CN102567077B - 一种基于博弈论的虚拟化资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于博弈论的虚拟化资源分配方法。目前的虚拟机监控器软件和操作系统不区分具体虚拟机应用程序的资源使用特点，无法确保重要应用程序和客户机操作系统的服务质量。本发明包含两部分的内容：利用正交设计确定特定负载与不同类型虚拟资源依赖关系、基于非合作博弈标价模型的虚拟机资源分配的。通过本发明提供的博弈论的虚拟化资源管理方法，可以在系统高度竞争的情况下有效缓解系统资源的竞争程度，显著提高整个虚拟化系统的性能和服务质量。

Description

一种基于博弈论的虚拟化资源分配方法

技术领域

本发明属于计算机资源管理技术领域，涉及一种基于博弈论的虚拟化资源分配方法。

背景技术

       随着计算机软硬件发展速度的加快，单台计算机的性能不断的提升，然而单台计算机的资源使用率仍较低。计算系统虚拟化技术可以动态组织多种计算资源，隔离具体的硬件体系结构和软件系统之间的紧密依赖关系，实现透明化的可伸缩计算系统架构，提高计算资源（如处理器、存储器）的使用效率，在桌面领域和服务器领域都得到了广泛的应用。当前, 云计算是信息技术热门领域之一，其核心支撑技术是计算机虚拟化，通过虚拟化技术将大规模系统中各种不同类型的异构设备和资源通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供计算、存储和业务访问服务等。

在虚拟化系统中，由于多个客户虚拟机并存且竞争虚拟机资源，因此，在高并发情况下， 必须提供一套有效的虚拟化资源管理方法，用来确定不同负载类型对资源类型的依赖关系，确保每一个客户虚拟机有合理数量的虚拟资源，保证服务公平性的同时避免出现服务瓶颈，对具有不同优等级虚拟机提供相应的性能服务。在虚拟机系统中，虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor, VMM)利用该方法，合理的回收与分配虚拟机资源，满足不同客户虚拟机对资源的请求。

发明内容

由于当前的虚拟机监控器软件不管其上层虚拟机的服务请求是否具有时效性或可等待性，均以公平的资源使用原则来调度资源，无法发挥整个计算机系统的最佳效能。因此，本发明能快速确定运行在虚拟机上特定负载对虚拟资源类型（如：处理器利用率、 内存容量和网络带宽）的依赖关系。利用非合作博弈的标价模型，客户虚拟机对所需的虚拟机资源进行报价，虚拟机监控器根据所报价格结合本发明给出得效益函数，计算出使各虚拟机效益函数最大化的资源分配方案，最终提高虚拟化系统的性能和服务质量。

该发明包含两部分的内容：利用正交设计，确定负载与某类虚拟计算机（处理器利用率、 内存容量和网络带宽）资源依赖关系和基于虚拟机资源分配的非合作博弈标价模型。

（1）利用正交设计确定特定负载对不同虚拟资源依赖关系。

针对已有的虚拟机监控器考虑应用程序与虚拟资源类型（处理器利用率、 内存容量和网络带宽等）的关系，本发明利用正交设计，确定特定负载对处理器利用率、内存容量和网络带宽这三种资源的依赖关系。

（2）基于虚拟机资源分配的非合作博弈标价模型。

根据负载对资源的不同依赖程度，设计出考虑负载特征的非合作标价模型。客户虚拟机综合考虑响应时间、吞吐率、处理器利用率、内存和网络带宽等特性，对所需的资源合理报价。根据模型定义的各虚拟机效益函数，给出纳什均衡点时的资源分配方案。依方案虚拟机监控器分配各客户虚拟资源。

本发明方法的具体步骤是：

步骤1.根据正交表，结合当前虚拟机内存容量、网络带宽和处理器利用率三个参数，对每个参数分别取三个值，形成9组资源分配的正交方案，使每组方案中三个参数值尽可能的接近于负载所需的资源容量。

表1 三因素三水平正交表

步骤2.在特定负载情况下，参数控制器控制资源分配，吐率记录器记录在不同正交方案下的服务器性能指标，服务器性能指标主要考虑系统吞吐率；

步骤3.对正交方案进行方差分析，计算出影响吞吐率主要因素，从而能确定在该特定负载下对虚拟资源类型的依赖关系；

步骤4.结合非合作标价模型，设计出具有负载特征的虚拟机效益函数和松弛迭代表达式；

步骤5.根据各客户虚拟机的报价和各虚拟机效益函数，将产生纳什均衡点时的资源分配方案，依照该资源分配方案分配客户虚拟机所需资源。

通过本发明，基于特定负载特征，对虚拟资源进行分配，可以在系统高度竞争的情况下有效缓解系统资源的竞争程度，显著提高整个虚拟化系统的性能和服务质量。

附图说明

图1是负载特征正交化识别图。

图2是虚拟机资源博弈图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，图1给出了特定负载特征正交化识别图。其中1、2、3为处理器、 内存和网络I/O，4为参数控制器，根据正交表设计出资源分配的正交方案，分配虚拟机资源，5 为系统吞吐率记录器，记录不同资源分配组合时，系统吞吐率大小；图2，虚拟机资源博弈图，描述各虚拟机资源博弈情况。

本发明提出的基于博弈论的虚拟化资源管理方法，其实施步骤如下：

步骤1.根据当前虚拟机系统可利用的资源容量，结合表1，其中A,B,C分别代表三类虚拟机资源，本发明主要是指处理器利用率、内存容量和网络带宽，对每类虚拟资源，分别取三个不同值。然后把这9组资源分配组合，导入参数控制器。同时，在相同的负载下，对每组资源分配组合进行测试。

步骤2.吞吐率记录器分别记录9组资源分配组合，相应的系统吞吐率。填入正交表相应的Wips(系统吞吐率)列。

步骤3.采用如下正交方差分析，其基本步骤如下：

1）计算各列各水平的值及其平方，为同一水平之和； 

2）计算总偏差平方和

令 ,，其代表第组资源分配策略相应的吞吐率。

 

3）计算各列偏差平方和自由度。

其中n为实验总次数；m为第j列因素的水平数；r为第j列因素每个水平出现的次数；列偏差平方反映了该列水平在变动时所引起的试验的波动情况。若该列有试验因素，则称为该因素的偏差平方和，如该列是空列表示实验误差和未被考察的因素所引起的波动。在正交试验方差分析中，通常把空列的偏差平方和看作实验误差的偏差平方和，用来显著性检验。总自由度是正交试验总次数减1，，第j列因素自由度为该列实验因素水平数减1，，因此，总偏差平方和等于正交表所有列的偏差平方和，其自由度等于各列自由度之和；

    4）计算方差  ，其为正交表的列；

5）构造F统计量，列方差分析表，做显著性检验，根据F值，查统计学中F检验表，此时假设检验为：

     和 

若计算出的F值，则拒绝原假设，认为该因素对实验结果有显著影响，若，则认为该因素对实验结果无显著显著影响。此步骤我们可以确定，负载与哪类资源依赖性比较大。

步骤4.根据图2，设计非合作标价模型的标价机制和效益函数。其标价的机制为：

各虚拟机（博弈参与者）对所申请的资源标价，与对资源的需求迫切程度成正比.在实际的场景中，资源需求越迫切报价越高.同时虚拟资源管理器根据价格比例共享原则，分配管理器当前拥有的资源. 所以每次分配资源也相当于进行了一次资源调节过程，把那些闲置资源分配给当前需要资源的虚拟机.我们选取能反映虚拟机系统和应用软件性能的特征量，这些特征量在步骤3通过正交试验的方差分析给出。

    本发明的设计的非合作标价模型，给出了一个合理效益函数，当博弈参与者向资源拥有者提交一个投标价格，投标的价格越高, 期望获得资源份额越大. 利用资源分配遵循基于价格比例共享原则,设计如下份额,标价关系式和效益函数:

            和    

其中上述公式中的符号的具体含义见表2

                                                         表2  基本符号

符号	含义
			虚拟机编号，取值为
	第台虚拟机以外的虚拟机
			第台虚拟机竞价，即虚拟机博弈者所采取的策略
	所有虚拟机竞价组合（），向量
			第台虚拟机在竞价下，份额向量
	第台虚拟机效益函数

步骤5.根据各客户虚拟机的报价和各虚拟机效益函数，将产生纳什均衡点时的资源分配方案，依照该资源分配方案分配客户虚拟机所需资源。

Claims (1)

1.一种基于博弈论的虚拟化资源分配方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1.根据正交表，结合当前虚拟机内存容量、网络带宽和处理器利用率三个参数，对每个参数分别取三个值，形成9组资源分配的正交方案，使每组方案中三个参数值尽可能的接近于负载所需的资源容量；

步骤2.在特定负载情况下，参数控制器控制资源分配，吐率记录器记录在不同正交方案下的服务器性能指标，服务器性能指标主要考虑系统吞吐率；

步骤3.对正交方案进行方差分析，计算出影响吞吐率主要因素，从而能确定在该特定负载下对虚拟资源类型的依赖关系；

步骤4.结合非合作博弈标价模型，设计出具有负载特征的虚拟机效益函数和松弛迭代表达式；

步骤5.根据各客户虚拟机的报价和各虚拟机效益函数，产生纳什均衡点时的资源分配方案，依照该资源分配方案分配客户虚拟机所需资源。