CN107729070B - 基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法 - Google Patents

基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法，系统包括控制服务器和计算服务器，其中计算服务器分为主模块服务器和备用模块服务器。控制服务器上运行超时定时器和虚拟机调度器，计算服务器上运行负载监控系统。控制服务器中的虚拟机调度器采用双阈值θ1和θ2共同控制主模块服务器中虚拟机的运行状态，并引入一个激活阈值θ3控制备用模块服务器中虚拟机的运行状态。计算服务器的负载监控系统实时搜集各虚拟机的负载情况并将其发送至虚拟机调度器，以及接收并执行虚拟机调度器发来的调度指令。采用本发明提出的虚拟机调度系统及方法，设置合理的激活阈值、工作休眠服务率及工作休眠参数，可以在保障响应性能的前提下实现能量消耗的有效节约。

Description

基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法
技术领域
本发明涉及云计算领域，特别涉及一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法。
背景技术
快速增长的能源成本和日益严格的环境标准，使得能耗成为运营和维护云数据中心的最大成本所在，严重制约着云数据中心的发展。因此，绿色节能技术成为近年来学术界和产业界关注的热点话题，建立绿色云数据中心是云计算发展的必然趋势。云数据中心的能耗集中在服务器，服务器中最耗能的部件之一是CPU，服务器的耗能与CPU的利用率近似呈线性关系。不合理的服务器调度方法可能会造成所有的用户请求(包括对响应性能要求不高的用户请求)都在高配置服务器中执行，由此浪费的能耗称为奢侈能耗。合理调整服务器的运行速度，提高CPU的利用率是实现绿色节能最直接的方法。Keqin Li在《IEEETransactions on Cloud Computing》2016年第4卷第2期的第122-137页上发表的“Improving multicore server performance and reducing energy consumption byworkload dependent dynamic power management”，研究了动态电压管理技术(DPM，Dynamic Power Management)，根据系统的负载情况合理地调整服务器中CPU的运行速度。该文献的研究表明，给定单位时间的能耗水平，通常存在一个能使系统平均响应时间最小的速度配置方案。Yanzhi Wang等人在《IEEE Design Automation Conference.c》2011年第41-46页上发表的“Deriving a near-optimal power management policy using model-free reinforcement learning and Bayesian classification”，提出了一个基于贝叶斯分类器的在线负载预测器和一种基于强化学习的自适应DPM技术。根据对未来短时间内系统负载的预测结果，使用DPM技术调整服务器运行速度，实现能耗的有效节约。以上文献专注于降低系统奢侈能耗的相关技术的研究。云数据中心服务器的利用率普遍较低，尤其在夜间和凌晨，利用率仅仅是5％～25％。所以，另一种绿色节能的方法是减少空闲能耗。DanLiao等人在《International Conference on Computing,Networking andCommunications》2015年第287-291页上发表的“Energy and performance management inlarge data centers:A queuing theory perspective”，提出了一种节能方法，将系统服务器分为三组，其中一组服务器始终保持开启状态，另外两组备用服务器则根据系统当前的负载情况动态开启/关闭。Dian等人在《Future Gen-eration Computer System》2015年第48期第82-95页上发表的“Stochastic modeling of dynamic right-sizing forenergy-efficiency in cloud data centers”，提出了一种通过虚拟化技术设计数据中心规模的节能方案，允许将若干个用户请求合并成一个用户请求以占用较少的服务器，关闭处于空闲状态的服务器，达到节能的目的。马晓彤等人在《通信学报》2017年第37卷第7期第172-181页上发表的“在认识无线电网络中的基站节能策略及纳什均衡研究”，认知无线电网络中的基站端引入半休眠模式，提出一种节能方法。在休眠参数的制约下，基站根据数据包的到达情况，在唤醒阶段、休眠阶段、低速传输阶段和监听阶段之间转换。以上文献专注于降低系统空闲能耗的相关方案的研究。
发明内容
在保证云数据中心服务质量的前提下，以最大限度降低奢侈能耗和空闲能耗为目的，将DPM技术与同步多重工作休眠模式相结合，本发明提出一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法。基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法将云数据中心的服务器分为控制服务器和计算服务器，控制服务器上运行超时定时器和虚拟机调度器，计算服务器分为主模块服务器和备用模块服务器；主模块服务器中的虚拟机时刻保持开启状态，当系统负载较大时主模块服务器中的虚拟机高速运行；当系统负载较小时令主模块服务器中所有的虚拟机低速运行以降低系统的奢侈能耗；备用模块服务器中的虚拟机处于两种状态之一：或者处于工作休眠状态，或者处于高速运行状态；当系统负载较小时令备用模块服务器中的虚拟机进入随机长度的工作休眠以降低系统的空闲能耗；当系统负载较大时不仅主模块服务器中的虚拟机以高速运行，备用模块服务器中的虚拟机在本次工作休眠结束后也恢复至高速运行状态。
为最大限度地降低云数据中心的奢侈能耗和空闲能耗，本发明应用DPM技术，并引入同步多重工作休眠模式，提出一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统及方法。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统，该系统具体包括如下功能模块：
控制服务器：云计算中心服务器中有一台控制服务器，其余为计算服务器，控制服务器上运行虚拟机调度器和超时定时器，虚拟机调度器负责和计算服务器及超时定时器进行实时通信，超时定时器用于设置备用模块服务器中虚拟机的随机休眠时间并与虚拟机调度器通信；
虚拟机调度器：虚拟机调度器接收来自计算服务器的监控数据，并负责向计算机服务器和超时定时器发送指令，控制主模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或低速运行状态，控制备用模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或工作休眠状态；
超时定时器：超时定时器负责控制备用模块服务器中虚拟机的工作休眠时间，当系统负载较小时，备用模块服务器中虚拟机开始进行工作休眠，具体工作休眠时间由超时定时器随机生成的时间决定；
计算服务器：计算服务器分为两个模块服务器：主模块服务器和备用模块服务器，在每台计算服务器上运行负载监控系统，用于实时搜集各虚拟机的负载并将其发送到虚拟机调度器，以及接收并执行虚拟机调度器发来的指令；
主模块服务器：主模块服务器中的虚拟机时刻保持开启状态，其运行速度取决于当前的系统负载情况，当系统负载较小时处于低速运行状态，当系统负载较大时处于高速运行状态；
备用模块服务器：备用模块服务器中的虚拟机可能处于工作休眠状态或高速运行状态，由工作休眠超时定时器和当前的系统负载情况共同决定，当系统负载较小时处于工作休眠状态，当系统负载较大时处于高速运行状态。
一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度方法，该方法包括如下内容：
基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统的计算服务器共有三种状态：
状态I：主模块服务器中虚拟机低速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态II：主模块服务器中虚拟机高速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态III：主模块服务器中虚拟机和备用模块服务器中虚拟机均高速运行；
在所述方法中三种状态相互转移过程如下：
系统处于状态I时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量大于等于阈值θ1时，系统从状态I转移到状态II，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
计算服务器处于状态II时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量低于阈值θ2时，系统从状态II转移到状态I，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；当本次工作休眠结束后，如果系统缓存中排队的请求数大于阈值θ3，系统从状态II转移到状态III；
计算服务器处于状态III时，当主模块服务器中空闲虚拟机的数量大于等于备用模块服务器中忙碌虚拟机的数量时，备用模块服务器中未结束服务的用户请求立即迁移到主模块服务器中空闲的虚拟机中，系统从状态III转移到状态II；
当系统负载较小时，令主模块服务器中所有的虚拟机低速运行以降低系统的奢侈能耗，令备用模块服务器中的虚拟机同时进入随机长度的工作休眠以降低系统的空闲能耗；
当系统负载较重时，为了保证系统的响应性能，不仅主模块服务器中的虚拟机以高速运行，备用模块服务器中的虚拟机在本次工作休眠结束后也恢复至高速运行状态。
采用本发明提出的虚拟机调度方法，设置合理的激活阈值、工作休眠服务率及工作休眠参数，可以在保障响应性能的前提下实现能量消耗的有效节约。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
1、当系统负载较小时，主模块服务器中的虚拟机低速运行，备用模块服务器中的虚拟机进入工作休眠，采用本发明的调度系统及方法，通过设置合理的激活阈值、工作休眠服务率及工作休眠参数，可以在保障响应性能的前提下，最大限度地减低系统的奢侈能耗和空闲能耗，实现能量的有效节约；
2、当系统负载较大时，主模块服务器中的虚拟机高速运行，备用模块服务器中的虚拟机在本次工作休眠结束后也恢复至高速运行状态，采用本发明的调度系统及方法可以最大限度地降低用户请求的时延，实现系统响应性能的有效保证；
3、本发明的调度系统及方法采用双阈值共同控制主模块服务器中虚拟机的运行状态，采用激活阈值和超时定时器共同控制备用模块服务器中虚拟机的运行状态，最大限度地避免了系统中虚拟机运行状态的频繁切换。
附图说明
图1为本发明基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统的组成功能模块结构示意图；
图2为本发明基于双速率和工作休眠的虚拟机调度方法的状态转移流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示为本发明基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统的组成功能模块结构示意图，该系统具体包括如下功能模块：
控制服务器S1：云计算中心服务器中有一台控制服务器，其余为计算服务器，控制服务器上运行虚拟机调度器和超时定时器，虚拟机调度器负责和计算服务器及超时定时器进行实时通信，超时定时器用于设置备用模块服务器中虚拟机的随机休眠时间并与虚拟机调度器通信；
虚拟机调度器S11：虚拟机调度器接收来自计算服务器的监控数据，并负责向计算机服务器和超时定时器发送指令，控制主模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或低速运行状态，控制备用模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或工作休眠状态；
超时定时器S12：超时定时器负责控制备用模块服务器中虚拟机的工作休眠时间，当系统负载较小时，备用模块服务器中虚拟机开始进行工作休眠，具体工作休眠时间由超时定时器随机生成的时间决定；
计算服务器S2：计算服务器分为两个模块服务器：主模块服务器和备用模块服务器，在每台计算服务器上运行负载监控系统，用于实时搜集各虚拟机的负载并将其发送到虚拟机调度器，以及接收并执行虚拟机调度器发来的指令；
主模块服务器S21：主模块服务器中的虚拟机时刻保持开启状态，其运行速度取决于当前的系统负载情况，当系统负载较小时处于低速运行状态，当系统负载较大时处于高速运行状态；
备用模块服务器S22：备用模块服务器中的虚拟机可能处于工作休眠状态或高速运行状态，由工作休眠超时定时器和当前的系统负载情况共同决定，当系统负载较小时处于工作休眠状态，当系统负载较大时处于高速运行状态。
如图2所示为本发明基于双速率和工作休眠的虚拟机调度方法的状态转移图。设参数主模块服务器中虚拟机个数n＝30、备用模块服务器中虚拟机个数m＝20、θ1＝20、θ2＝10和θ3＝10，则调度系统及方法描述如下：
(1)：在本发明的基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统中，云计算中心的服务器分为1台控制服务器和10台计算服务器，计算服务器分为两个模块服务器：主模块6台服务器和备用模块4台服务器，每个计算服务器上安装5个虚拟机，即设主模块服务器中的虚拟机数为30个，备用模块服务器中的虚拟机数为20个；
(2)：控制服务器上运行超时定时器和虚拟机调度器，超时定时器用于设置备用模块服务器中虚拟机的随机休眠时间并与虚拟机调度器通信，虚拟机调度器负责和计算服务器及超时定时器进行实时通信；
(3)：在每台计算服务器上运行负载监控系统，用于实时搜集各虚拟机的负载并将其发送到虚拟机调度器，以及接收并执行虚拟机调度器发来的指令；
(4)：在本发明的基于双速率和工作休眠的虚拟机调度方法中，主模块服务器中虚拟机低速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠的状态称为状态I，主模块服务器中虚拟机高速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠的状态称为状态II，主模块服务器中虚拟机和备用模块服务器中虚拟机均高速运行的状态称为状态III；
(5)：设状态I为初始状态，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量大于等于阈值θ1＝20时，主模块服务器中虚拟机的运行速度从低速切换至高速，即由状态I转到状态II，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
(6)：计算服务器处于状态II时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量低于阈值θ2＝10时，主模块服务器中虚拟机的运行速度从高速切换至低速，即由状态II转到状态I，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
(7)：计算服务器处于状态II时，当用户请求到达系统时，如果主模块服务器或备用模块服务器中存在空闲的虚拟机，用户请求将立即占用空闲的虚拟机接受高速或超低速服务，否则需要在系统缓存中排队等待，若系统缓存中排队的请求数大于阈值θ3＝10，备用模块服务器中的虚拟机立即切换至高速运行状态，即由状态II转到状态III，否则根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
(8)：计算服务器处于状态III时，当主模块服务器中空闲虚拟机的数量大于等于备用模块服务器中忙碌虚拟机的数量时，备用模块服务器中未结束服务的用户请求立即迁移到主模块服务器中空闲的虚拟机中，备用模块服务器中的虚拟机进入工作休眠状态，即由状态III转到状态II。

Claims (2)

1.一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统，其特征在于：该系统具体包括如下功能模块：
控制服务器：云计算中心服务器中有一台控制服务器，其余为计算服务器，控制服务器上运行虚拟机调度器和超时定时器，虚拟机调度器负责和计算服务器及超时定时器进行实时通信，超时定时器用于设置备用模块服务器中虚拟机的随机休眠时间并与虚拟机调度器通信；
虚拟机调度器：虚拟机调度器接收来自计算服务器的监控数据，并负责向计算机服务器和超时定时器发送指令，控制主模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或低速运行状态，控制备用模块服务器中的虚拟机处于高速运行状态或工作休眠状态；
超时定时器：超时定时器负责控制备用模块服务器中虚拟机的工作休眠时间，当系统负载较小时，备用模块服务器中虚拟机开始进行工作休眠，具体工作休眠时间由超时定时器随机生成的时间决定；
计算服务器：计算服务器分为两个模块服务器：主模块服务器和备用模块服务器，在每台计算服务器上运行负载监控系统，用于实时搜集各虚拟机的负载并将其发送到虚拟机调度器，以及接收并执行虚拟机调度器发来的指令；
主模块服务器：主模块服务器中的虚拟机时刻保持开启状态，其运行速度取决于当前的系统负载情况，当系统负载较小时处于低速运行状态，当系统负载较大时处于高速运行状态；
备用模块服务器：备用模块服务器中的虚拟机可能处于工作休眠状态或高速运行状态，由工作休眠超时定时器和当前的系统负载情况共同决定，当系统负载较小时处于工作休眠状态，当系统负载较大时处于高速运行状态；
基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统的计算服务器共有三种状态：
状态I：主模块服务器中虚拟机低速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态II：主模块服务器中虚拟机高速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态III：主模块服务器中虚拟机和备用模块服务器中虚拟机均高速运行；
三种状态相互转移过程如下：
系统处于状态I时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量大于等于阈值θ1时，系统从状态I转移到状态II，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
计算服务器处于状态II时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量低于阈值θ2时，系统从状态II转移到状态I，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；当本次工作休眠结束后，如果系统缓存中排队的请求数大于阈值θ3，系统从状态II转移到状态III；
计算服务器处于状态III时，当主模块服务器中空闲虚拟机的数量大于等于备用模块服务器中忙碌虚拟机的数量时，备用模块服务器中未结束服务的用户请求立即迁移到主模块服务器中空闲的虚拟机中，系统从状态III转移到状态II；
当系统负载较小时，令主模块服务器中所有的虚拟机低速运行以降低系统的奢侈能耗，令备用模块服务器中的虚拟机同时进入随机长度的工作休眠以降低系统的空闲能耗；
当系统负载较重时，为了保证系统的响应性能，不仅主模块服务器中的虚拟机以高速运行，备用模块服务器中的虚拟机在本次工作休眠结束后也恢复至高速运行状态。
2.一种基于双速率和工作休眠的虚拟机调度方法，其特征在于：该方法包括如下内容：
基于双速率和工作休眠的虚拟机调度系统的计算服务器共有三种状态：
状态I：主模块服务器中虚拟机低速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态II：主模块服务器中虚拟机高速运行且备用模块服务器中虚拟机工作休眠；
状态III：主模块服务器中虚拟机和备用模块服务器中虚拟机均高速运行；
在所述方法中三种状态相互转移过程如下：
系统处于状态I时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量大于等于阈值θ1时，系统从状态I转移到状态II，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；
计算服务器处于状态II时，当主模块服务器中忙碌虚拟机的数量低于阈值θ2时，系统从状态II转移到状态I，备用模块服务器中虚拟机工作休眠结束后根据超时定时器随机生成的时间继续工作休眠；当本次工作休眠结束后，如果系统缓存中排队的请求数大于阈值θ3，系统从状态II转移到状态III；
计算服务器处于状态III时，当主模块服务器中空闲虚拟机的数量大于等于备用模块服务器中忙碌虚拟机的数量时，备用模块服务器中未结束服务的用户请求立即迁移到主模块服务器中空闲的虚拟机中，系统从状态III转移到状态II；
当系统负载较小时，令主模块服务器中所有的虚拟机低速运行以降低系统的奢侈能耗，令备用模块服务器中的虚拟机同时进入随机长度的工作休眠以降低系统的空闲能耗；
当系统负载较重时，为了保证系统的响应性能，不仅主模块服务器中的虚拟机以高速运行，备用模块服务器中的虚拟机在本次工作休眠结束后也恢复至高速运行状态。
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