虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能和能耗管理方法研究.pdf

1、虛擬計(jì)算系統(tǒng)是基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建起來的新一代計(jì)算系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算理論和模式的一次重要?jiǎng)?chuàng)新。它通過引入虛擬機(jī)管理器層，消除了底層硬件體系結(jié)構(gòu)和上層系統(tǒng)軟件之間的緊密耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了多種資源的動(dòng)態(tài)組合和透明共享，提高了物理資源的使用效率，并為用戶提供了個(gè)性化和普適化的使用環(huán)境。虛擬化技術(shù)最典型的應(yīng)用場(chǎng)景就是云計(jì)算。但當(dāng)把虛擬化技術(shù)大規(guī)模推廣到實(shí)際的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的時(shí)候，還需要解決兩個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)問題。(1)低性能問題。性能的損耗是虛擬化技術(shù)

2、帶來的一個(gè)最突出的問題。隨著云計(jì)算的不斷普及，大量的傳統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)⒅鸩竭w移到云中運(yùn)行，如何對(duì)不同類型的典型應(yīng)用程序在虛擬化環(huán)境下的運(yùn)行性能進(jìn)行量化分析和建模優(yōu)化是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。(2)高能耗問題。云計(jì)算的一個(gè)典型特征就是計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的高度集中，這對(duì)云數(shù)據(jù)中心的能耗管理提出了很高的要求。區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心節(jié)能方法，如何利用虛擬機(jī)的特性對(duì)云數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行分布式的管理是另一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。
　　針對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開始了不

3、少前期的研究，但尚存一些不足?；诖?，本文提出了一系列新的方法，旨在解決虛擬計(jì)算系統(tǒng)的“性能”和“能耗”這兩個(gè)核心挑戰(zhàn)問題，即從虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能評(píng)估與分析、虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能調(diào)優(yōu)策略與方法、虛擬計(jì)算系統(tǒng)的能耗管理方法和虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能和能耗權(quán)衡關(guān)系等四個(gè)方面開展系統(tǒng)性的研究工作。本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　(1)提出了一個(gè)基于典型應(yīng)用場(chǎng)景的虛擬計(jì)算系統(tǒng)性能基準(zhǔn)測(cè)試程序集Virt-B?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序集(Benchmark)的缺

4、失是造成虛擬計(jì)算系統(tǒng)性能量化評(píng)估困難的一個(gè)最關(guān)鍵的原因。本文通過對(duì)虛擬化技術(shù)的典型應(yīng)用案例進(jìn)行梳理和總結(jié)，歸納出虛擬化技術(shù)的六大典型應(yīng)用場(chǎng)景，分別是單機(jī)虛擬化、服務(wù)器整合、虛擬機(jī)部署、虛擬機(jī)在線遷移、計(jì)算密集型(MPI)虛擬集群和數(shù)據(jù)密集型(MapReduce)虛擬集群。本文針對(duì)這六大典型應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)定義了其評(píng)測(cè)指標(biāo)和負(fù)載，并且開展了大量的性能量化分析工作，為本領(lǐng)域的研究人員提供第一手詳實(shí)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。此外，本文還設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)測(cè)

5、試環(huán)境自動(dòng)構(gòu)建和測(cè)試負(fù)載自動(dòng)生成的工具來輔助測(cè)試。
　　(2)提出了一系列針對(duì)多機(jī)多核架構(gòu)的虛擬計(jì)算系統(tǒng)性能調(diào)優(yōu)策略和方法。在詳細(xì)全面的性能測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)提出了相應(yīng)的針對(duì)多機(jī)多核虛擬計(jì)算系統(tǒng)的性能調(diào)優(yōu)策略和方法。特別地，針對(duì)多虛擬機(jī)環(huán)境，提出了一種基于資源預(yù)留的多虛擬機(jī)在線遷移優(yōu)化方法和虛擬集群遷移控制框架和策略;針對(duì)多核處理器環(huán)境，提出了一種負(fù)載感知的虛擬機(jī)性能隔離性優(yōu)化方法和一種緩存感知的虛擬機(jī)故障隔離性優(yōu)化方法。在

6、真實(shí)的虛擬化環(huán)境下的真實(shí)負(fù)載測(cè)試結(jié)果表明，所提出的幾種優(yōu)化方法，都能有效提升虛擬機(jī)在多機(jī)多核環(huán)境下的運(yùn)行性能。
　　(3)提出了兩種以虛擬機(jī)為粒度的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能架構(gòu)和方法。數(shù)據(jù)中心虛擬化之后，傳統(tǒng)的節(jié)能方法將不能直接應(yīng)用于虛擬化云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。這是因?yàn)樘摂M機(jī)的能耗不能通過電表直接測(cè)量。本文對(duì)虛擬化云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的節(jié)能挑戰(zhàn)和方法進(jìn)行全面的分析和探討，并基于此，進(jìn)一步提出了兩個(gè)以虛擬機(jī)為粒度的云數(shù)據(jù)中心節(jié)能架構(gòu)，分別是:基于資源

7、監(jiān)控的虛擬計(jì)算系統(tǒng)節(jié)能架構(gòu)和基于負(fù)載輪廓分析的虛擬計(jì)算系統(tǒng)節(jié)能架構(gòu)。前者方法易于實(shí)現(xiàn)，但無法保證虛擬機(jī)負(fù)載的性能。后者則通過對(duì)虛擬機(jī)負(fù)載進(jìn)行事先的輪廓分析，在虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)能保證虛擬機(jī)負(fù)載的性能。兩種方法都能有效降低虛擬化云數(shù)據(jù)中心的能耗。
　　(4)研究了虛擬計(jì)算系統(tǒng)中虛擬機(jī)性能和能耗之間的權(quán)衡關(guān)系，提出了虛擬機(jī)負(fù)載性能約束下的最優(yōu)節(jié)能整合模型及最優(yōu)遷移決策算法。由于不同類型的虛擬機(jī)負(fù)載整合在一起時(shí)的性能表現(xiàn)不同，因此如何選擇