云资源管理模型研究

高宏卿，邢颖：基于经济学的云资源管理模型研究

2010,31(19)4139

0引言

云计算是当前信息领域的热点，它的出现宣告了低成本提供超级计算时代的到来。云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的综合发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现，同时又提升了虚拟化、效用计算、IaaS (基础设施即服务)、PaaS (平台即服务)、SaaS (软件即服务)等概念[1]

。云计算整

合了互联网“云海”中的“云岛”资源，将计算从用户端集中到“云端”，作为服务通过互联网提供给用户，这意味着计算能力也可以作为商品进行流通，就像水电一样即开即用，费用低廉[2]。云计算是一种计算资源的商业实现，它实质上是一种生产者——消费者模型，从经济学的角度来看，服务被看作是有价值的经济商品[3]

，供应商生产商品并将其分租给消费者，云用户可以在全球范围内根据自己的需求按照一定的付费方式从供应商中购买商品。

云计算平台主要有亚马逊弹性计算云EC2，谷歌的App-Engine ，微软的Azure 。目前企业计算资源存在调配不灵活、能耗高、计算存储资源不能合理按需配置等问题，此外，云计算并没有或只是有限地为多竞争者提供用于资源动态分配的谈判机制，本文提出的基于经济学的云资源管理模型有助于在

市场均衡的条件下规范供应和需求，为云消费者和供应商提供有关经济激励的反馈，优化基于SLA 的资源分配，并降低能耗和成本，实现绿色计算。

1

计算资源的效用市场

1.1

基本理念

人们长期以来就有把计算作为一种公用设施来提供的梦

想，最近逐渐成为商业现实，这就是云计算。云系统结构，是一种生产者——消费者模型。在云计算时代，计算能力可以作为商品进行流通[4]，云用户不需要与IT 机构或服务提供商签订长期服务合同，使用一张信用卡即可根据使用情况购买计算周期，并在虚拟机之间建立网络关系。从云供应商的观点出发，利用商品化的计算、存储和网络低成本的建立大型数据中心使得以低于许多中等规模的数据中心的价格“即用即付”的销售资源成为可能。从云用户的观点出发，云计算可以令一个初创的软件公司象初创的芯片厂商拥有为之服务的代工厂一样拥有自己的数据中心。

云计算具有规模经济性，启用的细粒度经济模式能实现计算机客户间的共享，提高了处理器和存储设备的利用率；云计算不是一个工具、平台、网络或者架构，而是一种计算的方

收稿日期：2009-10-01；修订日期：2009-12-15。

基金项目：2008年河南省科技攻关基金项目(082102210106)。

作者简介：高宏卿(1963－)，男，河南洛阳人，博士，教授，研究方向为计算机网络、网格应用；邢颖(1985－)，女，河南沈丘人，硕士，研究方向为网格计算技术及其应用。E-mail ：xinyinbl@

基于经济学的云资源管理模型研究

高宏卿，邢

颖

(河南师范大学计算机与信息技术学院，河南新乡453007)

摘

要：结合云计算的特点，在分析计算资源的效用市场基础上，从经济学原理的角度提出了云计算经济学架构，设计了基于SLA 的云资源管理经济模型。研究了该模型采用的基于使用量的计费机制、基于SLA 的谈判流程、基于效用函数的谈判算法，采用CloudSim 模拟工具进行仿真实验和性能分析，实验结果表明，该模型有助于促进云环境下资源的高效管理、优化配置，最大限度地满足用户QoS 需求。

关键词：云计算;资源管理;服务水平协议;效用;云仿真模拟器

中图法分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1000-7024(2010)19-4139-04

Research on cloud resource management model based on economics

GAO Hong-qing,

XING Ying

(College of Computer and Information Technology,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China )

Abstract ：By analyzing the utility market of computing resources,a cloud computing economic architecture and a cloud resources eco-nomic management model based on SLA are proposed.Then,the billing mechanism by usage,the negotiation process by SLA,and the negotiation algorithm by utility function are illuminated in detail.Finally,simulation experiments and performance analysis are done by CloudSim simulation tool.It proves that the model can advance the efficiency of resource management,optimize the configuration in cloud environment,and meet the QoS requirement of users.

Key words ：cloud computing;resources management;SLA;utility;CloudSim

计算机工程与设计Computer Engineering and Design

41402010,31(19)计算机工程与设计Computer Engineering and Design

式。云计算的许多属性有助于降低进入新市场的成本，主要有：由于基础设施是租用的，而不是购买的，成本得到控制，而且资本投资可能为零；云提供商的巨大规模也有助于最大限度地降低成本，从而有助于进一步降低入市成本；应用程序的快速开发方法非常规范，有助于缩短入市时间，因而有可能使在云环境中部署应用程序的机构先于竞争者入市。

1.2弹性风险转移

虽然云计算的经济前景通常被描述为由建设支出转变为

运营支出[5]，本文认为即付即用(pay-as-you-go )可以更好地体现买方的经济利益。由于大多数应用程序对计算，存储和网络带宽的使用是不等的；有些是受CPU 限制的，有的受网络限制等等，并且可能在饱和使用一种资源的同时，对其他资源利用不足，因此云计算采取通常采用按资源单项收费的机制，按照资源消耗情况，例如CPU 小时数、移动的数据量、存储的数据的千兆字节(GB )数等，进行计费，可以减少未充分利用带来的浪费。

在这种计费模式下，云计算把购买多少基础设施的风险，从开发应用程序的机构转移给云提供商。这种能力还把架构决策的责任从应用程序架构设计师转移给开发人员。大型企业都可以使用云计算，用来以比传统企业计算更少的时间和成本解决重大问题。本文认为，云计算的弹性和风险转移所带来的经济效益，要远远大于成本花费的考虑，特别是在资源的过度配置或不足配置的风险方面。

2云计算经济学体系结构

本文根据云环境的特点，设计了基于经济学的云架构，如

图1所示，主要由以下4部分组成:云用户、经纪人、资源管理器、资源虚拟化、物理层。

(1)云用户：即云计算资源的使用者。云用户从“端”通过其经纪人向云市场提出自己的要求，包括所需完成任务的QoS 描述，如CPU 类型、CPU 数目、内存大小、操作系统及其版本号、成本预算等，而不要预先给出承诺。(2)经纪人：云用户经纪人代表用户将服务请求从世界各地提交到将要被处理的数据中心和云中，查找和选择适合网格应用需求的资源。用户经纪人支持基于效用函数的应用级调度来满足用户的目标来完成服务的分配，它仅仅负责为任

务的提交提供调度方案，不负责任务的具体执行。

(3)资源管理器：资源管理器是本架构的核心模块，它是用户驱动的管理、计算风险的管理、自治的管理。该管理器是数据中心/云服务供应商和外部用户/经纪人之间的接口，采用某种谈判机制协调二者的需求，它主要包含以下6种机制，并通过这些机制的交互来支持面向SLA 的云资源管理：1)服务请求准许控制机制：当一个服务请求是第一次被提交时，该机制在确定是否接受或拒绝请求之前，为QoS 解释提交的请求。通过该机制可以控制资源的超载，需要“最新状态信息”来关注资源的更多信息，例如，从虚拟机监测机制中获得资源可用性信息，从服务请求监测机制中获得工作量处理的信息等，这样有助于更有效地进行资源配置。2)定价机制：定价作为一个基础，管理数据中心的计算资源的供应和需求，定价机制决定服务请求是如何被收费的。例如，请求可能按照提交的时间(如高峰期/非高峰期)、定价利率(如固定的/变化的)或资源的可用性(如供应/需求)收费。

3)审计机制：审计机制记录被请求的资源的实际使用，以使最后成本可以被计算和记入用户。此外，记录的历史使用信息可以被服务准许控制机制利用来修改已做出的资源分配决定。

4)VM 监控机制：VM 监控机制监视虚拟机的可用性及其资源应有权。5)调度器：该调度机制为虚拟机分配相应的服务请求，并执行请求。

6)服务请求监控机制：服务请求监控机制监视服务请求的执行进展。

(4)资源虚拟化：虚拟化技术是云计算的特征之一，虚拟化实现了一个动态数据中心，其中的服务器提供一个包含可根据需要使用资源的资源池。多虚拟机可将在同一物理机上资源的不同分区配置到服务请求的不同要求上面，可在单一的物理机上动态的被启动或停止，为应用程序提供了最大限度的灵活性。此外，由于每个VM 在同意物理机上是完全相互隔离的，所以多个虚拟机可以同时运行在单一物理机上基于不同的操作系统环境的应用。(5)物理层：云数据中心包含多个物理机资源，如计算机、服务器、存储设备、数据库、网络设备等，以满足云用户服务需求。

3基于SLA 的云资源管理经济模型

在市场条件下，云资源被视为商品，因此，在云用户的服

务请求中应包含关键的QoS 参数，如时间、成本、可靠性和信任系数等。在竞争环境中，由于业务和操作环境的不断变化，因此服务质量需求不能是静态的，而是要随着时间的推移动态更新。这对云用户是更重要的，因为他们要支付在云中的

访问服务。目前，云计算并没有或只是有限地为多竞争者提供用于资源动态分配的谈判机制。本文在提出云计算经济学架构的基础上，详细研究了“资源管理”模块，进一步为虚拟机云计算系统设计了基于SLA 的云资源管理经济模型，引入

SLA 的云资源管理可以有效地保证QoS ，并给出了基于效用的谈判流程及谈判算法，此模型有利于优化云资源的配置，协调云用户与云供应商之间的利益。

图1云计算经济学体系结构

计算机

服务器

存储设备

数据库网络设备

虚拟存储

虚拟网络

数据资源池

计算资源池

物理层

资源虚拟化

资源管理器

云用户经纪人

虚拟机监控机制

调度器

服务请求监控机制

定价机制

准许控制机制审计机制