理過程主要可分為創(chuàng)建虛擬機的資源管理、啟動虛擬機的資源管理、遷移虛擬機的資源管理3個部分。首先，為了保證虛擬機創(chuàng)建過程安全、經(jīng)濟、快速和標準化，云圖書館可通過模板創(chuàng)建統(tǒng)一配置參數(shù)的，可以滿足所有操作系統(tǒng)和云服務(wù)需求的虛擬機。其次，云圖書館管理員可利用系統(tǒng)性能監(jiān)測軟件，對宿主機CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬使用情況數(shù)據(jù)進行準確采集。同時，根據(jù)云服務(wù)和虛擬機運營需求，結(jié)合所采集的系統(tǒng)云資源實際狀態(tài)數(shù)據(jù)，將創(chuàng)建的虛擬啟動到恰當?shù)奈锢矸?wù)器上，在滿足云服務(wù)需求的前提下保證較高的云資源利用率。第三，圖書館根據(jù)云服務(wù)負載變化特點，可執(zhí)行動態(tài)的虛擬機管理策略。當服務(wù)需求激增時，可將虛擬機部署于多臺服務(wù)器上實現(xiàn)負載均衡。此外，當服務(wù)負載降低或者服務(wù)結(jié)束時，可通過刪除虛擬機和云資源回收來提高管理效率。

1.2 云圖書館虛擬機資源分配的特點

1.2.1 虛擬機資源的調(diào)度環(huán)境復(fù)雜首先，圖書館通過租賃云服務(wù)商基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為讀者開展云個性化閱讀服務(wù)。因此，云服務(wù)商系統(tǒng)的多租戶資源共享特點，導(dǎo)致圖書館與多用戶共享云服務(wù)商虛擬化環(huán)境，具有復(fù)雜和安全威脅多的特點。其次，云圖書館要求服務(wù)商虛擬化環(huán)境具有規(guī)模龐大、集中管理和可擴展的特點。服務(wù)商依據(jù)云圖書館需求，提供大規(guī)模、集中式的虛擬化資源池，并根據(jù)服務(wù)過程對云資源的需求與使用量，安全、快速和可擴展地供應(yīng)或者回收云資源。第三，云計算環(huán)境下，虛擬化環(huán)境具有資源異構(gòu)、硬件兼容性問題突出和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁的特點。因此，要求虛擬機資源調(diào)度策略和過程具有較強動態(tài)性，可根據(jù)用戶保障第一和收益率最優(yōu)的原則，執(zhí)行科學、可控的虛擬機創(chuàng)建、云資源分配、刪除和云資源回收策略[2]。

2.2 虛擬機遷移過程增加了云資源調(diào)度難度隨著云服務(wù)模式和讀者云閱讀內(nèi)容的變革，讀者規(guī)模龐大、服務(wù)數(shù)據(jù)海量、傳輸網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、虛擬機負載巨大將是圖書館虛擬化環(huán)境的主要特點。首先，虛擬機的動態(tài)遷移過程，要求宿主服務(wù)器和遷移目的服務(wù)器共享一個存儲服務(wù)。當擬遷移的虛擬機因數(shù)量過多而導(dǎo)致存儲服務(wù)需求過大時，可能會產(chǎn)生存儲服務(wù)瓶頸現(xiàn)象，導(dǎo)致服務(wù)效率下降或者遷移活動停止。其次，遷移活動要求在云服務(wù)業(yè)務(wù)不間斷的前提下，虛擬機可動態(tài)遷移到不同物理機的虛擬化平臺上。因此，云圖書館應(yīng)保證虛擬機遷移到新的目的主機之后，及時修改相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)。第三，當云圖書館擬遷移虛擬機數(shù)量龐大時，如何將多個廣播域整合成一個虛擬的廣播域，并通過廣播域給所有的虛擬機快速、準確地分配地址，是關(guān)系虛擬機遷移后可控、可管和可運營的關(guān)鍵。

1.2.3 對虛擬機資源調(diào)度的可監(jiān)控、管理和準確劃分為了提高虛擬機資源調(diào)度的安全性、準確性、經(jīng)濟性和可控性，應(yīng)加強對資源調(diào)度過程的監(jiān)控和管理。首先，應(yīng)通過有效的監(jiān)控設(shè)備和策略，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)全面、準確、詳細、可用。其次，虛擬機資源調(diào)度算法應(yīng)根據(jù)云圖書館服務(wù)需求，在保證虛擬機資源調(diào)度快速的前提下滿足調(diào)度精度需求。同時，可根據(jù)調(diào)度任務(wù)特點在精確性和速度之間尋找一個平衡點。第三，為了保證虛擬機資源調(diào)度運營和管理效率，應(yīng)努力提高云數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量，保證數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有較高的安全性和傳輸效率。第四，虛擬機資源調(diào)度過程應(yīng)準確劃分資源粒度，不能因資源粒度劃分過大而導(dǎo)致資源浪費現(xiàn)象發(fā)生，也不能因資源粒度劃分過小而導(dǎo)致調(diào)度過程復(fù)雜、繁瑣和調(diào)度效率下降[3]。

1.3 云圖書館虛擬機資源調(diào)度的目標云圖書館虛擬機資源調(diào)度的整體目標是，在滿足讀者云閱讀活動QOS需求和不違反SLA（服務(wù)等級協(xié)議）的前提下，提高虛擬機集群運營效率和云資源利用率，并且大幅度降低云圖書館運營和管理成本。首先，云圖書館虛擬機資源調(diào)度過程應(yīng)安全、高效、快速和保證服務(wù)等級協(xié)議，能夠在較短的時間內(nèi)完成虛擬機的創(chuàng)建、資源管理啟動和虛擬機遷移資源管理。其次，可將虛擬機的實時監(jiān)控和管理過程貫穿于虛擬機生命周期全過程?？赏ㄟ^有效的負載均衡策略，保證云數(shù)據(jù)中心計算系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和虛擬機集群整體的負載均衡。第三，應(yīng)建立健全、有效的讀者云閱讀QoS評估指標體系，并依據(jù)云服務(wù)模式和讀者云閱讀需求變革實際，及時完善QoS評估指標的內(nèi)容。第四，應(yīng)將提高云服務(wù)收益、降低云服務(wù)成本和減少讀者云閱讀活動投入，作為圖書館虛擬機資源調(diào)度的指導(dǎo)方針，確保云圖書館和讀者雙方均具有較高的投資收益率。

2 基于QOS保障的云圖書館虛擬機資源調(diào)度策略

2.1 加強虛擬機資源配置管理的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)云服務(wù)商數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以及云數(shù)據(jù)中心到云圖書館網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，關(guān)系著云圖書館虛擬機資源調(diào)度的效率和可控性。首先，圖書館應(yīng)確保云數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和云數(shù)據(jù)中心到云圖書館的網(wǎng)絡(luò)，具有較高的安全性、傳輸帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量。管理員可利用第三方網(wǎng)絡(luò)管理工具實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置、修改和監(jiān)控，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能滿足虛擬機資源配置、管理的安全、可控與經(jīng)濟需求。其次，應(yīng)建設(shè)高效的虛擬機資源配置、管理、調(diào)度和遷移監(jiān)控平臺，保證所采集的數(shù)據(jù)精確、可靠。第三，在虛擬機遷移工具設(shè)計中，既要保證虛擬機可根據(jù)云閱讀服務(wù)需要安全、快速地遷移至云計算平臺，同時，又能實現(xiàn)虛擬機從云計算平臺反向遷移回數(shù)據(jù)中心，保證虛擬機遷移過程具有較高的靈活性。

2.2 保證云資源池具有較高的安全性和可用性云資源池具有較高的安全性和可用性，是確保虛擬機資源管理、調(diào)度過程靈活、擴展和可消除設(shè)備物理邊界的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)保證云服務(wù)商底層軟硬件平臺具有較高的安全性、可靠性和可控性，不會因為某一物理設(shè)備發(fā)生故障而影響虛擬機的創(chuàng)建、資源分配、管理和調(diào)度。其次，可利用虛擬化軟件將圖書館云資源粒度最小化，不斷增強云資源分配的靈活性、經(jīng)濟性和底層硬件資源的精細化控制程度，實現(xiàn)虛擬機云資源的準確配置和按需使用。第三，云圖書館應(yīng)與服務(wù)商簽署云服務(wù)協(xié)議，實現(xiàn)服務(wù)峰值負載期的資源供給可擴展和較高資源分配保障能力，保證讀者在服務(wù)負載高峰期有較高的云閱讀活動QOS保障。第四，云資源池應(yīng)現(xiàn)不同平臺的工作負載兼容，滿足不同類型應(yīng)用系統(tǒng)與服務(wù)平臺的運行需求[4]。

2.3 實現(xiàn)虛擬機云資源的高效配置和運行管理云資源的配置和運行管理，應(yīng)堅持快速部署和虛擬機全生命周期的智能、自動化管理，同時，可支持管理員的個性化方案制定和自定義配置。首先，云服務(wù)商應(yīng)根據(jù)圖書館虛擬機云資源配置和運行的管理需求，為圖書館云管理員創(chuàng)建云資源池管理帳號和分配相應(yīng)的管理權(quán)限，實現(xiàn)圖書館的云資源池管理、虛擬機模板管理、資源套餐管理、IP地址管理、彈性擴展池管理、虛擬機授權(quán)管理。其次，應(yīng)加強虛擬機運行過程的管理，并對虛擬機名稱、所屬資源池、配置信息、虛擬權(quán)限控制和運行監(jiān)控進行管理。同時，應(yīng)加強虛擬機所在物理主機的CPU、內(nèi)存、存儲空間使用情況，以及網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)控與管理。第三，在云計算多租戶環(huán)境中，可通過云服務(wù)商使用獨立的物理設(shè)備或者虛擬機VLAN劃分方式，實現(xiàn)云圖書館虛擬機和其它租戶虛擬機在物理與邏輯上的安全隔離。同時，應(yīng)加強云圖書館虛擬機管理Web訪問界面的安全性，保證虛擬機管理的用戶名、密碼和權(quán)限安全、可用。

2.4 突出虛擬化管理平臺的功能性建設(shè)云圖書館虛擬機管理平臺的功能主要包括虛擬化資源定義、虛擬機應(yīng)用與服務(wù)管理、虛擬機集群均衡管理、物理主機管理等方面。虛擬化資源定義指為虛擬機定義可分配的云資源池，并實施云虛擬化資源的安全、高效管理。虛擬機應(yīng)用與服務(wù)管理，主要指虛擬機在讀者云閱讀服務(wù)保障過程中的創(chuàng)建、啟動、關(guān)閉、刪除和云資源回收。虛擬機集群均衡管理，指虛擬機為了提高運營效率和云資源使用效率，在虛擬機集群和服務(wù)負載全局實施的有效負載均衡措施。物理主機管理指為了提高虛擬機宿主設(shè)備的安全性、效率、可控性和可用性，而對物理服務(wù)器實施的安全保障、性能監(jiān)控、資源管理和設(shè)備維護工作。虛擬化管理平臺功能性建設(shè)是虛擬機管理有效性的前提和保證。首先，虛擬化管理平臺功能性建設(shè)流程應(yīng)符合SOA（面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）的管理流程，依據(jù)云圖書館虛擬機管理平臺的功能性需求，重點突出管理平臺的運營安全性、系統(tǒng)響應(yīng)時間、最大連接數(shù)、數(shù)據(jù)吞吐量、虛擬機可控性等指標建設(shè)。其次，應(yīng)加強虛擬機集群內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和虛擬機控制信號傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)的合理劃分和外部傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，實現(xiàn)虛擬機運營數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2.5 提高虛擬機資源分配、管理和調(diào)度策略的效率首先，云圖書館應(yīng)根據(jù)擬創(chuàng)建虛擬機的性能和任務(wù)特點，執(zhí)行快速、靈活和便捷的虛擬機資源分配策略，通過預(yù)定義的虛擬機設(shè)置實現(xiàn)虛擬機的快速、標準化創(chuàng)建。其次，虛擬機應(yīng)在保障云閱讀服務(wù)持續(xù)的前提下進行云資源分配。通過對虛擬機所需要資源的周期性重新評估和分配，保證虛擬機服務(wù)高效、持續(xù)。第三，虛擬機資源調(diào)度策略的制定，應(yīng)堅持虛擬機云資源分配高效、快速、就近、夠用的原則，保證時間跨度、服務(wù)質(zhì)量、負載均衡和經(jīng)濟原則最優(yōu)。第四，資源分配前應(yīng)對虛擬機的負載量進行預(yù)評估，制定并執(zhí)行高效、經(jīng)濟的云資源分配策略。同時，為了保證虛擬機資源的分配、調(diào)度過程安全、高效、經(jīng)濟、可控，應(yīng)重點監(jiān)控虛擬機集群系統(tǒng)的吞吐量、資源利用率、效率和公平性[5]。

3 結(jié)束語云圖書館虛擬機資源的分配、管理與調(diào)度過程，是關(guān)系虛擬機運營安全性、效率、經(jīng)濟性和可控性的重要問題。同時，也是關(guān)系云圖書館QOS質(zhì)量保證和服務(wù)可持續(xù)性的重要因素。因此，圖書館必須從讀者云閱讀需求和云服務(wù)能力建設(shè)出發(fā)，加強虛擬機資源管理策略的科學性、有效性、可執(zhí)行性和可控性，才能保證虛擬機集群系統(tǒng)科學規(guī)劃和合理運營，才能為讀者提供滿意的個性化云閱讀服務(wù)。

參考文獻

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（本文責任編輯：馬 卓）