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云计算联盟建模及实现的关键技术研究

张泽华  
【摘要】:随着云计算技术应用和研究的深入,出现了将不同云计算平台的计算资源进行整合来共同为用户提供服务的需求。云计算联盟(Cloud Computing Federation)是一种整合不同云计算服务平台的资源来共同为用户提供服务的联合云计算机制,已经成为目前云计算研究的热点问题之一 云计算联盟具有典型的复杂系统特性,本文基于复杂系统理论的观点和方法论,以云计算联盟如何更好的实现资源的优化配置和提供优质的计算资源为着眼点,对云计算联盟的体系结构建模、资源管理、实现机制和负载均衡问题展开研究。 首先,云计算联盟的体系结构对云计算联盟的设计、实现和资源管理效率产生重要的影响。目前出现的少数几个与云计算联盟体系结构相关的研究成果只是提出了云计算联盟的初步模型和简单的资源管理机制,没有对云计算联盟的特点及其资源管理的实际需求进行深入的分析和讨论。由于云计算联盟的构成和运行过程具典型的复杂系统特性,因此,本文基于涌现理论和复杂网络理论对云计算联盟的体系结构进行建模,提出了一种基于域和复杂网络理论的云计算联盟体系结构模型RCNBA,并对该模型中资源的发布和发现机制进行了详细的设计。相对于已有的云计算联盟模型以及P2P和网格等大规模分布式系统中的资源管理机制,在RCNBA模型中,任务管理器可以根据以往的资源管理中得到的历史信息和当前的资源状况,对由任务管理器节点所构成的复杂网络进行动态的进化,从而能更好的满足具有复杂系统特性的云计算联盟中的资源管理需求,并在资源优化配置能力、资源发现速度、容错性和自适应性等方面具有更大的优势,模型的模拟实验结果证实了RCNBA模型在资源发现效率上的优势。 其次,由于目前还没有一个通用的云计算标准,各个云计算平台是异构的,不同云计算平台之间不能进行应用的互移植和互操作,从而阻碍了云计算联盟的实现。目前有关开放云计算联盟实现的研究工作中,有些只是提出了利用网格中已有技术的设想,有些只是实现了同构云计算平台之间的联合,还没有出现通过异构平台来实现云计算联盟的研究成果。为了解决云计算联盟的实现问题,我们在本文所提出的云计算联盟体系结构模型RCNBA的基础上,提出了基于MobileAgent的开放云计算联盟模型MBOCCF,该模型将云计算技术和Mobile Agent技术的优势进行结合,提供了一种在现有不同异构云计算平台之间实现云计算应用的互移植和互操作的方法,在目前缺乏统一云计算标准的条件下,可以作为云计算联盟的一种实现手段。论文对该模型的可行性和性能进行了定性分析,通过单机原型系统的模拟实验结果和在虚拟机上构建的实验原型系统,分别证实了MBOCCF模型性能上的优势和其在现有技术条件下的可行性。 另外,负载均衡对云计算和云计算联盟的服务质量和效率起着关键的影响,现有云计算平台提供了一个平台内部的一些简单负载均衡机制,这些机制大多是的集中式的,已有的云计算、P2P和网格中的负载均衡机制和研究成果并不适用于云计算联盟中的负载均衡需求,目前还尚未发现关于云计算联盟负载均衡的研究成果。为了实现云计算联盟本身所提供的负载均衡,论文提出了基于蚁群优化算法和复杂网络理论的云计算联盟负载均衡机制(ACCLB),该机制采用复杂系统理论作为指导,实现了一种分布式和基于涌现的负载均衡机制,这一机制改进了已有大规模分布式系统中利用蚁群算法来实现负载均衡的相关算法,同时考虑了云计算联盟所具有的复杂网络理论中的小世界和无标度特性,从而能获得更好的负载均衡性能。在对此机制进行定性分析后,建立了一个原型系统进行了模拟实验,将这一机制和其它已有机制在随机网络、小世界网络和无标度网络作为初始网络的情况下分别进行了模拟,实验结果表明ACCLB具有更好的负载均衡性能。同时,实验结果还发现,在所提出的负载均衡机制下,如果节点的处理能力为随机值,则三种不同类型的网络都将进化为无标度网络,其度指数γ的值分布在2.31-2.63之间。 最后,在一些应用中,云计算服务提供商并不了解用户应用的实现细节和负载均衡策略,同时,由于各云计算平台中的计算资源是动态变化的,代表用户应用的蚂蚁在搜索资源过程中需要根据环境状态的变化和自己的策略,来自适应的改变自己的行为,以便快速地搜索到优质的计算资源,并在搜索到的计算资源上部署应用和自适应的进行负载均衡。因此,在云计算联盟中提供由应用发起的负载均衡机制是必要的。为此,我们在论文中提出了由应用发起的可定制和自适应的负载均衡机制(CAACCLB),并对其实现过程中所必须的蚂蚁之间的全序原子组通信提出了相应的解决机制,性能分析结果证实了这两种机制在效率方面的优势。 本文基于复杂系统理论的观点和方法论,针对云计算联盟的体系结构建模、资源管理、实现机制和负载均衡问题,提出了一种基于域和复杂网络理论的云计算联盟体系结构模型和一种基于Mobile Agent的开放云计算联盟实现模型,并在此基础上对云计算联盟中的两种负载均衡方式提出相应的解决机制。论文的相关研究成果在云计算联盟的研究和实现中可以作为一种有意义的借鉴,在其它大规模分布式计算系统的负载均衡研究中,论文的研究成果在方法论和实现技术上也可以作为参考。


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