移动云计算环境下网络感知的虚拟机放置算法研究

【摘要】云计算是按需提供计算服务和资源的分布式计算模型，它允许用户通过因特网远程租用服务器、软件、网络等IT资源。这些资源通常整合起来称为云，由云服务提供商拥有和管理，终端用户可通过网络随时随地访问。在过去几年中，已经见证了把计算任务从主机转移到云中的快速发展过程。随着无线网络技术和移动智能手机的快速发展，在移动设备上运行更加繁重的应用的需求在不断增加，有更多的需求想通过移动无线网络为移动用户提供云服务，这个新的研究领域即为移动云计算。本文的目的就是研究这一新兴的移动云计算领域中的一个关键问题：虚拟机放置。对于云计算和移动云计算，虚拟机是其关键组成部分，虚拟化技术使得云计算具有较强的扩展性，已经成为云环境中基本的资源管理技术。当一个新的云应用或服务在一个移动设备上开启时，需要创建一个新的虚拟机来运行该应用。选择哪个作为云服务器的移动设备来放置这个新的虚拟机是我们需要解决的关键问题。在虚拟机放置算法的研究方面，已经有很多研究成果，主要都是针对固网环境。大多数的方法是设计一个各种资源类型的资源使用情况的函数，然后基于该数学模型来决定如何放置虚拟机。本文设计的移动云计算系统部署在无线网络环境下，特别地，该网络是一种mesh网络，包含无线基站或者访问点，既支持点到多点通信，也支持adhoc点到点通信。该移动云计算环境中包括存储资源和计算资源，即存储云和计算云共同存在，它们在物理上是分开的，通过无线网络连接起来。存储云是部署在无线访问点附近，通过有线网络连接到访问点。而计算云则部署在终端用户的移动设备上。许多移动云应用是数据敏感型的，需要处理大量的数据。移动云应用通过使用大量的虚拟机来处理这些数据，其总完成时间是一项重要的性能指标。由于将要运行虚拟机的移动设备与存储数据附近的访问点之间的无线网络的不稳定性、距离大小、信道质量、数据传输速率等，当选择放置虚拟机的云服务器时考虑链路的网络特性是必要的。其中需要考虑的最重要的因素是链路带宽，因为它是影响从计算节点到数据节点的延迟的主要因素。考虑到移动云计算所部署在的无线mesh网络环境的网络特征，本文首先提出了一种有效的网络感知虚拟机放置算法。该算法是把为一个云服务新创建的虚拟机放在一个云服务器上，这个服务器本身是一个移动设备，并且访问存储在有线网络中的应用数据时具有最小的网络延迟。算法的目标是在易受影响、可靠性差的无线网络环境中，尽可能的减少服务响应时间，以实现为云终端用户交付更好的体验。然后，考虑到移动设备的资源受限，为了能够更加均衡的利用CPU、内存等资源，尽量减少由于资源利用不均衡而导致的资源浪费，本文在这个放置算法基础上，进一步提出了一种多目标优化的虚拟机放置算法。该算法通过TheTechniqueforOrderPreferencesbySimilaritytoanIdealSolution（TOPSIS）方法，对最小化网络延迟和均衡资源使用这两个优化目标进行权衡，有效的解决两个目标之间的冲突。总体来说，本文的主要贡献在于以下几个方面：第一，基于无线mesh网络设计一种移动云计算系统架构，在无线网络环境中部署存储云和计算云，既有基于基础架构的无线网络，也有adhoc网络架构，分别合理的符合云数据存储和云计算资源的本身特点。第二，提出的网络感知虚拟机放置算法能有效地工作在移动云计算网络环境下，在云服务响应时间方面具有较好的表现，特别适用于数据敏感型应用。提出的基于TOPSIS的网络感知虚拟机放置算法综合考虑网络因素和均衡资源使用的目标，能获得较小的服务响应时间和较均衡的资源利用，是一种有效的解决多目标优化的折衷方案，更具有适应性。第三，提出双阈值网络感知的虚拟机迁移策略，用于解决当网络状态改变或移动设备电量不足时，虚拟机动态重新分配的问题。并引入自回归时间序列预测模型等方法，避免频繁的虚拟机迁移，减少由于不必要的虚拟机迁移带来的开销。模拟实验结果显示了本文提出的虚拟机放置算法和迁移策略在云服务响应时间等方面的有效性和高效性。
【作者】常德成；
【导师】徐高潮；
【作者基本信息】吉林大学，计算机系统结构，2014，硕士
【关键词】移动云计算；虚拟机放置；网络感知；无线网络；虚拟机迁移；服务响应时间；

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