陶文林?于復(fù)生

摘 要：本文提出一種利用專家系統(tǒng)建立虛擬機部署和遷移機制的方法。該方法以CLIPS語言作為框架，并結(jié)合專家系統(tǒng)的特點對虛擬機的部署和遷移機制進行改進，提出基于不同業(yè)務(wù)特點的負載平滑預(yù)測的部署策略，和基于臟頁預(yù)測匹配的遷移策略，適用于復(fù)雜環(huán)境的云環(huán)境下虛擬機的管理，通過模擬測試驗證了該機制有效性。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；虛擬機；部署；遷移；平滑預(yù)測

虛擬機的部署和遷移是云計算應(yīng)用的重要課題。虛擬機的遷移需要在保持虛擬機運行的同時，把它從一臺主機轉(zhuǎn)移到另一臺主機上，以靈活調(diào)配計算資源。目前，虛擬機遷移和部署的比較先進的方法主要有“快速預(yù)拷貝技術(shù)”和“負載均衡部署機制”等?？焖兕A(yù)拷貝技術(shù)通過判斷在遷移過程中頻繁改動的內(nèi)存頁面，決定是否在最后一輪迭代中傳輸，以降低內(nèi)存臟頁率，達到快速遷移的目的。

專家系統(tǒng)由于能在一定程度上解決不確定性，能有效地模擬人類專家的各種判斷能力并能學(xué)習(xí)新規(guī)則、新知識等特點而越來越被廣泛應(yīng)用。本文在此基礎(chǔ)上對虛擬機部署機制進行改進，提出利用專家系統(tǒng)的方法，對虛擬機的部署和遷移進行一體化調(diào)度，智能地選擇合適的主機和時機對虛擬機進行部署和遷移，探索了基于專家系統(tǒng)的云環(huán)境下虛擬機智能部署和遷移機制和方法，詳述了專家系統(tǒng)的設(shè)計原理。

一、改進的基于均衡負載的虛擬機部署機制

1. 虛擬機部署機制

云計算域內(nèi)的調(diào)度中心接受用戶的部署請求，選擇虛擬機模板，根據(jù)其業(yè)務(wù)特征計算出負載量，并向域內(nèi)的宿主機發(fā)出資源請求廣播，宿主機對自身的當前和下一時刻負載進行檢測，判斷是否達到部署要求，并反饋給調(diào)度中心。

不同的用戶業(yè)務(wù)對虛擬機的各類資源的使用頻度不同，例如，需要進行科學(xué)計算的業(yè)務(wù)對虛擬機的CPU資源需求較大；需要進行文件備份存儲的業(yè)務(wù)對虛擬機的磁盤空間和吞吐率需求較大。因此在本專家系統(tǒng)中需要定義這類業(yè)務(wù)相關(guān)的資源需求指標，將CPU、內(nèi)存、磁盤空間、磁盤吞吐率、網(wǎng)絡(luò)帶寬五類負載加權(quán)求和示意如下：

W（cpu）+W（mem）+W（dfree）+W（dThroughput）+W（bandwidth）=1 ①

各權(quán)值W用戶或管理員定義后存在事實庫中。

2.負載預(yù)測算法

虛擬機的負載情況具有一定的一貫性，過去的負載情況會影響未來的負載值（占用率）。相關(guān)文獻對虛擬機的負載預(yù)測機制進行了一些探索，較為多見的是采用時間序列模型對負載進行預(yù)測。

本文采用時間序列平滑預(yù)測法中的霍爾特雙參數(shù)線性指數(shù)平滑法預(yù)測下一時刻的虛擬機負載量?；魻柼仉p參數(shù)線性指數(shù)平滑法屬于線性二次指數(shù)平滑法，該方法的優(yōu)點是可以用不同的平滑參數(shù)對負載值序列的兩種因素進行平滑，具有很大的靈活性。宿主機負載的預(yù)測值為：

S1=αx1+（1-α）（St-1+bt-1） ②

b1=γ（S1-St-1）+（1-γ）bt-1 ③

Ft+m=St+btm ④

α、γ為平滑參數(shù)，F(xiàn)t為實際測得負載值，m為預(yù)測時刻數(shù)，②③式是平滑公式，②式利用前一期的趨勢值bt-1直接修正平滑值St；③式是用來修正趨勢項bt，趨勢值用相鄰兩次平滑值之差來表示，可以利用平滑系數(shù)γ對兩次相鄰平滑值之差進行修正。

由系統(tǒng)管理員根據(jù)經(jīng)驗在專家系統(tǒng)中設(shè)置α、γ的值。根據(jù)本算法可求出某臺宿主機的負載預(yù)測值，再組成UDP報文反饋給調(diào)度中心。

3.宿主機選擇策略

根據(jù)用戶業(yè)務(wù)特點靈活計算虛擬機的資源需求，再由負載預(yù)測算法求出該宿主機各類資源的未來負載預(yù)測值，經(jīng)UDP報文反饋給調(diào)度中心后，由本專家系統(tǒng)進行匹配。

根據(jù)相關(guān)文獻的思想，首先利用預(yù)定義的資源需求權(quán)值W，求出各宿主機的資源可用率Hn：

Hn=W（cpu）（1-Cn）+ W（mem）（1-Mn）+ W（dfree）（1-DRn）+ W（dThroughput）（1-DTn）+ W（bandwidth）（1-Bn） ⑤

Cn、Mn、DRn、DTn、Bn分別是CPU、內(nèi)存、磁盤空間、磁盤吞吐率、網(wǎng)絡(luò)帶寬負載預(yù)測值。

調(diào)度中心的專家系統(tǒng)將所有參數(shù)讀入事實庫，匹配規(guī)則已定義好并存在知識庫內(nèi)，利用內(nèi)置的推理機進行匹配，調(diào)整和優(yōu)化，選擇最合適的宿主機，最后將虛擬機快速拷貝到選定宿主機上。用戶或管理員可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要和管理效率自行設(shè)置知識庫，隨著云計算業(yè)務(wù)規(guī)模的擴大，可以制定復(fù)雜的匹配規(guī)則。一個簡單的示例匹配規(guī)則如下：

（1）同一虛擬機業(yè)務(wù)的W（cpu）、W（mem）相差超過閥值，則重定義之，再計算H值；

（2）同一虛擬機業(yè)務(wù)的W（dThr-

oughput）、W（bandwidth） 相差超過閥值，

或W（dThroughput）> W（bandwidth）則重定義之，再計算H值；

（3）同一虛擬機業(yè)務(wù)的W（band-

width）、W（mem）相差超過閥值，則重定義之，再計算H值；

（4）兩個H值接近的宿主機，優(yōu)先匹配網(wǎng)絡(luò)帶寬的F值較大者，即提高該主機的H值；

（5）同一宿主機，某資源的W 值最大，而對應(yīng)的F值高于警戒閥值，則該機H值置為0。

二、改進的快速預(yù)拷貝機制

1.快速預(yù)拷貝機制

有學(xué)者提出了一種較新的虛擬機快速預(yù)拷貝方法，通過記錄內(nèi)存頁面的改動情況，用概率預(yù)測的思想篩選出改動頻繁的臟頁面，將它們安排在快速拷貝的最后一輪迭代中傳輸，避免了無謂的重復(fù)傳輸，從而節(jié)省帶寬，加快遷移速度。

這種新的與拷貝方法將修改頻繁的頁歸入工作集（Writable Working Set，WWS）內(nèi)，根據(jù)內(nèi)存頁面的訪問情況，用概率預(yù)測原理預(yù)測頁面變臟的概率，較高的臟頁再次被修改的概率也高，概率較高的頁面被歸入工作集內(nèi)，暫不傳輸。

2. 臟頁篩選預(yù)測策略

預(yù)測臟頁的概率一般比較復(fù)雜，但在專家系統(tǒng)中，可以定義很多預(yù)測臟頁的規(guī)則，形成知識庫供專家系統(tǒng)推理，一個簡單的示例預(yù)測規(guī)則如下：

（1）相鄰地址的頁面屬于工作集，則該頁面設(shè)為高臟頁率（>50%）；

（2）監(jiān)控到連續(xù)兩次被修改的頁面歸入工作集；

（3）前一時刻剛修改過的頁面設(shè)為高臟頁率（>50%）；

（4）閥值時間段T1內(nèi)的發(fā)生過3次修改的頁面歸入工作集；

（5）閥值時間段T2內(nèi)一直沒有修改過的頁面設(shè)定臟頁率（>40%）；

（6）閥值時間段T2外，每一時刻沒有修改過的頁面，臟頁率累加5%；

（7）臟頁率>60%的頁面歸入工作集。

該套規(guī)則庫的策略比較保守，工作集會比較大，但能有效減少頁面的重復(fù)傳送率，在虛擬機拷貝的末期，傳輸量會很大。專家系統(tǒng)的知識庫對用戶限定權(quán)限開放，系統(tǒng)管理員無需專業(yè)的程序設(shè)計技能，就可以根據(jù)云計算業(yè)務(wù)情況自行定義和修改規(guī)則，存入知識庫，大大方便了云計算系統(tǒng)的管理。

本文中的專家系統(tǒng)采用CLIPS為主設(shè)計語言。CLIPS即“C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)”，是一種基于規(guī)則的、多范例的專家系統(tǒng)編程語言，可移植性高。

先經(jīng)過充分的系統(tǒng)需求分析論證，接著與行業(yè)專家（云平臺管理、網(wǎng)絡(luò)、軟件、用戶業(yè)務(wù)）廣泛接觸，獲取虛擬機部署和遷移的要求和規(guī)則描述，以及各類元素的知識表達，開始構(gòu)建事實庫和知識庫。部分事實庫代碼如下：

自定義模板描述虛擬機

（deftemplate MAIN：：device

（slot name （type Dom0））

（slot status （allowed-values on off）））

設(shè)置待部署虛擬機出事狀態(tài)為開on

（deffacts MAIN：：device-information

（device（name Dom0）（status on））

（device）name Dom1）（status on））

（device）name Dom2）（status on）））

通過偵測器模塊偵測實時負載和臟頁率

（deftemplate MAIN：： Detector

（slot name（type Dom0_Det））

（slot state（allowed-values dirtypage

low-load-valus

high-load-valus）

（default Preset_value））

三、實驗與分析

CLIPS本身用C語言編寫，因此很容易嵌入到其他高級語言中，特別是VC++平臺。為了方便進行技術(shù)驗證實驗，采用直接嵌入方式，把CLIPS的源代碼嵌入到C++程序中，經(jīng)過修改，可以在VC++平臺內(nèi)重新編譯鏈接。

模擬試驗環(huán)境建立在4臺計算機構(gòu)成的局域網(wǎng)上，每臺主機都運行安裝了Xen4.1.2的Fedora 16，其中一臺主機模擬為調(diào)度中心，并安裝了CLIPS平臺和專家系統(tǒng)的原型。另3臺作為模擬為待部署的宿主機，其上運行各類常見應(yīng)用程序。所有主機通過一臺千兆交換機相連，處于同一個云計算域內(nèi)。

實驗中對3個虛擬機模板進行不同組合，同時進行部署和遷移。做9次部署和遷移，每臺虛擬機模板各取平均值，在式②③中設(shè)α=0.37、γ=0.38。宿主機選擇策略中的權(quán)值相差閥值選為0.4，負載預(yù)測值的警戒閥值選為85%，設(shè)臟頁率監(jiān)控時間段T1 =5，T2=10。

本文系統(tǒng)的虛擬機部署時間比傳統(tǒng)方法發(fā)生首次遷移時間明顯縮短，而遷移時間比傳統(tǒng)方法略有降低，說明本系統(tǒng)中一定程度上是有效的。

四、結(jié)論

利用專家系統(tǒng)技術(shù)建立的基于負責預(yù)測的虛擬機部署和基于臟頁預(yù)測的虛擬機遷移方法提高了資源分配的靈活性和管理的便利性，緩解了計算資源分配的不合理問題。專家系統(tǒng)中的知識庫和一些參數(shù)對系統(tǒng)管理員和用戶有限開放，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，在很大程度上提高了云計算調(diào)度中心的管理效率。

參考文獻：

[1]馬 飛，劉 峰，李竹伊.云計算環(huán)境下虛擬機快速實時遷移方法[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2012（01）.

[2]何增輝.基于預(yù)測機制的負載均衡模型的研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

（作者單位：蘇州市職業(yè)大學(xué)）