面向云和边缘网络的任务自治调度策略研究

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随着云计算的日益成熟和相关技术的不断发展,越来越多大规模的数据中心被建成,云资源提供商通过将计算资源封装成不同粒度的虚拟机,以pay-as-you-go的方式对外出租。同时,越来越多的企业乃至个人开始通过租赁这些资源来部署自己的应用,并对外提供服务。而当以云服务提供商的身份参与云计算并构建自己的业务流程时,企业或个人可以最大程度地摆脱技术细节和硬件维护方面的烦恼与困扰。但这同时也对云计算框架本身提出了更高的要求。通常,云服务会以服务等级协议的形式从性能、可用性、安全性等维度对服务质量进行约束。这也就意味着,云计算框架需要在满足服务等级协议的基础上,为部署的应用提供弹性,以达到提高资源的利用率,节省开销,绿色计算的目的。同时,云计算框架还要保持足够的透明性,通过自治的策略完成内部的调度,避免不必要的人为干预,从而进一步提高用户体验。调度可以主要包括资源供给、资源安置和动态资源整合三个过程。本文在前期工作积累的基础上,通过一个自回归的约束模型和抽象得到的两层供需关系,有效避免对应用的工作负载-所需计算资源量映射关系的预先建模,并加入动态资源整合模块,从而补足了相关工作的短板和缺陷,得到了一个完整包含上述三个过程的弹性计算框架。同时,随着物联网的发展,数据生产者与数据消费者的界限被打破,入网的设备越来越多地具备了一定的计算能力。出于提高用户体验(包括但不限于降低服务时延、提高服务安全性、保障服务隐私性)和节省主干网络带宽的考虑,边缘计算——作为云计算的延伸和拓展,成为了一个受到越来越多关注的可以有效利用边缘网络中的计算资源的方式。任务卸载问题是边缘计算中主要的研究问题之一。本文提出了一个使能双向主动卸载的决策模型,通过利用边缘网络中原生的网络拓扑结构,并赋予一次任务卸载调度中的接收方和发送方双方同时感知自身和远端节点负载情况的能力,从而有效容忍网络拥塞的发生和信息的过期与失效,使得决策过程更主动,决策结果更合理。云服务的服务等级协议的约束成为了衔接中心云与边缘网络的纽带。在分析了中心云与边缘网络之间微妙但关键的差别后,本文通过进一步使得任务卸载过程能够感知服务等级协议以及来自任务最终时限的约束,从而让中心云能够充分利用边缘网络的计算资源的同时,边缘网络也能有效利用中心云的弹性特性。两者相互协作、有机统一。最后达到在保证由服务等级协议所约束的服务质量和减少人工干预的透明化服务的同时,尽可能降低运行时中心云的资源占用,并提高网络整体的资源利用率。本文对上述工作内容进行了逐步测试,测试包括:针对运行在中心云的弹性计算框架的改进的前后对比测试;针对运行在边缘网络的卸载决策模型的详细测试;以及针对中心云与边缘网络的整体的性能测试。实验结果符合相关设计的预期与初衷,验证了策略的正确性与有效性。
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