云計(jì)算環(huán)境下的電子文件遷移模型分析

田冠博

(邳州市人民醫(yī)院， 邳州 221300)

0 引言

電子文件遷移由于巨大狀態(tài)空間，計(jì)算復(fù)雜性高，對(duì)服務(wù)器、磁盤(pán)、CPU等資源的要求高，需要借助兼容性強(qiáng)的模型來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡，減少遷移代價(jià)，提高執(zhí)行率。云計(jì)算下電子文件遷移，綜合文件、資源方面的因素，平衡存儲(chǔ)單元負(fù)載，保證計(jì)算性能的重復(fù)發(fā)揮[1]。

1 文件遷移模型

1.1 模型描述

負(fù)載平衡調(diào)整電子文件訪問(wèn)的負(fù)載差異，訪問(wèn)頻率、大小敏感的遷徙模型，采用占用量概念對(duì)云端資源的負(fù)載壓力進(jìn)行描述，其受以下因素影響：

(1) 訪問(wèn)次數(shù)與占用量值成正比；

(2) 并發(fā)數(shù)，特別是平均并發(fā)數(shù)的增加，遷移文件的占用量值隨之增加；

(3) 電子文件越大，遷移占用量值越高。

(1) 在第i次訪問(wèn)前，云端存儲(chǔ)文件fk未被訪問(wèn)，則e(fk，i)=0

(2) 在第i次訪問(wèn)時(shí)，云端存儲(chǔ)文件fk占用量為式(1)。

(1)

其中，i—代表第i次訪問(wèn)前，屬于極限值；λk代表云端系統(tǒng)第i次訪問(wèn)時(shí)，文件fk的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)；λ表示云端系統(tǒng)第i次訪問(wèn)時(shí)，平均并發(fā)數(shù)；lk表示遷移文件fk的長(zhǎng)度。

(3) 云端系統(tǒng)在in、im時(shí)間內(nèi)，為對(duì)文件fk訪問(wèn)，那么e(fk，in)=e(fk，im)?im-in；

(4) 云端系統(tǒng)在發(fā)生第im訪問(wèn)時(shí)，對(duì)文件fk訪問(wèn)，且上一次訪問(wèn)時(shí)間為in，說(shuō)明如式(2)。

(2)

1.2 云端存儲(chǔ)單元的占用量描述

云端存儲(chǔ)單元依據(jù)文件大小，或者分塊方式占用不同存儲(chǔ)空間，但由于云端存儲(chǔ)單元異構(gòu)，各單元存儲(chǔ)空間、訪問(wèn)帶寬不同，占用量高低不能全面反映云端資源負(fù)載。為了準(zhǔn)確、清楚描述文件遷移，引入相對(duì)占用量概念[3]。

假設(shè)e(nk，i)表示相對(duì)占用量，那么i時(shí)刻云端資源存儲(chǔ)單元nk的相對(duì)占用量如式(3)。

(3)

其中，χj=∑φ是云端存儲(chǔ)單元nk上存儲(chǔ)的電子文件和，或者文件塊的占有量和；Lj是j存儲(chǔ)單元擁有的存儲(chǔ)空間；L是云端平均存儲(chǔ)空間；Sj是j存儲(chǔ)單元的云傳輸帶寬。

2 電子文件遷移策略

2.1 文件遷移觸發(fā)函數(shù)

電子文件超過(guò)閾值，就會(huì)激發(fā)遷移操作。但，閾值設(shè)定存在不足，對(duì)文件訪問(wèn)請(qǐng)求的傾斜性大。遷移觸發(fā)函數(shù)激發(fā)后，后續(xù)文件訪問(wèn)請(qǐng)求增加，云端存儲(chǔ)資源快速占用，存儲(chǔ)單元負(fù)載增加，云計(jì)算性能驟降。REM函數(shù)基于概率計(jì)算，適用于云端存儲(chǔ)系統(tǒng)，依據(jù)條件限制電子文件訪問(wèn)。設(shè)置最大、最低負(fù)載，即Lmax、Lmin，依據(jù)兩者關(guān)系，衡量云端存儲(chǔ)單元的負(fù)載情況，如式(4)。

(4)

其中，p遷代表電子文件遷移概率，S下為云端存儲(chǔ)單元的下行帶寬，S存為云端第i個(gè)存儲(chǔ)單元的負(fù)載情況。

2.2 電子文件遷移對(duì)象的選擇和實(shí)現(xiàn)

遷移對(duì)象要基于文件訪問(wèn)請(qǐng)求，結(jié)合云端資源情況，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，否則將加重云端設(shè)備負(fù)載。文件遷移需要兼顧幾方面：

(1) 以數(shù)據(jù)塊為單元遷移。數(shù)據(jù)塊劃分有效避免大文件、大數(shù)據(jù)遷移耗時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題，節(jié)約帶寬資源，突破云端存儲(chǔ)單元性能限制，對(duì)固定大小數(shù)據(jù)塊進(jìn)行遷移[4]。

(2) 遷移文件選擇與用戶請(qǐng)求結(jié)合，假設(shè)正在被訪問(wèn)，且占用量高的文件fk，用ξi表示，那么文件占用量密度為式(5)

ξi=ei/li

(5)

其中，文件i的長(zhǎng)度為li，第i的文件具有的占用量為ei。

假設(shè)定義云端存儲(chǔ)單元為遷移單元，接受遷出數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)單元為接受單元，在接受單元的云端下行帶寬許可情況下，則有：

(1) 所有訪問(wèn)數(shù)據(jù)塊bi的用戶請(qǐng)求為d合，則∪d合，d合?bi被發(fā)送到接收云端。

(2) 充分利用閑置帶寬，讀入bi的尾部數(shù)據(jù)bi-∪d合發(fā)送至接受單元；

(3) 出現(xiàn)新訪問(wèn)文件fk的請(qǐng)求d新，或者未訪問(wèn)數(shù)據(jù)塊bi的用戶，已經(jīng)完成一個(gè)數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)，則用戶請(qǐng)求將轉(zhuǎn)到bj，以此類(lèi)推，相繼訪問(wèn)其他數(shù)據(jù)塊，實(shí)現(xiàn)文件遷移的用戶請(qǐng)求復(fù)合。

(4) 遷移過(guò)程中，無(wú)論是否出現(xiàn)新用戶訪問(wèn)，或者用戶請(qǐng)求超過(guò)bj，都要對(duì)數(shù)據(jù)塊bj遷移，原則為閑置帶寬分配固定帶寬S固，保證文件順利遷移。

其中，v是云端為用戶請(qǐng)求訪問(wèn)fk分配帶寬，li為云端數(shù)據(jù)的單位長(zhǎng)度?，F(xiàn)有帶寬不能滿足實(shí)際需求，遷移單元附近用戶請(qǐng)求撤銷(xiāo)，釋放帶寬滿足遷徙需求。

(5) 文件遷移擁有充足帶寬，則要保持帶寬到遷移工作完成，或者新的數(shù)據(jù)塊用戶訪問(wèn)文件。

復(fù)合用戶范圍可以對(duì)云端資源負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，并行用戶請(qǐng)求，又提高閑置帶寬利用率，減少文件遷移對(duì)資源的占用量。

2.3 文件接收

在消除存儲(chǔ)單元負(fù)載閑置的情況下，文件遷移給云端存儲(chǔ)帶來(lái)附加荷載，形成新的資源瓶頸，陷入“迭代”循環(huán)，導(dǎo)致云端資源占用量持續(xù)增加。為避免上述問(wèn)題，要求目的存儲(chǔ)單元i具有低占用量Q低，并實(shí)現(xiàn)在接收數(shù)據(jù)塊bj后的相對(duì)占用量最小，如式(6)。

(6)

2.4 模型算法

輸入：云端存儲(chǔ)單元數(shù)為m，遷移文件數(shù)量為n；

云端系統(tǒng)：D={D1，D2…，D3}，Dj=(Lj，Sj，Qj)；其中，Qj為第j個(gè)存儲(chǔ)單元具有的相對(duì)占用量，

存儲(chǔ)文件:F={F1，F(xiàn)2…，F(xiàn)3}，F(xiàn)i=(li，Qi);

訪問(wèn)文件：fk為第k次訪問(wèn)時(shí)所訪問(wèn)文件；

輸出：云端負(fù)載平衡的所有操作；

步驟1：依據(jù)存儲(chǔ)單元(Dj，Sj)，判斷第j個(gè)存儲(chǔ)單元是否達(dá)到閾值，并觸發(fā)文件遷移操作；

步驟2：所有已觸發(fā)云端文件遷移的操作Dj，遷移訪問(wèn)占有量密度最高的數(shù)據(jù)塊文件；

步驟3：選擇占有量適合的接受單元，進(jìn)行文件遷移操作。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于云計(jì)算環(huán)境的電子文件遷移模型的時(shí)間優(yōu)化下過(guò)，訪問(wèn)請(qǐng)求為合成負(fù)載方式。以傳統(tǒng)磁盤(pán)冷卻法為比較對(duì)象，驗(yàn)證試驗(yàn)效果。

3.1 性能測(cè)試

表1 初始值設(shè)置

3.2 負(fù)載分析

訪問(wèn)量對(duì)模型分析非常重要，但不能全面反映訪問(wèn)有效率，所以采用x/y分布方式產(chǎn)生訪問(wèn)序列，實(shí)現(xiàn)x%請(qǐng)求訪問(wèn)y%文件[6]。假設(shè)文件ID為1-50，對(duì)于任意x/y參數(shù)請(qǐng)求，可以依據(jù)公式3，計(jì)算每個(gè)文件的訪問(wèn)概率。本文通過(guò)改變文獻(xiàn)ID實(shí)現(xiàn)負(fù)載動(dòng)態(tài)分析，以每100次訪問(wèn)為周期ζ，對(duì)i文件訪問(wèn)，則其動(dòng)態(tài)負(fù)載為i=(i+ζ)/50%。

3.3 結(jié)果

連續(xù)對(duì)云端存儲(chǔ)進(jìn)行10組模擬試驗(yàn)，每組試驗(yàn)符合3.1節(jié)的測(cè)試環(huán)境，隨機(jī)生成存儲(chǔ)單元和文件，按照3.2節(jié)的負(fù)載計(jì)算，生成文件訪問(wèn)序列。對(duì)比傳統(tǒng)磁盤(pán)冷卻算法和無(wú)負(fù)載情況下的云端電子文件遷移，按照1 s、3 s、6 s、9 s的時(shí)間間隔的100次云端文件訪問(wèn)請(qǐng)求，計(jì)算出平均處理時(shí)間和吞吐量。相對(duì)于冷卻算法的相對(duì)負(fù)載說(shuō)，無(wú)平衡策略以初始云端存儲(chǔ)單元的5個(gè)文件為依托，云端存儲(chǔ)單元在任何條件下均不進(jìn)行負(fù)載平衡。平均請(qǐng)求處理時(shí)間=請(qǐng)求運(yùn)行總時(shí)間/訪問(wèn)請(qǐng)求總數(shù)，比值越大云端處理能力越弱。平均吞吐量=單位時(shí)間內(nèi)處理訪問(wèn)次數(shù)/處理時(shí)間，比值越大云端占用量越低。不同時(shí)間間隔下的平均處理時(shí)間、平均等待時(shí)間的比值，如圖1所示。

圖1 不同模型下文件遷移處理時(shí)間

在不同負(fù)載情況下，云計(jì)算下的電子遷移模型優(yōu)于傳統(tǒng)磁盤(pán)冷卻模型效果，不會(huì)增加云端負(fù)載量，節(jié)省資源占用量。

4 總結(jié)

本文提出體現(xiàn)文件訪問(wèn)對(duì)云計(jì)算負(fù)載的文件遷移模型，給出適合云端存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的遷移觸發(fā)函數(shù)，復(fù)合用戶訪問(wèn)的遷移文件選擇、遷移過(guò)程實(shí)現(xiàn)。最后，構(gòu)建符合上述要求模型，并進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于磁盤(pán)冷卻模型來(lái)說(shuō)，云計(jì)算環(huán)境下負(fù)載平衡文件遷移模型，在處理時(shí)間、吞吐量、資源占用量方面更優(yōu)，提高云端系統(tǒng)的相應(yīng)性能。然而，在云計(jì)算處理速度、云端資源優(yōu)化方面研究尚存在不足，有待于進(jìn)一步研究和分析。