CN102739803A - 云计算资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种云计算资源分配方法，涉及云计算技术领域，所解决的是提高云资源利用率的技术问题。该方法先将已被预订用户预订且未被使用的云计算资源作为临时资源，并建立临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型，再根据建立的离散模型计算临时资源租用价格，并按计算出的临时资源租用价格为临时用户提供分配临时资源；当预订用户请求使用预订的资源，且其请求的预订已分配给临时用户使用时，先对临时用户在该资源上运行的应用进行保存，再将其收回后分配给预订用户，然后等待至有空闲的临时资源后，再将临时资源分配给应用尚未运行结束的临时用户。本发明提供的方法，能够保证预订者的资源使用权益，同时又可以提高云计算资源的使用效率。

Description

云计算资源分配方法

技术领域

本发明涉及云计算技术，特别是涉及一种云计算资源分配方法的技术。

背景技术

云计算是IT领域的第三次革命，也是一种全新的商业模型，它允许用户通过互联网以按需、易扩展的方式访问云计算中心的服务器、存储、网络等各种计算资源和软件服务。

随着云计算时代的到来，IT服务模式已完全不同于个人电脑时代，人们使用IT资源的方式也将彻底发生改变，使得云计算存在着巨大的潜在商机。

由于云计算的市场巨大，目前从企业到学术界、政府机构都在大力投入云计算相关的各种关键技术的研究工作。如对虚拟化、负载均衡、资源监控、云安全、云平台与应用等的研究都在如火如荼的进行，一些研究实力较强并且起步较早的公司，也已经开始推出自己的云计算产品及服务，如Amazon公司的EC2、S3，Google公司的AppEng，Microsoft公司的Azure，salesforce公司的CRM等。尽管已经有许多公司和研发机构在云计算相关技术领域和产品上有了很多的突破，但在作为一种全新的商业模式推出前，对于云计算资源的分配并没有太多的理论创新与突破。

目前，云计算服务与应用领域广泛采用和被普遍认可的分配模式主要是按需分配和竞拍分配两种模式。这两种分配模式分别存在着以下缺陷：

对于采用按需使用方式的按需分配模式而言，虽然云计算是一种弹性计算模式，用户需要多少资源，云计算中心就能提供多少资源，但实际上用户不可能预知其应用到底需要多少资源比较合适，这就造成两种情况，即自己选择的资源要么过多，要么过少。对于资源过多的情况，用户显然需要多付资源使用费用，而对于选择过少的情况，可能就会发生应用无法完成或者完成的时间无法预知的情况。

对于采用竞拍使用方式的竞拍分配模式而言，其价格取决于2个因素，一个是资源请求使用用户数量，另一个是资源的数量。对于用户而言，这是个不可预知的因素，但对IT资源的需求是肯定的。关键是资源数量，对于云资源提供商而言，它总可能会给用户造成资源紧张的假象，从而提升资源的竞拍价格。

针对上述这两种资源使用模式及其分配模式的不足，有人提出采用预订的方式来获取云计算资源。这主要是针对一些特定的用户，这些用户运行其应用可能需要大量的云计算资源，若采用按需的方式请求云计算资源，可能不会得到及时响应；若采用竞价的方式使用云计算资源，可能付出的代价又很高，那么采用预订的方式，一方面可以解决资源的响应问题，另一方面又可以在使用费用方面进行折中。这种解决方案对于云计算用户来讲是一种相对较理想的选择，但却会带来另一个问题，那就是从云计算资源提供商的角度来讲的问题。这种服务方式类似于现实生活中的饭店，客人可以通过电话预先订餐，这对于客人来讲十分方面，随时到店都可以坐下就餐，但饭店一旦接受了订餐，那就必须保证客人的餐位，即便是后续来的客人再多，也不能让这些被订过的餐位发挥应有的价值。云计算提供商也会面临同样的问题，当云计算提供商接受用户对云计算资源的预定后，虽然可以考虑收取一定的预订费，但是如果用户并没有过来使用这些预定的资源，那么这些资源将处于闲置状态，不能发挥效能，从而造成资源的浪费。此时，如果云资源提供商想要服务更多的客户，则必须增加投资，购置更多的硬件基础设施，提供更多的资源容量，这显然是一种非常不经济的策略。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够保证预订者的资源使用权益，同时又可以提高云计算资源的使用效率，保证云计算提供商能够不进行硬件基础设施更多投入的情况下，增加收益、拓展市场的云计算资源分配方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种云计算资源分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将已被预订用户预订且未被使用的云计算资源作为临时资源，并建立临时资源价格与临时用户需求量的关系模型为：

$P\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}q\·D\left(t\right)(1-\frac{1}{k\·x_t^c}),& x_t\∈N,x_t\≥2,k\∈[1,+\∞),q,c\∈(\mathrm{0,1}]\\ q\·D\left(t\right),& x_t=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

式中，P(x_t)为云计算资源在临时用户需求量为x_t时的临时资源价格，x_t为t时刻的临时用户需求量，D(t)为在t时刻按需使用的云计算资源的实时价格，q为资源折扣系数，其值为小于等于1的正数，k为临时资源价格优惠系数，其值为大于等于1的常数，c为云计算资源价格优惠指数，其值为小于等于1的正数；

2）设q=c=k=1，D(t)=h，则有：

$P\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}h\·(1-\frac{1}{x_t}),& x_t\∈N,x_t\≥2\\ h,& x_t=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

式中，h为常数；

3）建立云计算资源中各具体资源与临时用户需求量的关系模型为：

$P_i\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^c}),& {i,x}_{\mathrm{it}}\∈N,x_{\mathrm{it}}\≥2,k_i\∈[1,+\∞),q_i,c_i\∈(\mathrm{0,1}]\\ q_i\·D_i\left(t\right),& x_{\mathrm{it}}=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

式中，i为云计算资源中的一种资源，P_i(x_t)为i资源在临时用户需求量为x_t时的价格；

4）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格公式为：

$p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{p}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{\∫}_{t_s}^{t_e}{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^{c_i}})\mathrm{dt}$

x_it∈N,x_it≥2,k_i∈[1,+∞),q_i,c_i∈(0,1]

式中，p(t)为临时用户租用临时资源的资源租用价格，m为云计算资源中的资源种类数，t_s为临时用户租用临时资源的开始时间，t_e为临时用户租用临时资源的结束时间；

5）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型为：

$p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{p}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=t_s}{\overset{t_e}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^{c_i}})\mathrm{\Δt}$

x_it∈N,x_it≥2,k_i∈[1,+∞),q_i,c_i∈(0,1]

6）根据步骤5建立的离散模型计算临时资源租用价格，并按计算出的临时资源租用价格为临时用户提供分配临时资源；

当预订用户请求使用预订的资源，且其请求的预订已分配给临时用户使用时，先对临时用户在该资源上运行的应用进行保存，再将其收回后分配给预订用户，然后等待至有空闲的临时资源后，再将临时资源分配给应用尚未运行结束的临时用户。

本发明提供的云计算资源分配方法，从计费的角度考虑了如何充分利用被预订的云计算资源，使得一方面能够保证预订者的资源使用权益，同时又可以提高云计算资源的使用效率，从而保证云计算提供商能够不进行硬件基础设施更多投入的情况下，增加收益、拓展市场、服务更多的潜在用户。

附图说明

图1是本发明实施例的云计算资源分配方法中，资源价格与临时资源需求量的变化关系图；

图2是本发明实施例的云计算资源分配方法中，资源价格的动态变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种云计算资源分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将已被预订用户预订且未被使用的云计算资源作为临时资源，并建立临时资源价格与临时用户需求量的关系模型为：

$P\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}q\·D\left(t\right)(1-\frac{1}{k\·x_t^c}),& x_t\∈N,x_t\≥2,k\∈[1,+\∞),q,c\∈(\mathrm{0,1}]\\ q\·D\left(t\right),& x_t=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

式中，P(x_t)为云计算资源在临时用户需求量为x_t时的临时资源价格，x_t为t时刻的临时用户需求量，D(t)为在t时刻按需使用的云计算资源的实时价格，q为资源折扣系数，其值为小于等于1的正数，k为临时资源价格优惠系数，其值为大于等于1的常数，c为云计算资源价格优惠指数，其值为小于等于1的正数，k、q、c的取值由云提供商设定；

2）设q=c=k=1，D(t)=h，则有：

$P\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}h\·(1-\frac{1}{x_t}),& x_t\∈N,x_t\≥2\\ h,& x_t=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

如图1所示，按需使用的云计算资源的价格为常数h时，基于临时用户需求量的模型，云计算资源的价格是随着用户需求量的增加而增加的，即临时用户对临时资源的需求越多，则资源的价格也越高，当用户需求量超过一定数量时，临时资源价格将接近于按需使用的资源价格，但不会超过按需使用的资源价格；

3）建立云计算资源中各具体资源与临时用户需求量的关系模型为：

$P_i\left(x_t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^c}),& {i,x}_{\mathrm{it}}\∈N,x_{\mathrm{it}}\≥2,k_i\∈[1,+\∞),q_i,c_i\∈(\mathrm{0,1}]\\ q_i\·D_i\left(t\right),& x_{\mathrm{it}}=\mathrm{0,1}.\end{array}\right.$

式中，i为云计算资源中的一种资源（如cpu、内存、带宽、存储等），P_i(x_t)为i资源在临时用户需求量为x_t时的价格；

临时资源需求量是完全随机的，会随着时间的变化而动态变化，根据动态计费原则，当资源使用率高时，其价格应该有所提高，当资源使用率低时，其价格应该降低，故资源价格在时间轴上反映为一条波动的曲线，可以将临时资源的价格看作是时间的一个函数，即P(x_t)用P(t)来表示；

4）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格公式为：

$p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{p}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{\∫}_{t_s}^{t_e}{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^{c_i}})\mathrm{dt}$

x_it∈N,x_it≥2,k_i∈[1,+∞),q_i,c_i∈(0,1]

式中，p(t)为临时用户租用临时资源的资源租用价格，m为云计算资源中的资源种类数，t_s为临时用户租用临时资源的开始时间，t_e为临时用户租用临时资源的结束时间；

如图2所示，资源的价格与时间之间的变化关系是完全随机的，在不同时刻用户对资源的需求完全是随机的，而资源的价格由于用户需求量是密切相关的，所以资源的价格在时间上也是动态变化的；

在某个时间段的价格，可用

来表示，其中，P_i(t)为t时刻的i资源的价格；

pi(t)反映的只是租用一个单位的某种资源i在t时刻的价格，在实际应用过程中，临时用户对每种资源租用量可能不止一个单位，假设用r_i表示临时用户对某种具体的资源i所租用的数量，它为基本租用单元的整数倍，以内存租用为例，如果云提供商对外出租的标准是1.0GB为单位的话，用户可能租用2.0GB、4.0GB或者其他的值，此时p_i(t)就是1.0GB内存的价格，而r_i为用户租用内存的数量，为2、4或其他的值；

5）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型为：

$p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{p}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=t_s}{\overset{t_e}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{q}_i\·D_i\left(t\right)(1-\frac{1}{k_i\·x_{\mathrm{it}}^{c_i}})\mathrm{\Δt}$

x_it∈N,x_it≥2,k_i∈[1,+∞),q_i,c_i∈(0,1]；

为了使临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型能够比较真实的反映价格随时间的变化关系，可以让时间间隔Δt的取值尽量小，但在实际使用过程中，根据计费的实际情况，Δt的取值达到秒级即可；

6）根据步骤5建立的离散模型计算临时资源租用价格，并按计算出的临时资源租用价格为临时用户提供分配临时资源；

当预订用户请求使用预订的资源，且其请求的预订已分配给临时用户使用时，先对临时用户在该资源上运行的应用进行保存，再将其收回后分配给预订用户，然后等待至有空闲的临时资源后，再将临时资源分配给应用尚未运行结束的临时用户。

临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型是临时资源包使用的一种数学模型，具体模型中的系数取决于云提供商的运营策略、管理水平、对利润的期望水平以及给原始用户的资金补偿额等；假设云提供商的对承载临时资源的设备的折旧费用、能源动力费用以及人员管理及运营开销为C(d,n,a,t)，云提供商对利润的期望值为p_E(z,t)，云提供商因给临时用户提供资源租借服务而带来市场及业务的扩展，最终提高竞争力和形成的社会影响折算成收益的方式为E(z,t)，显然这种因业务扩展带来的收益，只能由运营商进行评估，如果开展某些业务，或针对某些特殊的群体或客户开展某些业务对其业务扩展、市场竞争和吸引客户非常重要，那么他们可以将社会影响收益项E(z,t)的值设定为比较大；否则，如果影响一般，他们就可将E(z,t)的值设定为比较小，甚至为0；其中，C(d,n,a,t)、p_E(z,t)和E(z,t)中的d为与设备相关的因素，n为与能耗相关的因素，a为与管理运营相关的因素，t为时间参数，z为相关的云资源。

通过上述的分析，可以得到云提供商提供基于临时用户的资源租借业务可能得到的回报为：

R(t)＝p(t)+E(z,t)-C(d,n,a,t)

显然，云提供商需要得到的回报必须不小于其期望的收益，即：

R(t)≥p_E(z,t)

根据R(t)≥p_E(z,t)，即可确定基于临时用户的云计费模型中各参数的值。

根据临时资源的计费模型特点，其工作过程的算法实现可以描述如下：

1）预定用户与云提供商签订资源预订协议，云资源提供商在某些时刻有空闲的预订资源{1、2……n}；并且临时用户具有满足Anytime Algorithm（可以随时停止，并且计算是迭代的）的特点的云计算应用需求；

2）云资源提供商将临时空闲的预定资源根据资源系统类型和配置大小，将它们按一定顺序，排列在临时临时资源队列中，如将win7系统作为一个队列，redhat、ubuntu等系统各作为一个队列，然后在各队列中，以资源配置大小的顺序进行排列；

3）临时用户{1,2……n}根据自己应用的特点与需求，提交资源请求申请单，必须明确支持所需的实例平台类型如win2003、winXP、Ubuntu10.04等，及资源需求量，如CPU的核数、内存大小、磁盘大小等，云计算中心根据用户的请求，将其放置在申请队列中；

4）云计算中心将临时用户的资源申请队列与资源出租队列进行匹配，匹配策略采用从前到后的方式扫描，只要出租队列中有资源能满足用户请求的要求（如系统平台相同，临时实例资源配置>=申请实例配置），此匹配就被认为是成功；否则，匹配就不成功；若出现匹配不成功的情况，则将用户请求放置在等待队列中，直到临时资源队列中有满足匹配条件的实例资源时，优先分配；当用户请求等待时间超过某个阈值仍没有合适的临时资源时（取决于云提供商与临时用户之间的SLA），云计算中心可以通过分配满足条件的新资源响应用户请求；

5）对于成功匹配的临时云计算资源，将被分配给临时用户使用，并按照计费策略开始对临时用户进行收费；

6）预订用户{1、2……n}将自己的预订资源提交给云计算中心后，根据自己应用的需要，可以随时提出请求，使用这些资源，不管这些资源是否已经分配给临时用户使用；

7）如果由预订用户提出资源尚处于云计算中心未被分配，那么它将直接被收回；如果此实例已经被分配给临时用户使用，那么，云计算中心必须迅速响应，对正运行在此部分云计算资源之上的程序、数据、中间结果及运行环境进行保存，然后再对其进行回收；

8）当云计算中心对临时用户的运行环境保存完毕后，临时用户所占用的临时资源将返还给原始用户；

9）如果临时用户的应用还没有结束的情况下，资源已经被预定用户收回，那么其应用将在等待队列中进行等待，直到临时资源队列中有满足条件的临时资源，然后读取当时被中断时的中间数据及状态，重新启动临时用户的应用，继续运行；

10）在临时用户使用临时资源过程中，如果出现费用不够的情况，用户可以选择充值，继续完成其应用，也可以暂定或退出整个应用。

本发明实施例中，所述预订用户是指从云资源提供商那里预订云计算资源的用户，所述资源包是指用户从云提供商那里租用的资源总称，包括CPU、内存、带宽、存储等，所述临时资源是指被预订用户预订却尚未被使用的云计算资源，这部分资源虽然被用户所预订，但在某些时刻，这些资源中的全部或部分处于空闲状态，但它们又不同于其他云计算资源，因为它们随时都可能被预定的用户收回使用，所述临时用户是指从云资源提供商那里租用临时资源完成其应用的用户。

由于临时云计算资源不同于原始资源，涉及到云提供商、预订用户和临时用户各方的利益及其云计算应用的特点等，因此在讨论应用这种特殊的云计算资源时，必须充分考虑建立该模型的前提与基础；

1）对于云计算中心而言，必须存在一些预先被预订的资源，并且这些资源中的部分或全部在某些时刻是处于空闲状态，可以用于给临时用户提供特定的云计算应用服务；

2）由于临时资源是预订用户从云提供商那里预订的资源，因此预订用户有权在其预订期限内的任何时候对其预定的资源进行使用和回收，云提供商必须具有非常有效的措施保证在预定用户需要使用其预订资源的时候，迅速有效地将临时用户所占用的资源归还给预订用户，同时能够保证将临时用户的用户信息、中间结果及状态信息有效地保存，以便在有合适的临时资源的时候，随时启动继续已经中断的应用；

3）由于临时资源持续的时间具有不确定性，因此临时用户的应用不应该长期占用这些资源，这就要求这些用户的应用必须符合Anytime Algorithm（可以随时停止，并且计算是迭代的）的计算，如牛顿迭代，小波变换等，其费用支付模式是按资源使用量来进行；

4）由于临时用户使用的临时资源具有不确定性，即随时都有可能被预订用户收回，这就造成临时用户的应用并不能保证在严格的某一时间段或时间点得到理想的结果，这一不利的因素给临时用户带来的补偿是必须让他以更廉价的方式租用这些云计算资源，即采用这种模型，临时用户只需支付远比其他任何经济模型都低的费用就可以解决自己的难题；

5）对于临时资源的合理利用，对云资源提供商非常重要，他必须在预订用户需要的时候及时提供其所预订的资源，同时又必须保证正在使用临时资源的用户信息能够及时完整的保存，这一方面对其技术、服务水平要求比较高，同时从临时用户那里获得的经济收益相对比较薄，所以这种做法是否对自身有利，这就必须考虑是否对提高提供商的利润有利，或者是否对云提供商扩展市场有帮助；

6）由于临时资源是预订用户在某些时候临时没有使用的云计算资源，这些资源种可能会包含预定用户使用资源过程中所留下的个人私密数据或隐私信息，所以当云提供商将这部分资源出租给临时用户时必须保证预订用户的数据完整性和安全性，这就需要良好的数据隔离机制，使得任何的临时用户都无权访问和破坏预订原用户的数据。

Claims (1)

1.一种云计算资源分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将已被预订用户预订且未被使用的云计算资源作为临时资源，并建立临时资源价格与临时用户需求量的关系模型为：

式中，

为云计算资源在临时用户需求量为

时的临时资源价格，

为t时刻的临时用户需求量，

为在t时刻按需使用的云计算资源的实时价格，q为资源折扣系数，其值为小于等于1的正数，k为临时资源价格优惠系数，其值为大于等于1的常数，c为云计算资源价格优惠指数，其值为小于等于1的正数；

2）设q=c=k=1，

=h，则有：

 

式中，h为常数；

3）建立云计算资源中各具体资源与临时用户需求量的关系模型为：

式中，i为云计算资源中的一种资源，

为i资源在临时用户需求量为

时的价格；

4）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格公式为：

 

式中，

为临时用户租用临时资源的资源租用价格，m为云计算资源中的资源种类数，为临时用户租用临时资源的开始时间，为临时用户租用临时资源的结束时间；

5）建立临时用户租用临时资源的资源租用价格的离散模型为：

6）根据步骤5建立的离散模型计算临时资源租用价格，并按计算出的临时资源租用价格为临时用户提供分配临时资源；

当预订用户请求使用预订的资源，且其请求的预订已分配给临时用户使用时，先对临时用户在该资源上运行的应用进行保存，再将其收回后分配给预订用户，然后等待至有空闲的临时资源后，再将临时资源分配给应用尚未运行结束的临时用户。

Images