【摘要】：隨著云計算的廣泛普及,大量應用遷移至云環(huán)境,應用和用戶規(guī)模大幅增長,給云應用提供良好的性能保障變得越來越必要。基礎設施云具有低成本與高擴展性優(yōu)勢,基于其開展應用性能優(yōu)化機制研究具有重要的學術意義和應用前景�；A設施云所涉及的復雜資源管理機制及其與生俱來的高動態(tài)特征給應用性能優(yōu)化帶來了巨大挑戰(zhàn)。首先,虛擬機作為封裝應用的基本容器,其較慢的創(chuàng)建速度嚴重損害了應用部署和擴展效率,而其性能又直接影響并制約了應用的整體性能;其次,虛擬機對資源的高度共享使應用性能的公平性難以得到有效保障,尤其是傳統(tǒng)網(wǎng)絡“best-effort”的資源供給方式無法保障網(wǎng)絡性能的公平,從而使得諸多應用性能優(yōu)化機制失效;再次,云的高度動態(tài)性增加了應用性能評測難度,傳統(tǒng)的評測機制無法有效應對這種特性,評測結(jié)果錯誤率較高,從而使得無法高效和準確地優(yōu)化應用性能。針對上述挑戰(zhàn),面向多虛擬機應用的基礎設施云服務性能優(yōu)化機制研究從多虛擬機應用的性能需求、性能公平性需求、性能評估需求等方面入手,通過擴展應用鏡像格式和存儲方式、構(gòu)建應用公平性模型和用戶行為模型、增強虛擬機部署和調(diào)度效率等方法,從多角度深入論述了多虛擬機應用性能優(yōu)化的相關理論和關鍵技術。具體而言,主要提出了以下理論和方法:1.一種基于增量技術的應用快速部署和自動擴容機制:通過將“寫復制”的增量技術引入到虛擬機創(chuàng)建過程,消除了虛擬機與鏡像拷貝間的緊耦合關系。通過共享鏡像的方法大幅減少了多臺虛擬機并行創(chuàng)建時的數(shù)據(jù)傳輸量,有效提高多虛擬機應用的創(chuàng)建效率。引入一種自動化擴容方法,采用對用戶透明的擴容框架和靈活的擴容規(guī)則,有效提高了應用擴容的及時性和自動化程度。通過與傳統(tǒng)的應用部署方法和擴容策略進行比較,結(jié)果證實提出的優(yōu)化機制將虛擬機的部署時間縮減至低于5秒,將應用的寫性能提高了24%-38%,相對于其他機制將性能退化降低了13%-17%。2.一種基于區(qū)域存儲的應用鏡像組織管理機制:將數(shù)據(jù)緩存技術引入虛擬機鏡像,增加了鏡像格式的靈活性。進一步提出分層的鏡像存儲方法,最大限度地發(fā)揮了各層鏡像的功能和性能。提出了區(qū)域存儲機制來提高緩存利用效率,從而提高應用性能,并提出了服務器磁盤聚合的方法來更加高效和兼容的實現(xiàn)區(qū)域存儲。同時,提出了一種機制友好的應用虛擬機放置方法,顯著提高了區(qū)域存儲內(nèi)緩存數(shù)據(jù)的命中率。通過與傳統(tǒng)的應用鏡像組織管理方法進行比較,結(jié)果表明,所提出的機制在一般情況下將應用性能提高了100%,并在采用機制友好的虛擬機部署策略時將應用性能提高了10倍以上。同時,機制的可擴展性和可用性也在多種情景下得到了驗證。3.一種基于虛擬機調(diào)度的應用性能公平性保障機制:通過對傳統(tǒng)帶寬公平保障機制的分析,構(gòu)建了面向響應時間的性能指標,構(gòu)建了應用性能公平性模型。考慮多虛擬機應用的事務復雜性,提出了面向事務的公平性保障方法,避免了傳統(tǒng)面向組件方法難以有效用于多虛擬機應用的問題。基于公平性模型,提出了一種通過虛擬機調(diào)度保障應用性能公平的方法。該方法聚合應用虛擬機,并改善虛擬機的放置位置,以最大程度提高公平性指標。實驗結(jié)果表明,基于虛擬機調(diào)度的應用性能公平性保障機制將應用性能公平性程度提高了26.5%-52.8%,同時避免了應用性能的下滑。4.一種基于用戶行為模型的應用性能自動化評估機制:通過對傳統(tǒng)用戶行為模型的重構(gòu),形成了一種考慮事務特征的用戶行為模型。基于該重構(gòu)策略,給出了模型自動化轉(zhuǎn)化方法,能夠及時高效得到改進的用戶行為模型。同時,根據(jù)基礎設施云架構(gòu)和應用架構(gòu)提出了一種自動化性能評估框架。該框架有效避免了由基礎設施云的高動態(tài)性和多虛擬機應用的高擴展性所導致的人工評測效率顯著下降的問題。通過與傳統(tǒng)性能評估方法比較,實驗結(jié)果表明,所提出的應用性能評估方法與基于傳統(tǒng)用戶行為模型的方法相比,將評估錯誤率降低了50%,并且實現(xiàn)了評估過程的自動化。上述機制和方法貫穿于多虛擬機應用性能優(yōu)化的各個方面。既包括對虛擬機結(jié)構(gòu)、部署策略、擴容機制的研究,又包括對應用性能公平模型、用戶行為模型的設計。這些研究結(jié)合真實云環(huán)境中的主流機制以及學術界公認的優(yōu)化機制進行了大量實驗驗證,結(jié)果證實所提出的機制和方法是可行的、高效的。
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自動擴容是維護應用運行時性能的一條重要途徑，以無人值守的方式自動為虛擬機數(shù)量以降低每臺虛擬機的平均工作負載。FAMA 基于用戶對應用的知自動擴容操作，不僅像 Amazon EC2 那樣允許用戶自定義告警策略和擴容策許用戶提交自定義監(jiān)控腳本與 FAMA 進行交互。這樣，，用戶能夠以一種更加活的方式對應用進行擴容。本節(jié)對 FAMA 提供的多虛擬機應用自動擴容機制說明，首先介紹自動擴容框架，接著描述基于擴容框架的自動擴容流程。1 應用擴容框架一個對應用透明且開放的擴容框架是實現(xiàn)應用自動化擴容的關鍵。FAMA 中動擴容框架如圖 2-6 所示，其主體部分運行于基礎設施云的管理節(jié)點，包括集器、擴容觸發(fā)器、擴容響應器，以及相關的擴容策略，擴容框架利用用戶息以及負載均衡器特性來完成對應用的自動擴容。處理策略告警策略

37(b) 啟動時間圖 2-9 虛擬機創(chuàng)建和啟動時間評估結(jié)果如圖 2-9 所示。從圖 2-9(a)可以看出，當僅創(chuàng)建一臺虛擬機時，所致在相同時間內(nèi)完成，大約為 230 秒。這是由于這些機制在第一次部署某種擬機時都需要從鏡像模板拷貝基礎鏡像，從而都經(jīng)歷了一次耗時的鏡像拷貝程。但是，從第二組實驗開始，不同機制間開始出現(xiàn)明顯差別。以第二組實同時創(chuàng)建 2 臺虛擬機，基于增量技術的部署機制仍然只消耗了大約 230 秒一臺虛擬機時幾乎相同，而其他機制則消耗了明顯更多的時間，拷貝式部署花費了 400 秒左右才完成此次部署，幾乎是上一組實驗時間開銷的兩倍。同時可以觀察到，基于分布式技術的部署機制所花費的時間位于增量式部署
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP302


本文編號：2588630