CN107395401B - 基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法 - Google Patents

基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，包括如下步骤：(1)预处理，使用本发明提出的云数据中心网络通信域的划分方法，获取其所有等级的网络通信域集合；(2)尝试部署，对于每一个多组件应用部署请求，层次遍历云数据中心的网络通信域，选取满足要求的网络通信域作为该应用的候选部署区域；(3)正式部署，若尝试部署成功，则将待部署应用的各个组件放置到目标主机的虚拟机上，并自动更新云数据中心当前的状态；否则，将丢弃该应用的部署，继续读取下一个应用。本发明还结合资源均衡度的放置方法，最终，能较好地解决云部署后应用的通信性能和物理主机的资源均衡度。

Description

基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法
技术领域
本发明属于云计算应用部署领域，尤其是一种基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法。
背景技术
随着时代的发展，云计算作为一种新型技术应运而生，不断地改变着我们的生活。所谓云计算，指的是应用通过网络以服务的形式进行交付或数据中心的硬件与系统软件资源以服务的形式提供给用户的新兴模式。云计算自诞生至今，学术界与工程界对其研究的热度一直不减。
应用系统部署一直以来是云计算领域的一个研究热点。随着云计算技术的蓬勃发展，许多企业将自身业务应用的云化迁移与部署定为战略发展目标，来规避传统模式下的不足。将业务应用部署到云上，可以解决企业在业务平台建设的一些棘手问题：建设周期过长、资源利用率过低和孤立建设等。再者，由于企业自身业务的发展性，业务规模逐渐扩大，原本单组件应用已无法承载其复杂的业务需求。多组件应用由于其可扩展性与易管理性，已经成为企业业务系统建设的主流。
在云环境下，多组件应用部署问题的解决方案大致分为以下两种：第一种是忽略应用内部组件之间的联系，将多组件应用部署问题直接转换成多个单组件应用部署问题。在这种解决方案中，应用组件对其放置的物理主机所处位置没有任何限制。因此，只要物理主机满足组件自身的资源的需求就可以作为放置主机。第二种是将多组件应用看作是一个整体，考虑应用内部组件之间的联系，进而提出具体的部署方法。这种解决方案由于对组件联系的侧重点的不同，往往会有不同的解决思路。而这些组件联系都对应用组件的放置物理主机的位置做出了一定的限制。相对于第一种方案，该方案虽然增加了应用部署问题的求解难度，但是却提高了多组件应用在云上部署后的整体性能，因此受到业界普遍的认可。
但是现有的应用云部署方法并没有很好地解决一类组件之间通信频繁的多组件应用在云中部署所面临的两个问题：一是应用内部的通信性能。多组件应用是一个统一的整体，其内部组件之间的通信交流往往十分频繁，故这种组件之间的通信性能是应用部署时一个重要的目标。二是物理主机的资源均衡度。多组件应用内部组件的分工是比较明确的，不同类型组件对虚拟机资源的需求也是各有不同的，而资源的不均衡会导致物理主机性能下降，故其也是另一个不可忽视的部署目标。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，继而提高部署后应用内部的通信性能与云数据中心的物理主机的资源均衡度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，包括如下步骤：
步骤1、预处理，根据云数据中心的拓扑结构，使用基于云数据中心的网络通信域的划分方法，获取其所有等级的网络通信域集合；
步骤2、尝试部署，对于一个多组件应用部署请求，根据组件间通信量要求，层次遍历云数据中心的网络通信域，选取满足要求的等级最低的网络通信域作为该应用的候选部署区域；之后，在满足资源和网络需求的前提下，结合基于资源均衡度的组件放置方法，尝试为应用中的每个组件找到合适的部署目标主机；
步骤3、正式部署，如果尝试部署成功，则将待部署的应用的各个组件放置到目标主机的虚拟机上，并自动更新云数据中心当前的状态；否则，将该应用丢弃，继续读取下一个应用。
作为优选的技术方案，步骤1中，所述云数据中心的拓扑结构是基于交换机为中心的网络拓扑，在这类网络拓扑结构中，网络连接和路由转发的工作只能由交换机来完成，且具有明确的层次性。
作为优选的技术方案，步骤1中，所述网络通信域的定义如下：
假设用gk(l)表示第k个l级网络通信域中物理主机的集合，即有
pmi,pmj∈gk(l),leni,j≤2l
其中pmi,pmj表示gk(l)域中的任意两台物理主机，leni,j则表示pmi和pmj之间连接的网络链路数。
作为优选的技术方案，步骤1中，基于云数据中心的网络通信域的划分方法，具体包括下述步骤：
步骤1-1、初始化队列queue为云数据中心内全部物理主机的集合PM，即queue←PM，从k←1开始，依次构造该等级下的所有网络通信域gk(l)，在每次的构造过程中，先将queue的第一个元素加入到gk(l)，再根据leni,j≤2l的条件在queue中进行筛选，其中pmi在gk(l)中，而pmj则在queue中，将符合条件的元素(pmj)从queue移入到gk(l)中；在构造完gk(l)后，将其加入到对应的网络通信域集合G(l)中，之后，将k递增1，再继续构造gk(l)，直到queue中一个元素也没有为止；
步骤1-2：在构造完G(l)后，再将其加入到云数据中心所有网络通信域集合G中，当
Figure BDA0001340687120000044
时，即G(l)中的网络通信域数为1，且该唯一的网络通信域中的物理主机数等于全部物理主机数时，表示已经获取到全部等级的网络通信域，之后将G返回给上层方法；否则，将l递增1，继续步骤1的构造过程。
作为优选的技术方案，步骤2中，所述多组件应用是指由相互紧密联系的多个组件构成的较复杂应用系统，其应用系统的各组件除负责完成相关的业务逻辑处理外，组件之间还存在比较频繁的通信交互，即通信流量需求，且主要组件原则上由一台单独的虚拟机部署。
作为优选的技术方案，步骤2中，所述的层次遍历云数据中心的网络通信域是从等级最低的网络通信域集合开始，再依次到等级更高的网络通信域集合，而且，在某一等级网络通信域集合中，优先遍历平均资源使用率较低的网络通信域。
作为优选的技术方案，步骤2中，所述的选取满足要求的网络通信域是选取的网络通信域的物理资源剩余量必须超过待部署多组件应用的资源需求总量，即
Figure BDA0001340687120000041
其中
Figure BDA0001340687120000042
表示待部署多组件应用P的第k种资源的需求总量，而
Figure BDA0001340687120000043
则表示选定的第i个网络通信域gi(l)的第k种资源的总剩余量。
作为优选的技术方案，步骤2中，所述的资源和网络需求是包括：第一是资源需求，即目标物理主机的资源剩余量必须不小于待放置组件的资源需求量；第二是网络需求，即承载待放置组件的目标物理主机与承载已放置组件的物理主机之间的网络路径的带宽剩余量必须不小于对应组件之间的带宽需求量。
作为优选的技术方案，步骤2中，所述的结合基于资源均衡度的组件放置方法包括基于资源均衡度的启发式放置方法，即*-Min或*-Dec；当采用*-Min放置方法时，是对应多组件应用的每一个组件，在满足资源和网络需求的前提下，计算其放置到选定部署区域内的每一个物理主机之后的资源偏离度，最终将该组件放置到结果资源偏离度最小的物理主机上；当采用*-Dec的放置方法时，在满足资源和网络需求的前提下，计算其放置到选定部署区域内的每一个物理主机之后的资源偏离度，最终将该组件放置到结果资源偏离度减少值最大的物理主机上。
作为优选的技术方案，步骤3中，所述尝试部署成功是多组件应用中的所有组件都在选取的网络通信域中得到合适放置，且放置后物理主机的平均资源使用率不超过预设的阈值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提出的方法充分考虑了云数据中心的网络拓扑结构和网络通信域的等级，并利用基于资源均衡度的放置方法，提高部署后应用内部的通信性能和物理主机的资源均衡度，因此能较好地解决组件之间通信频繁的应用在部署时所面临的问题。
2、面对多组件且组件间通信交互量大的应用系统实现云环境中迁移部署，一般云部署方法仅考虑CPU、内存资源的满足程度，本发明提供的方法，采用基于云数据中心的网络通信域的概念，能较好提高部署后应用的通信性能，从而实现多组件应用云环境部署后的运行高效率。
3、一般云部署方法通常只考虑单一资源，本方法在现有技术的基础上，还在各个部署区域内采用基于资源均衡度的放置方法，能提高部署后云数据中心内物理主机的资源均衡度，从而有效地提高整体资源利用率。
附图说明
图1为本发明提出的部署方法的实施流程图；
图2为实施例中云数据中心拓扑结构图；
图3为实施例中待部署多组件应用实例图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图2所示，本实施例中云数据中心的网络拓扑结构采用Fat-Tree结构，本实施例中待部署的多组件应用P包含4个组件，即P＝{cp1,cp2,cp3,cp4}，且组件之间的通信交流比较频繁，如图3所示。
如图1所示，本实施例基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，包括下述步骤：
步骤1：预处理。
该步骤主要是获取该云数据中心所有等级的网络通信域。下面以获取G(1)为例，讲解具体的获取过程。首先用queue＝PM构建queue，接着构建g1(1)，并将pm1移入g1(1)，再遍历剩余的物理主机(pm2～pm16)。如果pm1到pm2～pm16的某一台主机的网路通信路径的长度小于或等于2(1*2),则将其移入g1(1)中。此时符合条件的只有pm2，故将其移入g1(1)。遍历完后，就将g1(1)加入G(1)。之后，由于queue仍有元素(pm3～pm16),则继续构建g2(1)～g8(1)。最后，queue为空，于是构建好的G(1)加入G中。在这之后，继续以同样的方法构建G(2)和G(3)，并将其加入G中。
根据上述描述，初始化的结果是G＝{G(1),G(2),G(3)}。其中：
第一级网络通信域集合G(1)＝{g1(1),g2(1),…,g7(1),g8(1)}，共有8个网络通信域，分别为g1(1)＝{pm1,pm2}，g2(1)＝{pm3,pm4}，……，g7(1)＝{pm13,pm14}，g8(1)＝{pm15,pm16}。
第二级网络通信域集合G(2)＝{g1(2),g2(2),g3(2),g4(2)}，共有4个网络通信域，分别为g1(2)＝{pm1,pm2,pm3,pm4}，g2(2)＝{pm5,pm6,pm7,pm8}，g3(2)＝{pm9,pm10,pm11,pm12}，g4(2)＝{pm13,pm14,pm15,pm16}。
第三级网络通信域集合G(3)＝{g1(3)}，只有1个网络通信域，即g1(3)＝{pm1,pm2,…,pm15,pm16}。
步骤2：尝试部署。
该步骤主要是要找到应用P的最佳部署区域。这时，从G(1)到G(2)，再到G(3)，遍历G中的网络通信域集合，寻找最佳的网络通信域作为应用P的部署区域。下面以G(1)中的尝试部署为例，讲解具体的过程。首先。对G(1)中的所有一级网络通信域(g1(1)～g8(1))按平均资源使用率降序进行排列。接着，依次遍历排序后的网络通信域序列。假设当前遍历到g6(1)，此时该网络通信域内共有两台物理主机pm11和pm12。这两台物理主机的资源剩余量能满足应用P的总需求，于是开始为应用P的每个组件寻找合适的放置位置。以cp3为例，候选的物理主机的平均资源使用率一定不可超过阈值，并且cp3的虚拟机资源请求量不可超过物理主机当前的资源量。之后，还要满足cp3放置以后与已放置的其他组件(cp1和cp2)之间的网络带宽需求。在应用P中，cp1和cp2之间没有任何通信联系，而cp1和cp3之间有通信联系。因此，这里主要考虑cp1和cp3之间通信的网络带宽需求db1,3。最后，根据基于资源均衡度的启发式放置方法(Sd-Min)，将cp3放置到部署后的资源均衡度最高的物理主机上。如果能找到这样的放置目标主机，则继续尝试放置下一个组件cp4；否则，将数据中心回退到未部署应用P之前的状态，并在g7(1)中继续尝试部署。
步骤3：正式部署。
如果应用P的所有组件在尝试部署中都得到正确的映射，则表示尝试部署成功，根据对应生成的映射结果来进行正式部署，并自动更新云数据中心的状态；否则，应用P则尝试部署失败，那么该应用将被丢弃，并继续读取下一个应用部署请求。
假设在上一步过程中，应用P在g6(1)中尝试部署成功，且各个组件的映射结果为
Figure BDA0001340687120000081
根据上述结果，将应用中的组件cp1和cp3放置到物理主机pm11上对应的虚拟机上。之后，再将应用中的组件cp2和cp4放置到物理主机pm12上对应的虚拟机上。在正式部署完成后，云数据中心会自动更新自身的状态。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、预处理，根据云数据中心的拓扑结构，使用基于云数据中心的网络通信域的划分方法，获取其所有等级的网络通信域集合；
所述网络通信域的定义如下：
假设用gk(l)表示第k个l级网络通信域中物理主机的集合，即有
pmi，pmj∈gk(l)，leni，j≤2l
其中pmi，pmj表示gk(l)域中的任意两台物理主机，leni，j则表示pmi和pmj之间连接的网络链路数。
基于云数据中心的网络通信域的划分方法，具体包括下述步骤：
步骤1-1、初始化队列queue为云数据中心内全部物理主机的集合PM，即queue←PM，从k←1开始，依次构造该等级下的所有网络通信域gk(l)，在每次的构造过程中，先将queue的第一个元素加入到gk(l)，再根据leni，j≤2l的条件在queue中进行筛选，其中pmi在gk(l)中，而pmj则在queue中，将符合条件的元素pmj从queue移入到gk(l)中；在构造完gk(l)后，将其加入到对应的网络通信域集合G(l)中，之后，将k递增1，再继续构造gk(l)，直到queue中一个元素也没有为止；
步骤1-2：在构造完G(l)后，再将其加入到云数据中心所有网络通信域集合G中，当
Figure FDA0002792966850000011
时，即G(l)中的网络通信域数为1，且该唯一的网络通信域中的物理主机数等于全部物理主机数时，表示已经获取到全部等级的网络通信域，之后将G返回给上层方法；否则，将l递增1，继续步骤1-1的构造过程；
步骤2、尝试部署，对于一个多组件应用部署请求，根据组件间通信量要求，层次遍历云数据中心的网络通信域，选取满足要求的等级最低的网络通信域作为该应用的候选部署区域；之后，在满足资源和网络需求的前提下，结合基于资源均衡度的组件放置方法，尝试为应用中的每个组件找到合适的部署目标主机；
所述的结合基于资源均衡度的组件放置方法包括基于资源均衡度的启发式放置方法，即*-Min或*-Dec；当采用*-Min放置方法时，是对应多组件应用的每一个组件，在满足资源和网络需求的前提下，计算其放置到选定部署区域内的每一个物理主机之后的资源偏离度，最终将该组件放置到结果资源偏离度最小的物理主机上；当采用*-Dec的放置方法时，在满足资源和网络需求的前提下，计算其放置到选定部署区域内的每一个物理主机之后的资源偏离度，最终将该组件放置到结果资源偏离度减少值最大的物理主机上；
所述的层次遍历云数据中心的网络通信域是从等级最低的网络通信域集合开始，再依次到等级更高的网络通信域集合，而且，在某一等级网络通信域集合中，优先遍历平均资源使用率较低的网络通信域；
所述的选取满足要求的网络通信域是选取的网络通信域的物理资源剩余量必须超过待部署多组件应用的资源需求总量，即
Figure FDA0002792966850000021
其中
Figure FDA0002792966850000022
表示待部署多组件应用P的第k种资源的需求总量，而
Figure FDA0002792966850000023
则表示选定的第i个网络通信域gi(l)的第k种资源的总剩余量；
步骤3、正式部署，如果尝试部署成功，则将待部署的应用的各个组件放置到目标主机的虚拟机上，并自动更新云数据中心当前的状态；否则，将该应用丢弃，继续读取下一个应用。
2.根据权利要求1所述基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，其特征在于，步骤1中，所述云数据中心的拓扑结构是基于交换机为中心的网络拓扑，在这类网络拓扑结构中，网络连接和路由转发的工作只能由交换机来完成，且具有明确的层次性。
3.根据权利要求1所述基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，其特征在于，步骤2中，所述多组件应用是指由相互紧密联系的多个组件构成的较复杂应用系统，其应用系统的各组件除负责完成相关的业务逻辑处理外，组件之间还存在比较频繁的通信交互，即通信流量需求，且主要组件原则上由一台单独的虚拟机部署。
4.根据权利要求1所述基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，其特征在于，步骤2中，所述的资源和网络需求是包括：第一是资源需求，即目标物理主机的资源剩余量必须不小于待放置组件的资源需求量；第二是网络需求，即承载待放置组件的目标物理主机与承载已放置组件的物理主机之间的网络路径的带宽剩余量必须不小于对应组件之间的带宽需求量。
5.根据权利要求1所述的基于网络通信域和资源均衡度的多组件应用云部署方法，其特征在于，步骤3中，所述尝试部署成功是多组件应用中的所有组件都在选取的网络通信域中得到合适放置，且放置后物理主机的平均资源使用率不超过预设的阈值。
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