云計(jì)算平臺(tái)仿真機(jī)制研究

摘 要：本文分析了CloudSim的工作原理和仿真機(jī)制，重點(diǎn)介紹了CloudSim的層次模型，包括用戶代碼層、云資源層、云服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、虛擬機(jī)服務(wù)層及用戶接口層，從而有助于掌握CloudSim下云計(jì)算仿真的擴(kuò)展問題。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；CloudSim；仿真

中圖分類號(hào)：TP3

作為下一代計(jì)算模式，云計(jì)算被視為網(wǎng)格的商業(yè)化實(shí)現(xiàn)[1]。構(gòu)建真實(shí)云環(huán)境是個(gè)系統(tǒng)工程，利用仿真進(jìn)行云計(jì)算技術(shù)的研究是可行的方法。目前，比較典型的仿真平臺(tái)有CloudSim[2]和SimCloud[3]。CloudSim的目標(biāo)是對(duì)不同應(yīng)用和服務(wù)模型的調(diào)度和分配策略的性能進(jìn)行量化，達(dá)到控制使用云資源的目的。SimCloud將眾多工程數(shù)值仿真應(yīng)用軟件、服務(wù)器等資源進(jìn)行整合，并植入靈活多樣的動(dòng)態(tài)資源配置策略。鑒于CloudSim的開源性，本文旨在剖析CloudSim的層次體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

1 CloudSim層次體系

圖1顯示了CloudSim平臺(tái)的多層次模型以及各層次的結(jié)構(gòu)組件。

圖1 CloudSim的層次體系

1.1 用戶代碼層

該層提供了基本實(shí)體（主機(jī)、虛擬機(jī)、應(yīng)用類型及調(diào)度策略）。通過擴(kuò)展該層實(shí)體，可以執(zhí)行：（1）生成負(fù)載分配和應(yīng)用配置請(qǐng)求；（2）對(duì)云可用場(chǎng)景建模，根據(jù)自定義配置執(zhí)行魯棒性測(cè)試；（3）為云實(shí)現(xiàn)自定義應(yīng)用調(diào)度技術(shù)。

1.2 云資源層

該層對(duì)云底層物理資源建模。云環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施主要通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)中心管理主機(jī)，主機(jī)即實(shí)際物理機(jī)，分配了處理能力、存儲(chǔ)和處理核的調(diào)度策略。主機(jī)根據(jù)云服務(wù)提供商的虛擬機(jī)分配策略調(diào)度到虛擬機(jī)上。同時(shí)，主機(jī)組件已實(shí)現(xiàn)了單核和多核的接口支持。實(shí)體即實(shí)例化組件，一個(gè)CloudSim組件可以是一個(gè)類或CloudSim模型的類集。

1.3 云服務(wù)層

云計(jì)算用虛擬層對(duì)應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行執(zhí)行、管理和部署主機(jī)環(huán)境。每個(gè)VM可用的硬件資源被主機(jī)總處理能力和主機(jī)可用帶寬限制。VM調(diào)度必須考慮：避免創(chuàng)建的VM對(duì)處理能力的需求超過主機(jī)能力。CloudSim支持兩種VM調(diào)度：主機(jī)層和VM層。在主機(jī)層，指定每個(gè)處理器可以分配給VM的處理能力；在VM層，VM為其運(yùn)行的獨(dú)立應(yīng)用服務(wù)分配一個(gè)固定的可用處理能力。在這種情況下，可以將任務(wù)單元作為租住在VM上的應(yīng)用服務(wù)的一個(gè)抽象體。

兩個(gè)層次的VM調(diào)度均實(shí)現(xiàn)了時(shí)間共享和空間共享調(diào)度策略。如圖2所示，擁有2個(gè)CPU內(nèi)核的主機(jī)需要運(yùn)行2個(gè)VM，每個(gè)VM請(qǐng)求兩個(gè)CPU內(nèi)核并計(jì)劃完成4個(gè)任務(wù)單元。任務(wù)T1，T2，T3，T4租用VM1，任務(wù)T5，T6，T7，T8租用VM2。

圖2 主機(jī)層和虛擬機(jī)層上不同調(diào)度策略對(duì)執(zhí)行任務(wù)單元的影響

圖2（a）表示VM主機(jī)層和任務(wù)單元均采用空間共享策略的調(diào)度場(chǎng)景。由于每個(gè)VM請(qǐng)求兩個(gè)CPU內(nèi)核，在空間共享中，給定時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)VM運(yùn)行，VM2只有在VM1執(zhí)行完所有任務(wù)后才能分配CPU。同樣，對(duì)VM1而言，由于一個(gè)任務(wù)單元只需要一個(gè)CPU內(nèi)核，因此同時(shí)可以運(yùn)行兩個(gè)任務(wù)單元T1和T2，任務(wù)單元T3和T4等候。該策略下，VM完成任務(wù)集T的完成時(shí)間是：FinishTime（T）=StartTime（T）+MI（T）/Capacity×Cores（T）

其中，StartTime（T）是任務(wù)集的開始時(shí)間，MI（T）是任務(wù)集的總指令數(shù)。N個(gè)內(nèi)核的主機(jī)總?cè)萘繛椋篊apacity=ΣNi=1Cap（i）/N

其中Cap（i）是單個(gè)CPU內(nèi)核的處理能力。

圖2（b）表示VM采用空間共享策略，而任務(wù)單元采用時(shí)間共享策略的調(diào)度場(chǎng)景。因此，所有任務(wù)單元以動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式同時(shí)調(diào)度。VM完成任務(wù)集T的完成時(shí)間是：FinishTime（T）=NowTime（T）+MI（T）/Capacity×Cores（T）

其中，NowTime（T）是當(dāng)前仿真時(shí)間，Cores（T）是云任務(wù)集需要的CPU數(shù)目。在時(shí)間共享模式下，多個(gè)任務(wù)單元在同一個(gè)VM下可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。這種模式下，云主機(jī)的總處理器能力為：

圖2（c）表示VM采用時(shí)間共享策略，而任務(wù)單元采用空間共享策略的調(diào)度場(chǎng)景。該策略下，每個(gè)VM接收內(nèi)核分配的時(shí)間片，時(shí)間片以空間共享方式分配給任務(wù)單元。由于內(nèi)核是共享的，每個(gè)VM的可用能力也是變化的，這取決于主機(jī)實(shí)際運(yùn)行的VM量。由于任務(wù)單元是基于空間共享策略，意味著任意時(shí)間段內(nèi)，內(nèi)核只會(huì)執(zhí)行一個(gè)任務(wù)單元。

圖2（d）表示VM和任務(wù)單元均采用時(shí)間共享策略的調(diào)度場(chǎng)景。此時(shí)VM同時(shí)共享處理能力，并且同時(shí)將共享的內(nèi)核分配給其所有的任務(wù)單元。

1.4 網(wǎng)絡(luò)層

該層主要對(duì)連接仿真實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行建模。CloudSim通過延時(shí)矩陣存儲(chǔ)的信息來(lái)仿真消息在兩個(gè)CloudSim實(shí)體間傳輸產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。在任意時(shí)刻，CloudSim為所有活動(dòng)CloudSim實(shí)體維護(hù)一個(gè)m×n的矩陣，元素Ei，j表示實(shí)體i通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息至實(shí)體j所產(chǎn)生的延時(shí)。CloudSim是一個(gè)基于事件的仿真器，它的事件管理引擎使用了實(shí)體交互網(wǎng)絡(luò)延時(shí)信息來(lái)表示實(shí)體傳送消息時(shí)產(chǎn)生的延時(shí)。

1.5 虛擬機(jī)服務(wù)層

該層提供了對(duì)任務(wù)單元的操作以及對(duì)虛擬機(jī)生命周期的管理，如將主機(jī)分配給虛擬機(jī)、虛擬機(jī)的創(chuàng)建、虛擬機(jī)的銷毀以及虛擬機(jī)的遷移等操作。

1.6 用戶接口結(jié)構(gòu)層

該層實(shí)現(xiàn)了任務(wù)單元和虛擬機(jī)實(shí)體的接口創(chuàng)建。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了云平臺(tái)CloudSim的仿真機(jī)制，重點(diǎn)分析了CloudSim的層次體系結(jié)構(gòu)，為有效的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展打好了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鵬.云計(jì)算.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]Calheiros， R.N.，R.Ranjan，A.Beloglazov， et al. CloudSim： a toolkit for modeling and simulation of cloud computing environments and evaluation of resource provisioning algorithms. Software-Practice Experience，2011（01）：23-50.

[3]SimCloud Platform. http：//simcloud.com/.

作者簡(jiǎn)介：吳昊澤，男，遼寧鞍山人，本科，研究方向：云計(jì)算；張小慶，男，博士，講師，研究方向：云計(jì)算。

作者單位：武漢輕工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430023

基金項(xiàng)目：2014-2015學(xué)年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：CXXL2014029）。