CN103577265A - 一种云计算数据中心离线节能调度的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种实现数据中心离线节能调度的方法及装置，所述方法包括：本发明实施例针对的应用场景为离线调度，即调度系统知晓一段时间内前来的所有任务以及其生命周期，调度的时候可以从全局出发统筹规划数据中心虚拟机的分配方案以达到降低数据中心能耗的效果。调度系统首先对虚拟机任务请求按照其开始使用时间升序排列任务，并按此顺序分配。在分配虚拟机任务请求的时候以物理服务器的编号为优先级，依次把优先级高的物理服务器分配满了之后再考虑分配优先级次高的物理服务器。这样通过对物理机资源合理有效的利用，使物理服务器的总的开机时间降低，从而达到降低数据中心能耗的目的。

Description

一种云计算数据中心离线节能调度的方法与装置

1.技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种实现降低数据中心能耗的方法及装置。

2.背景技术

本发明涉及云计算数据中心节能的技术。云计算时代，如何对数据中心的资源进行高效和经济的管理是一个具有挑战性的问题。数据中心消耗了大量的能源，同时带来了环境污染。因此设计合理的节能调度算法对数据中心的资源进行管理，降低数据中心的能耗、减少运营成本、减少能源消耗对环境的污染具有十分重要的意义。虽然当前已经存在一些数据中心节能调度算法如轮叫调度算法，Modified Best Fit Decreasing(MBFD)算法，但它们没有具体考虑虚拟机任务的生命周期或与我们设计的算法的应用场景不一样，所以很难达到理想效果。

轮叫调度算法的技术方案：轮叫调度是最常用的调度算法，该算法把接收到的虚拟机任务请求依次分配到每个物理服务器以达到负载均衡的效果。该算法的优点是简单易行，不过当物理服务器资源大小或虚拟机任务请求的大小不一样的时候，该算法效果会差一些。

轮叫调度算法轮转的物理服务器是已经开启的物理服务器。将物理服务器依次编号，轮叫调度算法首先将第一个虚拟机任务请求分配给编号为1的物理服务器，当第二个虚拟机任务请求到来的时候将请求分配给第二个物理机，依次类推，每分配一个虚拟机任务请求后，都将下一次要分配的物理服务器的编号加1，直到物理服务器的编号指向最后一个物理服务器，这时再从新分配虚拟机任务请求给第一个物理服务器。如果分配给某个物理机失败，即资源不够则编号加1继续寻找物理服务器，如果所有物理服务器都分配失败，则新开启一台物理机分配，并将该物理机加入轮询队伍。最开始的时候只开启一台物理机。

Modified Best Fit Decreasing(MBFD)算法的技术方案：该算法是Anton Beloglazov等在Energy-Aware Resource Allocation Heuristics for Efficient Management of Data Centersfor Cloud Computing中提出的数据中心节能算法，该算法的主要思想是首先将虚拟机任务请求根据CPU容量大小进行降序排列，然后依次从队首将虚拟机任务请求取出，再遍历所有物理服务器，找到资源足够分配该虚拟机的那些物理服务器，依次计算这些物理服务器分配该虚拟机任务请求后增加的能耗，然后将虚拟机任务请求分配到增加能耗最小的物理服务器。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：1、上述的节能调度方法没有考虑虚拟机任务请求和物理机资源异构的情况。2、没有考虑虚拟机任务的生命周期。3、与本算法的应用场景不一样，本算法考虑的是对于离线任务的分配，主要适合虚拟机任务请求都是预订的应用场景。

因此本发明设计一个考虑虚拟机生命周期的离线不延时算法，在对数据中心资源进行管理的时候考虑了虚拟机任务请求的生命周期，算法针对的应用场景为所以虚拟机任务请求都是离线的情况，即调度系统知晓一段时间内前来的所有虚拟机任务以及其生命周期。同时算法调度的虚拟机资源和物理机资源也包括很多种类型。

3.发明内容

本发明的应用场景是用户提交使用虚拟机的请求给调度系统，调度系统接收到用户提交的虚拟机任务请求，根据任务请求的需求和当前云数据中心的物理服务器的资源使用情况找到合适的物理服务器，然后将相应请求的虚拟机部署在该物理服务器上供用户使用。节能算法主要是判定将哪个虚拟机请求分配到哪个物理服务器上，并结合适当的迁移，使数据中心开启的物理服务器的数量降低，让整个数据中心消耗的能耗尽量最少。

用户提交的请求包括的信息有请求的开始时间、请求的持续时间、请求的虚拟机的规格大小。

图1描述了云数据中心调度算法的应用场景。算法每个阶段和步骤的含义可以简单描述如下：

1)提交虚拟机请求：用户根据自己的需要，将需要使用的虚拟机任务请求通过云服务商提供的网页提交给调度系统；

2)找到最佳资源点：调度系统根据自己的调度算法结合物理服务器的使用情况和虚拟机任务请求的信息，在数据中心找到合适的资源，将请求分配给该资源；

3)执行调度任务：在找到最佳资源后，需要完成相应的虚拟机的部署，以及物理服务器相应的开关机等一系列功能；

4)更新资源信息：物理服务器分配资源后，当前数据中心的物理服务器的使用信息会发生变化，调度系统需要从监控系统(专门负责监控数据中心里资源的使用情况)中获取物理服务器最新信息并更新。

本发明涉及到的能耗模型：

根据上面的测试数据和结果同时结合其它已有研究成果，可以得出结论：物理服务器的功率是与CPU的利用率成正比关系的。获取CPU利用率为0时的功率值P_min和CPU利用率为100％时的能耗值P_max得出物理服务器功率和CPU利用率之间的关系如下：

P＝P_min+(P_max-P_min)                                               (1)

其中P为物理服务器的功率，P_min为物理服务器的利用率为0时的功率，P_max为物理服务器的利用率为100％时的功率，u为物理服务器的利用率。

物理服务器在一段时间内消耗的总能耗值为：

$E={\∫}_{t_0}^{t_1}P\left(u\left(t\right)\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中E为物理服务器在时间t₀到时间t₁这段时间的能耗消耗总和。P(u(t))为关于利用率u的函数，而u(t)为关于时间t的函数，为了方便计算物理服务器的能耗，本论文认为物理服务器在分配了某个虚拟机任务请求后，它的利用率一直是一个定值，不会发生变化，直到有新的虚拟机分配到该物理机或有虚拟机从该物理机上离开。所以公式(2)中的P(u(t))可以直接和公式(1)中的P直接等同。则公式(2)可以简化为：

E＝P×(t₁-t₀)(3)

在分配了虚拟机到物理服务器后，本发明假设虚拟机实际使用的CPU大小就是虚拟机提交请求时要求的大小，所以分配虚拟机后物理服务器增加的CPU利用率计算方式为：

$\mathrm{\Δu}=\frac{\mathrm{VM}.\mathrm{cpu}}{\mathrm{PM}.\mathrm{cpu}}---\left(4\right)$

其中VM.cpu为虚拟机的CPU大小，PM.cpu为物理服务器的CPU大小。将公式(4)代入公式(3)可得虚拟机的能耗：

$E_{\mathrm{vm}}=(P_{\max }-P_{\min })\×(t_1-t_0)\×\frac{\mathrm{VM}.\mathrm{cpu}}{\mathrm{PM}.\mathrm{cpu}}---\left(5\right)$

物理服务器的能耗可以由物理服务器开机本身的能耗即CPU利用率为0时的能耗加上运行在它上面的虚拟机的能耗得到。用E_poweron表示物理机服务器的开机能耗。用E_pm表示物理服务器的能耗。

E_poweron＝P_min×T_poweron    (6)

$E_{\mathrm{pm}}=E_{\mathrm{poweron}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{vmi}}---\left(7\right)$

其中T_poweron为物理服务器的开机时间，E_vmi为物理服务器上第i个虚拟机的能耗，n为物理服务器上虚拟机的个数。

整个数据中心的能耗为所有物理服务器的能耗之和。

$E_{\mathrm{DC}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{pmi}}---\left(8\right)$

其中E_DC为数据中心的能耗，E_pmi为第i个物理服务器的能耗，n为物理服务器的数量。

本发明的具体算法步骤如下，具体算法的流程图可参见图2。

步骤101：初始化，包括生成虚拟机请求信息和物理机信息及设置最长运行时间间隙。虚拟机请求信息是初始化的时候把所以请求都一次性全部生成，包括请求的编号、请求的开始时间、请求的结束时间、请求使用的资源的大小(CPU)。初始化物理机的时候把他们每个时隙的物理机可用资源初始化为物理机的最大资源，初始时所有物理机都是处于关机状态。一开始每类物理机都只初始化为一台，等资源不够时再添加。

步骤102：资源分类，由于虚拟机有8种规格，物理机有3种规格。所以把虚拟机的请求按照他们所应分配的物理机类型分别分成三个队列。物理机也根据他们不同的类型分成三个队列。这样在调度的时候不同虚拟机队列都依次与他们所对应的不同物理机队列一一对应。

步骤103：将虚拟机请求队列按虚拟机的开始时间依次升序排序。物理机的优先级则以物理机的编号确定。编号越小优先级越高

步骤104：将虚拟机请求从队首取出。

步骤105：然后将他分配到对应类型的物理机队列中的优先级最高的那个物理机，如果该物理机的资源足够即分配成功跳至步骤109，否则取出优先级次高的物理机进行分配，直至分配成功然后跳至步骤109。

步骤106：如果所有物理机都不能成功分配，判断是否还有可用物理机资源没有加入队列。

步骤107：此时如果还有物理机资源，则新开一台物理机，将虚拟机分配在该物理机上。同时将物理机加入相应类型队列的末尾。

步骤108：如果没有物理机资源了，则拒绝虚拟机任务请求，并返回至步骤104。

步骤109：虚拟机分配成功，如果该物理机是关机状态，则将物理服务器开启。更新物理机上相应时隙的剩余资源大小。同时将虚拟机请求从请求队列中删除，并加入删除队列。

步骤110：查看删除队列中的请求，如果有请求的结束时间已到，则将请求从物理机删除。

如果该物理服务器上没有其他虚拟机运行，则将物理服务器关机。然后将该请求从删除队列中删除。

步骤111：断虚拟机请求队列和删除队列是否为空，如果都为空，此时计算数据中心所有物理机的能耗，计算完成后结束程序。否则调至步骤104。

本发明考虑的离线节能调度是指调度系统知晓一段时间内前来的所有任务以及其生命周期，调度的时候可以从全局出发统筹规划虚拟机的分配方案。比如虚拟机任务请求都是以预订使用的方式使用虚拟机便对应这种场景。离线节能算法主要思想是在分配虚拟机任务请求的时候以物理服务器的编号为优先级，依次把优先级高的物理服务器分配满了之后再考虑分配优先级次高的物理服务器。在开启的物理服务器资源不够的情况下，就再考虑新开启一台物理机来分配。虚拟机任务请求的结束时间到了离开物理服务器的时候，如果此时是该物理服务器上面运行的唯一一个虚拟机，则需要将物理服务器关机。随时保证没有任务运行的物理服务器处于关机状态，当有新的虚拟机任务请求分配到关机状态的物理服务器上的时候再将该物理服务器开启。这样通过对物理机资源合理有效的利用，使物理服务器的总的开机时间降低，从而达到降低数据中心能耗的目的。

4.附图说明

图1为云数据中心业务流程；

图2为离线不延时节能调度算法流程图；

图3为离线不延时节能调度算法伪代码；

图4为离线不延时节能调度算法应用软硬件

通过以附图说明(对应正文都已经详细说明)，本发明的特征将变得更加容易理解。

5.具体实施方式

本发明的具体实施例以20个虚拟机任务请求为例具体描述了虚拟机任务请求的分配过程。

调度资源主要包括两类，虚拟机资源和物理服务器资源。物理服务器资源总共有三类(Type1、Type2、Type3)，虚拟机资源有8类(1、2、3、4、5、6、7、8)。其中虚拟机类型1、2、3只能分配在物理服务器Type1上，虚拟机类型4、5、6只能分配在物理服务器Type2上，虚拟机类型7、8只能分配在物理服务器Type3上。详见表1和表2。

表1虚拟机8种规格

VM Type	CPU(Compute Units)	Memory	Storage	PMType
					1	1(1core*1unit)	1.7GB	160GB	Type1
2	4(2cores*2units)	7.5GB	850GB	Type1
					3	8(4cores*2units)	15GB	1690GB	Type1
4	16.5(2cores*3.25units)	17.1GB	420GB	Type2
					5	13(4cores*3.25units)	34.2GB	850GB	Type2
6	26(8cores*3.25units)	68.4GB	1690GB	Type2
					7	5(2cores*2.5units)	1.7GB	350GB	Type3
8	20(8cores*2.5units)	7GB	1690GB	Type3

表2物理服务器3中规格

PM Type	CPU(Compute Units)	Memory	Storage
				Type1	16(16*1、4*4、2*8)	30GB	3380GB
Type2	52(8*6.5、4*13、2*26)	136.8GB	3380GB
				Type3	40(8*5、2*20)	14GB	3380GB

虚拟机任务请求：

格式：编号开始时间结束时间虚拟机类型

分配结果：

其中第一类物理机的编号从0开始，第二类的物理机编号从100开始，第三类物理机的编号从200开始。每类物理机的最大数量为50台。

分配结果格式：

当前时隙：分配虚拟机vm编号(虚拟机类型：虚拟机CPU大小，虚拟机开始时间<--->虚拟机结束时间)到物理机pm物理机编号(物理机类型：物理机CPU当前使用大小/物理CPU容量)，[虚拟机列表]

7：分配虚拟机vm0(4:6.5CU，7<-->157)到物理机pm100(2:6.5/52.0CU)，[0]

29：分配虚拟机vm9(7:5.0CU，29<-->144)到物理机pm200(3:5.0/40.0CU)，[9]

32：分配虚拟机vm8(8:20.0CU，32<-->153)到物理机pm200(3:25.0/40.0CU)，[9，8]

36：分配虚拟机vm7(1:1.0CU，36<-->201)到物理机pm0(1:1.0/16.0CU)，[7]

38：分配虚拟机vm6(1:1.0CU，38<-->100)到物理机pm0(1:2.0/16.0CU)，[7，6]

43：分配虚拟机vm4(7:5.0CU，43<-->142)到物理机pm200(3:30.0/40.0CU)，[9，8，4]

48：分配虚拟机vm3(6:26.0CU，48<-->193)到物理机pm100(2:32.5/52.0CU)，[0，3]

49：分配虚拟机vm2(6:26.0CU，49<-->191)到物理机pm101(2:26.0/52.0CU)，[2]

50：分配虚拟机vm10(5:13.0CU，50<-->93)到物理机pm100(2:45.5/52.0CU)，[0，3，10]

54：分配虚拟机vm1(3:8.0CU，54<-->74)到物理机pm0(1:10.0/16.0CU)，[7，6，1]

54：分配虚拟机vm5(6:26.0CU，54<-->236)到物理机pm101(2:52.0/52.0CU)，[2，5]

67：分配虚拟机vm12(4:6.5CU，67<-->255)到物理机pm100(2:52.0/52.0CU)，[0，3，10，12]

69：分配虚拟机vm17(5:13.0CU，69<-->161)到物理机pm102(2:13.0/52.0CU)，[17]

71：分配虚拟机vm11(4:6.5CU，71<-->133)到物理机pm102(2:19.5/52.0CU)，[17，11]

73：分配虚拟机vm15(5:13.0CU，73<-->265)到物理机pm102(2:32.5/52.0CU)，[17，11，15]

74：分配虚拟机vm14(6:26.0CU，74<-->127)到物理机pm103(2:26.0/52.0CU)，[14]

74：虚拟机vm1的结束时间74已到，从物理机0中删除

87：分配虚拟机vm13(5:13.0CU，87<-->248)到物理机pm102(2:45.5/52.0CU)，[17，11，15，13]

93：虚拟机vm10的结束时间93已到，从物理机100中删除

100：虚拟机vm6的结束时间100已到，从物理机0中删除

101：分配虚拟机vm19(8:20.0CU，101<-->290)到物理机pm201(3:20.0/40.0CU)，[19]

103：分配虚拟机vm16(1:1.0CU，103<-->152)到物理机pm0(1:2.0/16.0CU)，[7，16]

104：分配虚拟机vm18(7:5.0CU，104<-->109)到物理机pm200(3:35.0/40.0CU)，[9，8，4，18]

109：虚拟机vm18的结束时间109到，从物理机200中删除

127：虚拟机vm14的结束时间127到，从物理机103中删除

133：虚拟机vm11的结束时间133已到，从物理机102中删除

142：虚拟机vm4的结束时间142已到，从物理机200中删除

144：虚拟机vm9的结束时间144已到，从物理机200中删除

152：虚拟机vm16的结束时间152已到，从物理机0中删除

153：虚拟机vm8的结束时间153已到，从物理机200中删除

157：虚拟机vm0的结束时间157到，从物理机100中删除

161：虚拟机vm17的结束时间161已到，从物理机102中删除

191：虚拟机vm2的结束时间191已到，从物理机101中删除

193：虚拟机vm3的结束时间193已到，从物理机100中删除

201：虚拟机vm7的结束时间201已到，从物理机0中删除

236：虚拟机vm5的结束时间236已到，从物理机101中删除

248：虚拟机vm13的结束时间248已到，从物理机102中删除

255：虚拟机vm12的结束时间255已到，从物理机100中删除

265：虚拟机vm15的结束时间265已到，从物理机102中删除

290：虚拟机vm19的结束时间290已到，从物理机201中删除

程序运行总时间为172

当前数据中心的请求分配完成，程序结束运行。分配虚拟机增加的能耗为8.979062(kw.h)

当前数据中心的请求分配完成，程序结束运行。总的能耗为44.93573(kw.h)

物理机1实际使用数量＝1，物理机2实际使用数量＝4，物理机3实际使用数量＝2总数量为7

物理服务器开启的总时间＝1162

拒绝的数量＝0

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序指令和相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.为了统一需求规格和简化调度管理，本发明提出一致化的资源视图，本发明使用的资源包括8种规格的虚拟机和3种规格的物理机。物理服务器资源总共有三类(Type1、Type2、Type3)，虚拟机资源有8类(1、2、3、4、5、6、7、8)。其中虚拟机类型1、2、3只能分配在物理服务器Type1上，虚拟机类型4、5、6只能分配在物理服务器Type2上，虚拟机类型7、8只能分配在物理服务器Type3上。详见表1和表2。

表1虚拟机8种规格

 VM Type   CPU(Compute Units)   Memory   Storage   PM Type   1   1(1core*1unit)   1.7GB   160GB   Type1   2   4(2cores*2units)   7.5GB   850GB   Type1   3   8(4cores*2units)   15GB   1690GB   Type1   4   16.5(2cores*3.25units)   17.1GB   420GB   Type2   5   13(4cores*3.25units)   34.2GB   850GB   Type2   6   26(8cores*3.25units)   68.4GB   1690GB   Type2   7   5(2cores*2.5units)   1.7GB   350GB   Type3   8   20(8cores*2.5units)   7GB   1690GB   Type3

表2物理服务器3中规格

 PM Type   CPU(Compute Units)   Memory   Storage   Type1   16(16*1、4*4、2*8)   30GB   3380GB   Type2   52(8*6.5、4*13、2*26)   136.8GB   3380GB   Type3   40(8*5、2*20)   14GB   3380GB

2.资源初始化方法：包括生成虚拟机请求信息和物理机信息及设置最长运行时间间隙。虚拟机请求信息是初始化的时候把所有请求都一次性全部生成，包括请求的编号、请求的开始时间、请求的结束时间、请求使用的资源的大小(CPU)。初始化物理机的时候把他们每个时隙的物理机可用资源初始化为物理机的最大资源，初始时所有物理机都是处于关机状态。

3.资源能耗模型和计算方法：针对在线资源调度，本发明建议了物理机和虚拟机能耗模型，以及与利用率和运行时间相关的能耗计算公式，详见说明书。

4.资源分类排队方法：把虚拟机的请求按照他们所应分配的物理机类型分别分成多个队列。物理机也根据他们不同的类型分成多个队列。这样在调度的时候不同虚拟机队列都依次与他们所对应的不同物理机队列一对应。这种方法还可以拓展至更多种类的资源。

5.物理服务器开启方法:一开始每种类型的物理机队列中的物理机都只有一台，当分配不能成功的时候再考虑增加物理机，当使用的物理机达到数据中心提供的物理机数量上限时，则拒绝虚拟机任务请求。分配成功时如果该物理机是关机状态，则将物理服务器开启。更新物理机上相应时隙的剩余资源大小。同时将虚拟机请求从请求队列中删除，并加入删除队列。

6.物理机的优先级确定方式：对于同一类型的物理机，以编号确定其优先级。一旦物理机的编号确定，它的优先级就定了。

7.虚拟机分配方法：首先确定虚拟机任务请求的类型，调度系统首先对虚拟机任务请求按照其容量大小(综合考虑CPU，内存和存储容量大小)降序排列任务，并按此顺序分配。然后将他分配到对应类型的物理机队列中优先级最高的那个物理机，如果该物理机的资源足够即分配成功，否则取出下一个优先级次高的物理机进行分配，直至分配成功。由于每次分配的时候都是从优先级最高的那个物理机上分配，所以总能保证把一个物理机服务器分配满后再使用下一个物理机。

8.延时分配方法：如果物理机队列中的所有物理机都不能成功分配，则首先考虑将虚拟机的开始时间延后一个时隙，再尝试重新分配，如果此时能分配成功则分配，如果不能则再继续将虚拟机的开始时间延后一个时隙尝试分配，直到虚拟机的开始时间达到最大可延迟的时间为止。如果此时都还不能成功分配，则为延时分配失败。延时分配失败后，此时查看是否还有可用物理机资源，有则新开一台物理机，将虚拟机分配在该物理机上。同时将该物理机加入相应类型队列的末尾。如果没有物理机资源了，则拒绝虚拟机任务请求。

9.虚拟机迁移方法：每隔一段时间都要进行虚拟机迁移，具体迁移时间由数据中心的负载和具体业务特征决定，一般可设定为每天晚上用户使用虚拟机高峰期过后的时间段，迁移次数不宜太多以避免系统震荡导致的不稳定性。具体迁移算法如下，将虚拟机数量最少的物理服务器上面的虚拟机依次取出，并重新分配到其他物理服务器上，如果该物理服务器的虚拟机全部取出则继续取虚拟机数量次小的物理服务器上面的虚拟机进行迁移，直到不能迁移为止。

10.虚拟机删除：查看删除队列中的请求，如果有请求的结束时间已到，则将请求从物理机删除。如果该物理服务器上没有其他虚拟机运行，则将物理服务器关机。然后将该请求从删除队列中删除。

Images