云計(jì)算環(huán)境下資源需求預(yù)測(cè)與優(yōu)化配置方法研究.pdf

1、云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新型信息資源服務(wù)系統(tǒng)，可以為用戶提供包括基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)和應(yīng)用在內(nèi)的可定制彈性虛擬化資源服務(wù)。在技術(shù)進(jìn)步、需求引領(lǐng)和服務(wù)模式創(chuàng)新等因素的共同驅(qū)動(dòng)下，云計(jì)算得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可，已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中形成涵蓋移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等在內(nèi)的新型創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，并以其低成本和無(wú)處不在的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，將從根本上改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷?。為了滿足這些多元化、海量的應(yīng)用資源需求，云計(jì)算必須擁有龐大的資源集群，這些資源在地理上是分布

2、的，類型上是異構(gòu)的，并且在各自的管理域中又具有不同的資源管理策略和資源使用計(jì)價(jià)準(zhǔn)則。資源管理是云計(jì)算的核心問題之一，其目的是利用虛擬化技術(shù)屏蔽底層資源的異構(gòu)性和復(fù)雜性，使得海量分布式資源形成一個(gè)統(tǒng)一的巨型資源池，并在此基礎(chǔ)上，合理運(yùn)用相關(guān)資源管理方法和技術(shù)，確保資源的合理、高效的分配和使用。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)云計(jì)算資源的有效管理成為一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的研究課題。本文從云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的角度出發(fā)，將研究?jī)?nèi)容集中于云計(jì)算資源的優(yōu)化

3、管理方向，主要包括資源的描述、組織、發(fā)現(xiàn)、匹配、配置和監(jiān)控等內(nèi)容，著重研究了云計(jì)算資源負(fù)荷的短期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，基于短期預(yù)測(cè)的云資源優(yōu)化配置方法，以及云資源需求中長(zhǎng)期組合預(yù)測(cè)方法。目的是通過(guò)對(duì)以上幾方面內(nèi)容的研究，使得云計(jì)算資源能夠得到有效地組織和合理的配置，在保證資源服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，降低數(shù)據(jù)中心能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本，提升云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算，為云計(jì)算的健康、持續(xù)發(fā)展提供理論參考。
　　基于以上論述，本

4、文云計(jì)算環(huán)境下資源需求預(yù)測(cè)與優(yōu)化配置方法研究的主要內(nèi)容有:云計(jì)算環(huán)境下資源管理問題綜合研究;基于特征提取與分類的云資源負(fù)荷短期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法研究;基于云計(jì)算負(fù)荷短期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的資源優(yōu)化配置方法研究，以及針對(duì)云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商中長(zhǎng)期資源總量規(guī)劃需求的云資源需求中長(zhǎng)期組合預(yù)測(cè)方法研究。
　　本文的具體研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性工作主要有以下幾個(gè)方面:
　　首先，在總結(jié)了以往云計(jì)算資源描述格式和語(yǔ)言、發(fā)現(xiàn)架構(gòu)和技術(shù)，以及動(dòng)態(tài)組織、

5、優(yōu)化分配和即時(shí)監(jiān)控等方面研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)而闡述了云環(huán)境下資源管理所面臨和需要解決的新問題，并以此構(gòu)建了云環(huán)境下資源管理框架，給出了該框架在制造業(yè)背景下的應(yīng)用思路。
　　其次，分析了云計(jì)算資源需求負(fù)荷相對(duì)于先前的網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算及其它高性能計(jì)算所表現(xiàn)出不同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，討論了短期負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)于云計(jì)算實(shí)現(xiàn)資源實(shí)時(shí)控制、保持整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、降低數(shù)據(jù)中心能耗和保障云服務(wù)的QoS所起的重要作用，構(gòu)建了基于資源負(fù)荷序列特征提取、分類和

6、預(yù)測(cè)的多步驟預(yù)測(cè)方法。該方法運(yùn)用定長(zhǎng)重疊移動(dòng)滑窗技術(shù)從云計(jì)算資源負(fù)荷序列中提取子序列，再分別利用基于核模糊C聚類的監(jiān)督式聚類算法和基于隱形馬兒科夫鏈的非監(jiān)督式聚類算法對(duì)所提取的子序列進(jìn)行特征分類，在此基礎(chǔ)上，再使用基于遺傳算法優(yōu)化的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)云計(jì)算短期動(dòng)態(tài)資源負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此獲得優(yōu)良的預(yù)測(cè)效果。
　　接著，基于云計(jì)算短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，本文構(gòu)建基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的云計(jì)算資源優(yōu)化配置框架，提出了一種基于資源監(jiān)控和負(fù)荷預(yù)測(cè)的資源

7、配置自適應(yīng)彈性控制系統(tǒng)，實(shí)施主動(dòng)控制與被動(dòng)反應(yīng)相結(jié)合的混合彈性控制的資源配置策略以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源的有效利用;進(jìn)一步地，鑒于目前云計(jì)算服務(wù)提供商所采用的單虛擬機(jī)服務(wù)單用戶的資源管理模式所帶來(lái)的低資源利用率問題，本文構(gòu)建了一個(gè)具有五層結(jié)構(gòu)的新型公有云架構(gòu)，在該架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于單虛擬機(jī)服務(wù)多用戶的虛擬化資源自適應(yīng)配置模式，該模式能針對(duì)不同用戶提出的應(yīng)用資源請(qǐng)求自動(dòng)搜尋最優(yōu)虛擬化資源，并在不影響服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將不同的應(yīng)用運(yùn)行在同一臺(tái)

8、虛擬機(jī)上，使得云計(jì)算提供商能在保證服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，提高云計(jì)算資源的利用效率，降低能耗。
　　最后，本文根據(jù)實(shí)際云計(jì)算資源管理中對(duì)資源負(fù)荷中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的需求，針對(duì)云計(jì)算中長(zhǎng)期負(fù)荷所表現(xiàn)出的兼具動(dòng)態(tài)性和周期性這一特點(diǎn)，構(gòu)建了基于廣義模糊軟集理論的云計(jì)算資源負(fù)荷組合預(yù)測(cè)模型，提出了新的基于夾角余弦的廣義模糊軟集相似性度量方法，將相似性度量結(jié)果與預(yù)測(cè)精度相結(jié)合來(lái)獲得各單項(xiàng)預(yù)測(cè)模型的權(quán)重，并針對(duì)云計(jì)算環(huán)境中資源負(fù)荷所表現(xiàn)出的短期動(dòng)態(tài)性和長(zhǎng)期周