CN103023820B - 一种可分片预留接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可分片预留接纳控制方法，属于分布式计算环境资源管理领域的核心技术。分布式环境下的资源预留系统主要包括客户端、资源提供者和资源调度器，其核心是资源调度器。资源调度器拥有各分布式资源的动态信息，它接收客户端发来的请求后，根据最新资源总信息，来判断能否接纳该请求。可分片预留接纳控制方法的核心思想是：无法实现固定资源预留时，在保证最大分片间隔的前提下，允许对资源进行分片预留；在各分片中，若存在剩余资源量小于请求预留资源量的时隙，允许用最小资源量进行预留。本发明能有效地减少资源碎片，提高资源预留的接纳率和有效资源利用率。

Description

一种可分片预留接纳控制方法

技术领域

本发明涉及一种可分片预留接纳控制方法，属于分布式计算环境资源管理领域的核心技术。

背景技术

在高性能计算网格环境中，资源分布在各个不同地域和管理域中，由不同的组织拥有和操作，并且在使用策略和安全机制上各不相同，即不同站点可能会使用不同的本地资源管理系统。同时，很多应用需要同时使用多个站点上的资源，站点的自治性、资源的动态性和异构性需要一种有效机制来联合分配位于多个站点上的资源。选择一个合适的资源管理模型对计算网格环境中的资源进行有效管理是实现高性能协同计算，共同完成重大应用问题的关键。

资源预留可以保证任务在开始执行时获得资源，而在网格这种资源动态性很强的环境中，任务能够如期执行可以大大提高整个网格系统的资源利用率和系统性能。同时由于资源预留还可以实现网格服务的QoS（服务质量）保证，因而资源预留是网格资源管理中一种普遍采用的机制，也成为网格资源管理的研究热点。

接纳控制方法是分布式计算环境中资源提前预留机制的核心，它的好坏直接影响该机制的总体性能。接纳控制根据新的接入请求的QoS需求能否被接纳和接纳后能否保持其他已有连接的QoS，来决定一个新的连接是否被接纳。根据预留参数是否可变，可以将资源预留分为固定预留和灵活预留两类。目前，固定预留往往会造成多个资源请求的叠加，在某个时刻形成资源使用高峰而拒绝后续请求；同时容易产生大量的“资源碎片”，造成资源的浪费。已有的灵活预留接纳控制算法中，动态调整预留请求参数和支持松弛开始时间的算法，实行的是连续时间的预留，在“资源碎片”较多的情况下并不能改善系统性能；任务可分割的算法，要求每个时隙预留的带宽是恒定的，某些请求可能因为个别时隙内剩余的带宽不够而被拒绝，降低系统的接纳率。

在已有的灵活资源预留研究中，研究人员探讨了资源预留对系统性能的影响，并抽象出了三种可拓展预留机制：（1）缩短持续时间，增大预留带宽(Shorten the Duration and Increase theReserved Bandwidth,SDIR)。（2）推迟预留的开始时间(Postpone the Start Time,PST)。（3）延长持续时间，减小预留带宽(Extend the Duration and Reduce the Reserved Bandwidth,EDRB)。但这三种方法预留时隙是连续的且每个时隙内预留的带宽值相等，无法解决资源碎片化问题。

用于存储资源使用情况的数据结构是影响接纳控制算法性能的关键要素之一。网格资源提前预留要求接纳控制的数据结构必须能够快速高效的查询资源的使用情况，实验表明增加了资源提前预留机制的网格环境，所增加的处理时间有60%用于对数据结构的处理，8%用于挑选合适的资源，剩余的32%则用于资源提前预留机制的管理。现有的数据结构研究主要可以分为两类：时隙数据结构和非时隙数据结构。时隙数组属于典型的时隙数据结构，它具有查找速度快的优点，但描述性能较差，且消耗较多的存储空间。在非时隙数据结构中，单链表对存储的消耗要远少于时隙数组，并且在请求量不是很大时，在时间消耗上也要大大优于时隙数组。索引链表是一种改进的单链表结构，它的内存需求仅次于单链表，搜索时间仅次于时隙数组。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种可分片预留接纳控制方法。

本发明的技术方案为一种可分片预留接纳控制方法，用于资源调度器根据客户端的请求和最新资源总信息判断能否接纳请求，客户端发出的请求Req(bw,ts,td，min_bw,max_i,te)到达资源调度器后，其中bw、ts、td、min_bw、max_i和te分别表示单位时间内预留的带宽、预留的开始时刻、持续时间、最小带宽、最大分片间隔和最晚结束时间，资源调度器执行以下步骤，

步骤1，检查是否能在时间段[ts,ts+td)内的每个时隙预留大小为bw的带宽，是则接纳请求，修改[ts,ts+td)内每个时隙的剩余带宽，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，固定资源预留成功，流程终止；否则，转步骤2；

步骤2，令变量sumbw=bw×td，sumbw表示总共需预留的带宽量，令变量sum=已遍历时隙个数×bw，sum表示已经能够用于预留的带宽总量；转步骤3，进行可分片预留；

步骤3，用变量new_s表示当前不能满足预留的时隙，在保证不超过最晚结束时间te的前提下，在时间段(new_s,new_s+max_i]内，若存在剩余带宽不小于min_bw的时隙slot_m，转步骤4；否则，客户端发出的请求被拒绝，流程终止；

步骤4，若时隙slot_m内剩余带宽不小于bw，则sum+=bw，否则sum+=min_bw；然后，若sum>=sumbw，则接纳客户端发出的请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，可分片预留成功，流程终止；反之，转步骤5；

步骤5，对时间段[slot_m+1,te]内的每一个时隙j，进行如下操作，

若时隙j内剩余的带宽不小于bw，则sum+=bw，接下来判断，若sum>=sumbw，则接纳客户端发出的请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，可分片预留成功，流程终止，否则，如果sum<sumbw且j等于te，转步骤6；

若时隙j内剩余的带宽小于bw，则转步骤3；

步骤6，拒绝客户端发出的请求，流程终止。

而且，步骤3的实现方式如下，

令变量i=new_s，进行时隙的遍历，所述遍历的流程为若i<te&&i<=new_s+max_i成立，表明当前遍历的时隙i不超出最晚结束时间te且在最大分片间隔max_i的约束范围内，接着判断时隙i内剩余的带宽是否不小于最小带宽min_bw，若是，则用变量slot_m标记该时隙i并转步骤4，否则i=i+1，继续遍历；若i<te&&i<=new_s+max_i不成立，表明无法找到满足条件的时隙，则拒绝该请求，流程终止。

而且，步骤5的实现方式如下，

令变量j=slot_m+1，先判断是否j<=te，否则转步骤6，j<=te则判断是否时隙j内剩余的带宽不小于bw，否则转步骤3，是则sum+=bw并判断是否sum>=sumbw；sum>=sumbw则更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，否则j＝j+1，然后返回至判断是否j<=te循环执行。

而且，步骤3的实现方式如下，存储资源使用情况的数据结构采用资源线索树或资源二叉树或时隙数组，

所述资源线索树将二叉搜索树与链表相结合，其中链表指针将树中节点按中序依次串联起来；所述资源二叉树利用二叉搜索树的特点来组织资源的数据结构，包括将一个预留请求转换成节点，插入到资源二叉树中。

而且，资源线索树中，某节点p预留的资源已使用，当前时间已经大于节点p的终止时间，则p为过期节点，采用剪枝函数删除，所述剪枝函数操作如下，

若资源线索树的根节点的时间大于当前时间，则以根节点的右孩子作为新的根节点，删除原根节点，以新的根节点继续进行剪枝操作；若根节点的时间不小于当前时间，则以根节点作为当前节点q，进入删除子树的操作：

若q没有左孩子，剪枝函数结束；

若q有左孩子，则令p为q的左孩子，然后判断p是否为过期节点；

若p为过期节点，则q的左孩子指向p的右孩子，删除p节点，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束；

若p不是过期节点，则q指向p，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束。

而且，资源二叉树中冗余的链式结构，采用降高函数删除，所述降高函数操作如下，

以根节点作为当前节点q进行降高的递归操作：

若q没有左孩子则结束递归，否则令p为q的左孩子，

若p没有左孩子，则结束递归；

若p有左孩子没有右孩子，则q的左孩子指向p的左孩子，删除p节点，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归；

若p既有左孩子又有右孩子，则q指向p，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归。

本发明提供的可分片预留接纳控制方法，当带宽不足时，可进行分片预留，而且在每一段的预留中，各个时隙除了可以以要求的带宽进行预留，还能以最小带宽进行预留，从而获得较高的接纳率和资源利用率，有效地减少资源碎片。并且提出了更适用的数据结构，进一步提高性能。

附图说明

图1为资源预留系统的架构图。

图2为本发明实施例的可分片预留接纳控制效果示意图。

图3为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

本发明研究发现，在目前的可拓展预留算法中，预留时隙是连续的且每个时隙内预留的带宽值相等，这保证了用户在使用资源时，不会出现中断和抖动。而对于某些应用来说，比如流媒体服务，并不要求带宽的恒定和连续，只需要在客户缓冲区内的数据耗尽之前，流媒体数据继续下载即可。对于内容分发系统也是如此，只需要在既定时间内完成传输，而对传输过程中的带宽变化不敏感。对于生物计算或其他工程计算，只需要在预留的时间td内完成计算任务，对于执行过程中CPU使用率的抖动、内存分配的变化并不敏感。因此对于多种类型的应用，其带宽的预留可以是不连续的，且在每个时隙内预留的资源量可以变化。本发明据此提供了新的可分片预留接纳控制方法。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1所示，分布式环境下的资源预留系统主要包括客户端、资源提供者和资源调度器，其核心是资源调度器。客户端由预留请求生成器和发送器组成，生成各参数符合特定概率分布的预留请求，随机发送；资源提供者是指提供计算资源、网络资源、存储资源等分布式资源的端系统（主机、服务器等），由其进行资源的预留操作；资源调度器拥有各分布式资源的动态信息，它接收客户端发来的请求后，根据最新资源总信息，来判断能否接纳该请求。若能，则根据该请求的资源需求情况对各网格资源发送资源预留的消息，并修改相应的网格资源信息；否则，拒绝该请求。

如图2所示的示例，MAX_B表示资源提供者每个时隙能提供的带宽，Reserved Bandwidth表示各个时隙目前已预留的带宽；当预留请求Request到来时，当前时隙数组剩余的带宽不足以以固定资源预留的方法接纳该Request，通过采用本发明提出的可分片预留接纳控制算法成功接纳了该请求。该算法的核心思想是：当带宽不足时，可进行分段预留，而且在每一段的预留中，各个时隙除了可以以要求的带宽进行预留，还能以最小带宽进行预留，从而获得较高的接纳率和资源利用率。

如图3所示，本发明在[ts,te)内查找剩余的可用于预留的资源总量：对每个时隙，若其剩余带宽不小于min_bw或者bw，则可预留；同时，在查找的过程中，应该保证各阶段预留之间的间隔不大于最大间隔max_i。在最坏情况下，查找资源将对时隙数组在时间段[ts,te)内进行一次遍历，其时间复杂度为O(n)。实施例所提供的处理过程如下：

请求Req(bw,ts,td，min_bw,max_i,te)到来后（bw、ts、td、min_bw、max_i和te分别表示单位时间内预留的带宽、预留的开始时刻、持续时间、最小带宽、最大分片间隔和最晚结束时间）：

（1）检查系统能否在时间段[ts,ts+td)内的每个时隙预留大小为bw的带宽，即能否能满足请求Req(bw,ts,td)，如果可以，则接纳请求，修改[ts,ts+td)内每个时隙的剩余带宽，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，固定资源预留成功，流程终止；否则，转（2）。

（2）令变量sumbw=bw×td，sumbw表示总共需预留的带宽量，令变量sum=已遍历时隙个数×bw，sum表示已经可以用于预留的带宽总量；转（3），进行可分片预留。

（3）用变量new_s表示当前不能满足预留的时隙。在保证不超过最晚结束时间te的前提下，在时间段(new_s,new_s+max_i]内，若存在剩余带宽不小于min_bw的时隙slot_m，转（4）；否则，此请求被拒绝，流程终止。

具体实施时，令变量i=new_s，进行时隙的遍历：若i<te&&i<=new_s+max_i，表明当前遍历的时隙i不超出最晚结束时间te且在最大分片间隔max_i的约束范围内，接着判断时隙i内剩余的带宽是否不小于最小带宽min_bw，若是，则用变量slot_m标记该时隙i并转（4），否则i＝i+1，继续遍历；若i<te&&i<=new_s+max_i不成立，表明无法找到满足条件的时隙，则拒绝该请求，流程终止。

（4）若时隙slot_m内剩余带宽不小于bw，则sum+=bw；否则，sum+=min_bw。然后，若sum>=sumbw，则接纳该请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息（即修改[ts,slot_m]时间段内满足预留的所有时隙的剩余带宽），可分片预留成功，流程终止；反之，转（5）。

（5）对时间段[slot_m+1,te]内的每一个时隙j，进行如下操作：

若时隙j内剩余的带宽不小于bw，则sum+=bw，接下来判断，若sum>=sumbw，则接纳该请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息(即修改[ts，j]时间段内满足预留的所有时隙的剩余带宽)，可分片预留成功，流程终止，否则，如果sum<sumbw且j等于te，转（6）；

若时隙j内剩余的带宽小于bw，则转（3）。

具体实施时，可以令变量j=slot_m+1，先判断是否j<=te，否则转（6），j<=te则判断是否时隙j内剩余的带宽不小于bw（即判断是否时隙j内剩余的带宽>=bw），否则转（3），是则sum+=bw并判断是否sum>=sumbw；sum>=sumbw则在时隙数组中为该请求预留资源，否则j＝j+1，然后返回至判断是否j<=te循环执行。

（6）此时已经遍历到时隙te，但已经可以用于预留的带宽总量sum小于需要预留的总量sumbw，拒绝该请求，流程终止。

流程涉及的符号为常用的程序语言，本领域技术人员能够理解，例如<=表示小于或等于，>=表示大于或等于，sum+=bw表示sum=sum+bw。

由于数据结构的重要作用和现有数据结构的不足，除了流程中提到的时隙数组，本发明另外构建了两种适用于资源预留的树形结构：线索树和二叉树是已经存在的两种数据结构，本发明根据资源预留信息存储的特殊要求，进一步实现了适用于资源预留的两种数据结构，即资源线索树和资源二叉树。

资源线索树将二叉搜索树与链表相结合，其中链表指针将树中节点按中序依次串联起来。这样既可以利用二叉搜索树查找速度的优势，还可以利用链表实现高效的遍历，避免递归，提高性能。资源线索树的建立过程包括树为空时节点的插入，以及之后起始时间节点与终止时间节点的建立。随着时间的推移，树中的节点越来越多，所有的节点都会不断的过期。过期指的是某节点p预留的资源已使用，当前时间已经大于节点p的终止时间，此时节点已经失去意义。过期节点依然占据着存储资源，造成了存储冗余和浪费，为了解决这个问题，实施例定义了剪枝函数，定期寻找所有的过期节点，并将之从树中删除，以达到消除冗余，节省存储的目的。剪枝函数的操作如下：

若资源线索树的根节点的时间大于当前时间，则以根节点的右孩子作为新的根节点，删除原根节点，以新的根节点继续进行剪枝操作；若根节点的时间不小于当前时间，则以根节点作为当前节点q，进入删除子树的操作：

若q没有左孩子，剪枝函数结束；

若q有左孩子，则令p为q的左孩子，然后判断p是否为过期节点；

若p为过期节点，则q的左孩子指向p的右孩子，删除p节点，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束；

若p不是过期节点，则q指向p，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束。

数据结构采用资源线索树或资源二叉树时同样也可实现实施例提供的可分片预留接纳控制流程，本发明不予赘述。

资源二叉树是一种利用二叉搜索树的特点来组织资源的数据结构。其提出的目的是为了改善带宽树的性能极其低下的问题；资源二叉树相比于二叉搜索树，具有比较高的搜索性能优势。建资源二叉树的核心过程是将一个预留请求转换成节点，插入到资源二叉树中。具体实施时，当资源调度器决定接纳一个预留请求之后，也就是确定了在哪些时隙内预留各自多少的资源，要把这些信息转变成对应的树的节点插入树中，从而进行信息的保存。除了剪枝函数的实现，资源二叉树中还存在的另一个问题是其深度不断的加深，此时在树中可能存在着冗余的链式结构。为了消除这种冗余，实施例定义了降高函数，其思想是在剪枝完成后随即搜索树中的链式结构，将冗余节点删除。降高函数的操作如下：

以根节点作为当前节点q进行降高的递归操作：

若q没有左孩子则结束递归，否则令p为q的左孩子，

若p没有左孩子，则结束递归；

若p有左孩子没有右孩子，则q的左孩子指向p的左孩子，删除p节点，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归；

若p既有左孩子又有右孩子，则q指向p，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种可分片预留接纳控制方法，用于资源调度器根据客户端的请求和最新资源总信息判断能否接纳请求，其特征在于：客户端发出的请求Req(bw,ts,td,min_bw,max_i,te)到达资源调度器后，其中bw、ts、td、min_bw、max_i和te分别表示单位时间内预留的带宽、预留的开始时刻、持续时间、最小带宽、最大分片间隔和最晚结束时间，资源调度器执行以下步骤，

步骤1，检查是否能在时间段[ts,ts+td)内的每个时隙预留大小为bw的带宽，是则接纳请求，修改[ts,ts+td)内每个时隙的剩余带宽，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，固定资源预留成功，流程终止；否则，转步骤2；

步骤2，令变量sumbw＝bw×td，sumbw表示总共需预留的带宽量，令变量sum＝已遍历时隙个数×bw，sum表示已经能够用于预留的带宽总量；转步骤3，进行可分片预留；

步骤3，用变量new_s表示当前不能满足预留的时隙，在保证不超过最晚结束时间te的前提下，在时间段(new_s,new_s+max_i]内，若存在剩余带宽不小于min_bw的时隙slot_m，转步骤4；否则，客户端发出的请求被拒绝，流程终止；

步骤4，若时隙slot_m内剩余带宽不小于bw，则sum+＝bw，否则sum+＝min_bw；然后，若sum>＝sumbw，则接纳客户端发出的请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，可分片预留成功，流程终止；反之，转步骤5；

步骤5，对时间段[slot_m+1,te]内的每一个时隙j，进行如下操作，

若时隙j内剩余的带宽不小于bw，则sum+＝bw，接下来判断，若sum>＝sumbw，则接纳客户端发出的请求，更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，可分片预留成功，流程终止，否则，如果sum<sumbw且j等于te，转步骤6；

若时隙j内剩余的带宽小于bw，则转步骤3；

步骤6，拒绝客户端发出的请求，流程终止；

其中，存储资源使用情况的数据结构采用资源线索树或资源二叉树或时隙数组，

所述资源线索树将二叉搜索树与链表相结合，其中链表指针将树中节点按中序依次串联起来；所述资源二叉树利用二叉搜索树的特点来组织资源的数据结构，包括将一个预留请求转换成节点，插入到资源二叉树中；

资源线索树中，某节点p预留的资源已使用，当前时间已经大于节点p的终止时间，则p为过期节点，采用剪枝函数删除，所述剪枝函数操作如下，

若资源线索树的根节点的时间大于当前时间，则以根节点的右孩子作为新的根节点，删除原根节点，以新的根节点继续进行剪枝操作；若根节点的时间不小于当前时间，则以根节点作为当前节点q，进入删除子树的操作：

若q没有左孩子，剪枝函数结束；

若q有左孩子，则令p为q的左孩子，然后判断p是否为过期节点；

若p为过期节点，则q的左孩子指向p的右孩子，删除p节点，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束；

若p不是过期节点，则q指向p，进而基于当前节点q再次进入删除子树的操作，直到q没有左孩子则剪枝函数结束；

资源二叉树中冗余的链式结构，采用降高函数删除，所述降高函数操作如下，

以根节点作为当前节点q进行降高的递归操作：

若q没有左孩子则结束递归，否则令p为q的左孩子，

若p没有左孩子，则结束递归；

若p有左孩子没有右孩子，则q的左孩子指向p的左孩子，删除p节点，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归；

若p既有左孩子又有右孩子，则q指向p，进而基于当前节点q继续进行降高的递归操作，直到q没有左孩子则结束递归。

2.根据权利要求1所述可分片预留接纳控制方法，其特征在于：步骤3的实现方式如下，

令变量i＝new_s，进行时隙的遍历，所述遍历的流程为若i<te&&i<＝new_s+max_i成立，表明当前遍历的时隙i不超出最晚结束时间te且在最大分片间隔max_i的约束范围内，接着判断时隙i内剩余的带宽是否不小于最小带宽min_bw，若是，则用变量slot_m标记该时隙i并转步骤4，否则i＝i+1，继续遍历；若i<te&&i<＝new_s+max_i不成立，表明无法找到满足条件的时隙，则拒绝该请求，流程终止。

3.根据权利要求1所述可分片预留接纳控制方法，其特征在于：步骤5的实现方式如下，

令变量j＝slot_m+1，先判断是否j<＝te，否则转步骤6，j<＝te为真则判断是否时隙j内剩余的带宽不小于bw，否则转步骤3，是则sum+＝bw并判断是否sum>＝sumbw；sum>＝sumbw则更新数据结构内容以标识为该请求预留的资源信息，否则j＝j+1，然后返回至判断是否j<＝te循环执行。