云计算环境下基于负载平衡的数字图书馆虚拟机集群资源调度策略
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〔摘 要〕为了解决云计算环境下，数字图书馆云数据中心虚拟机集群资源负载不平衡的问题，本文提出了一种云计算环境下，基于负载平衡的数字图书馆虚拟机集群资源调度策略。该策略可减少云计算环境下数字图书馆虚拟机的迁移数量，并改善云数字图书馆的用户服务质量。
〔关键词〕云计算；数字图书馆；虚拟机集群；资源调度
云计算环境下，虚拟化技术在提高云图书馆服务保障能力和用户云阅读满意度的前提下，大幅降低了云图书馆建设、运营、维护和升级成本，具有较强的市场竞争力和未来可持续发展性。同时，随着读者云阅读需求的增长和云服务模式的转变，云图书馆数据中心虚拟机集群的数量和结构复杂度不断增加。因此，在确保具有较高云资源使用效率的同时，执行科学、高效的虚拟机创建、部署、管理、调度和迁移策略，实现云图书馆服务负载平衡和虚拟机集群高效运营，是决定云图书馆用户服务安全、高效、经济、低碳的重要因素。
1 云图书馆虚拟机集群资源管理与调度需求
1.1 准确评估云图书馆数据中心虚拟机负载状况准确评估云图书馆数据中心虚拟机负载状况，是科学、高效、经济、合理地管理与分配云资源，防止因资源分配不足而导致云图书馆服务性能下降和资源浪费的前提。首先，云图书馆在虚拟化资源评估过程中，应准确预测未来用户增长数量、服务模式发展趋势和负载变化状况，并对虚拟机负载需求进行估算。其次，图书馆应根据云阅读活动重要性和资源使用量，将虚拟机划分为不同的资源分配与服务保障级别，并制定相应的虚拟机负载与资源管理策略。第三，对云图书馆数据中心虚拟机负载变化实施有效的监控、数据采集、分析和判断，为科学管理提供理论依据和数据支持[1]。
1.2 制定科学、安全、高效、经济的虚拟机管理与调度策略需求 在云图书馆虚拟机管理与调度策略制定中，首先，需要执行灵活的虚拟化资源管理、分配、调度与迁移策略，并根据云资源总量、读者群数量、云阅读需求、虚拟机运营效率实际进行策略调整。其次，管理与调度策略应保证虚拟机集群服务具有连续性、系统可监控性和服务应用程序安全性。第三，必须对所制定的虚拟机管理与调度策略的安全性、有效性和合理性进行综合测试与评估。
1.3 防止虚拟机蔓延事件发生的需求云图书馆数据中心采用虚拟化架构管理后，在提高资源使用效率的同时，虚拟化环境也增加了系统结构复杂度和管理难度，原有的管理模式、方法和工具已不适应虚拟化环境管理需求，因此，容易导致虚拟机蔓延事件的发生。为了加强对虚拟机蔓延事件的管理，首先，云图书馆需要开发、应用新的虚拟机跟踪、识别、认证和审计系统，提高虚拟机蔓延事件的可管理性。其次，需要制定出有效的虚拟化系统与虚拟化资源分配安全操作规定，并加强管理人员的安全与技术培训，提高系统管理员的责任心和安全意识。第三，须加强云图书馆虚拟机创建的计划、审批与管理工作，严禁执行不符合虚拟机生命周期发展规律的操作，或者盲目创建和使用虚拟机。
2013年3月第33卷第3期现？代？情？报Journal of Modern InformationMar.，2013Vol.33 No.32013年3月第33卷第3期云计算环境下基于负载平衡的数字图书馆虚拟机集群资源调度策略Mar.，2013Vol.33 No.31.4 加强对虚拟机发现、监控和跟踪活动有效性的需求 加强对虚拟机识别、监控和跟踪活动的有效性，是提高虚拟机管理与实用过程科学性、安全性、经济性和有效性的关键。首先，云图书馆应提高虚拟机识别、监控和跟踪活动的可操作性，确保整个过程符合虚拟机创建、应用和删除活动的生命周期发展规律。其次，应通过对虚拟化网络数据流量的监控，来采集虚拟机CPU状态、内存活动、磁盘I/O等信息，进而准确判断虚拟机所处的状态和性能。第三，云图书馆应通过建设虚拟机识别、监控和跟踪活动的自动化流程配置平台，来实现虚拟机创建、运营、删除和虚拟化资源回收过程的智能、自动化操作，以减少云图书馆未经授权和过度配置的虚拟机数量，并且提高虚拟机发现、判定、删除、回收等工作的效率[2]。
1.5 虚拟机资源分配与调度管理的动态自适应需求云图书馆虚拟机资源的分配与调度，首先应结合云图书馆虚拟化资源的特征、分配对象、数量需求和管理要求，采取面向读者云阅读应用服务和阅读质量需求的动态自适应管理，并结合云服务负载动态变化状况和应用实际进行管理策略优化。其次，须简化虚拟机的放置与迁移过程，应将虚拟机的放置与迁移问题，和虚拟机承载的应用资源消耗类型、用户对应用的访问模式、虚拟机应用负载匹配关系等因素联系起来综合考虑。第三，在虚拟机迁移策略的制定中，除考虑虚拟机对CPU、内存、存储空间、网络等虚拟化资源的需求和能耗外，还应考虑云资源总量、虚拟化网络传输性能、虚拟机本地动态伸缩能力、迁移策略可靠性和迁移时机。
2 基于负载平衡的云数字图书馆虚拟机集群资源调度策略2.1 进行云图书馆业务量与虚拟机资源需求的评估云图书馆虚拟机的创建过程，必须坚持以读者云服务业务量和虚拟机资源需求为依据，制定科学、合理的虚拟机创建与云资源分配计划。首先，管理员应认真分析、统计、预测图书馆开展的云阅读服务活动，对虚拟机和云资源的需求总量，以及在不同虚拟机上运行的云服务业务对云资源的需求量。同时，通过制定高效的虚拟机资源和服务负载管理策略，保证虚拟机集群安全、高效运营。其次，为了提高虚拟机运营效率和节省云资源使用量，应保证关系云图书馆服务有效性与用户满意度的虚拟机，在资源分配上占据较高的比率。采取重点突出和精打细算的方法，在保证虚拟机集群重点部位和应用高效、节能的前提下，不断提高虚拟机服务质量。第三，云数据中心物理基础设施CPU、内存、网络、存储等资源的分配与使用效率，是关系云图书馆服务质量和资源使用效率的关键。因此，在保证云图书馆核心业务的前提下，应尽量降低上述资源的申请与分配数量，并关闭已停止服务的虚拟机系统[3]。
2.2 实现虚拟机与云资源的自适应管理、控制为了解决用户需求、服务质量、资源利用率和服务投资收益率之间的矛盾，云图书馆应采用有效的自动化监测与自适应管理机制，来提高虚拟机与云资源的创建、分配、管理与调度效率。自动化监测与自适应管理系统应由监控器、云应用服务数据采集处理系统、判决系统、控制与执行系统组成。监控器主要可获得物理主机和虚拟机对CPU、内存和网络的使用效率数据，并将数据传输给云应用服务数据采集处理系统。采集处理系统将所采集的数据转换成系统易于计算、判断的数据模式，由判决系统根据云阅读应用服务，以及虚拟机资源配置和分配、调度、迁移需要，进行虚拟机和虚拟化资源的管理与分配。控制与执行系统在坚持优质服务、高效运行、负载均衡和经济节省的前提下，根据云阅读应用服务的内容、需求、质量和实际保障情况，实现虚拟机和虚拟化资源的自适应管理与控制。
2.3 部署虚拟机自动化负载配置平台部署虚拟机自动化负载配置平台，帮助云图书馆管理员实现虚拟机的自动化负载配置和虚拟化基础架构管理，并提供锁死、闲置和被弃用虚拟机的状态报告，是降低管理员工作量和运营、管理成本，提高虚拟机总体运营效率的重要措施。首先，所部署的虚拟机自动化负载配置平台应具备较强的功能性，可集中、统一地监测和识别虚拟机的CPU、内存和存储三种资源，当发现其中一项资源被完全消耗时就进行虚拟机锁死。同时，为管理员提供资源使用报告，以方便管理员进行资源补充或者资源回收，从而提高整个虚拟化计算基础架构的总体资源利用率。其次，管理员可依据虚拟机资源使用量、网络通信量，进行闲置虚拟机的发现、判定和回收，通过减少闲置虚拟机的数量来降低虚拟机集群结构复杂度。第三，在虚拟机资源配置与分配过程中，应为各种应用服务任务的虚拟机设置不同的优先级。并根据服务的内容、重要性和客户满意度需求，进行虚拟机资源份额、预留、限制、存储I/O控制等3个参数的配置，实现虚拟化资源在分配、管理、调度过程的自动化配置与动态管理[4]。
2.4 严格控制虚拟机蔓延云计算环境下，随着云图书馆虚拟化环境复杂度与管理难度的不断增加，简化虚拟化资源的管理、分配与应用过程，成为提高云图书馆虚拟化管理效率的关键。但时，这种虚拟机快速、简单和未经合理验证、审核的创建模式，以及虚拟化管理系统对虚拟机资源、用户有限的管理能力和过度配置，成为造成虚拟机蔓延的主要因素。云图书馆虚拟机蔓延主要表现为幽灵虚拟机、僵尸虚拟机、虚胖虚拟机3种形式。随着虚拟机数量的增加，会导致云图书馆在虚拟机创建、管理、应用与迁移过程中，软件License成本、服务器及存储设备成本、时间成本快速上升，不但增加了云图书馆虚拟机集群结构复杂度和管理难度，而且会导致图书馆云服务成本激增和运营效率下降。因此，云图书馆首先应严格控制虚拟机蔓延现象发生。在降低虚拟机云应用服务资源消耗，以及提高资源重复利用与回收效率的前提下，杜绝未经授权和过度配置虚拟机现象发生，并加强对闲置、弃用虚拟机的监控、发现和回收。其次，应保证虚拟机创建、资源分配和应用服务的制度化管理，对虚拟机的创建、资源分配和应用服务过程进行自动化审核和按需创建。第三，通过部署虚拟机自动化负载配置平台，实现符合虚拟机生命周期发展规律的负载配置智能、自动化管理，提高虚拟机创建、管理、资源分配、应用服务的效率和合理性。
2.5 对虚拟机资源实施模板管理对虚拟机资源实施模板管理，是降低云图书馆管理员工作量和虚拟化资源管理复杂度，提高虚拟机管理效率和可靠性的重要方法。首先，云图书馆应在对云基础设施物理资源有效虚拟化的前提下，针对虚拟机应用服务资源需求，对CPU、内存、存储、网络等虚拟化资源实施不同的源管理模式，或提供不同的资源管理模板。通过采用云资源的抽象化和标准化管理，在大幅度缩短资源部署、配置时间的前提下，提高资源的交付效率和成功率。其次，虚拟机资源模板管理应具有较强的功能性和可操作性，在统一模板管理平台上实现虚拟机和云资源的创建、查询、管理、调度、迁移、修改和删除等操作。第三，虚拟机资源管理模板应具备较强的可控性、可靠性、连续性、冗余性和可扩展性。在确保云基础设施物理资源和虚拟化资源安全、稳定的前提下，可对虚拟机、基础设施物理资源、云虚拟化资源，实行符合信息系统生命周期发展规律的模板管理，确保管理过程统一平台、统一管理、统一接口、统一策略[5]。
3 结束语云图书馆对虚拟机的创建、调度、迁移和删除管理的可控性，以及虚拟机云资源分配的效率和利用率，是关系云图书馆服务能力建设、运营成本、读者云阅读活动满意度和市场竞争力的大事。同时，也是关系云图书馆未来可持续发展和云服务模式变革、扩展的重要因素。因此，云图书馆应将虚拟机和虚拟化资源的管理、分配、调度、迁移工作，融入到云图书馆基础设施建设、用户云服务模式变革、读者云阅读服务保障和未来云服务能力扩展之上，采用符合信息系统生命周期发展规律的管理策略，确保虚拟机管理与调度工作安全、高效、经济、可靠。
参考文献
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[5]FANGHF，ZHAOYQ，ZANGHY，etal.VMGuard：anintegritymonitoringsystemformanagementvirtualmachines[C]∥Proceedingsofthe16thIEEEInternationalConferenceonParallelandDistributedSystems.Piscataway：IEEEPress，2010：67-74.