QoS约束下的网格资源协同分配方法研究

摘要

在大规模网格环境中，由于资源的分布性和异构性，上层应用通常需要联合多个虚拟组织中的大量资源来协同完成任务。因此，跨组织域的多资源协同分配一直是网格计算的一个基础研究课题，资源协同分配服务也成为各类网格系统的核心基础设施之一。随着网格系统逐步从科研领域走向更加广泛的商业领域，尤其是对用户QoS需求的日益重视，新兴的网格应用领域对资源协同分配服务提出了诸多约束性需求，如费用约束、实时性约束、可靠性约束、安全性约束等。因此，面向用户QoS需求的约束条件下资源协同分配策略研究成为网格计算中一个具有理论价值和实用意义的课题。
　　 约束条件下资源协同分配策略研究的难点集中体现在以下几个方面：(1)由于系统负载具有动态性和不可预测性的特点，导致已有协同分配策略无法完全保证用户OoS需求中的各类约束条件；(2)网格资源的分布性和自治性导致资源失效情况严重，系统难以为任务顺利执行提供相应的可靠性保证；(3)网格资源具有异构性的特点，缺少统一的尺度来量化描述异构资源的动态服务能力；(4)网格用户的QoS需求与网格系统性能之间的矛盾难以协调与平衡。
　　 针对上述难点问题，论文基于已有研究者对网格系统性能的测评分析与结论，采用数理统计方法来分析传统协同分配策略的性能瓶颈，运用随机服务理论描述网格资源的动态服务能力和负载压力，为异构资源建立了统一的可量化分析模型。论文针对用户QoS需求中的费用约束、实时性约束、可靠性约束下的资源协同分配问题分别提出相应的解决策略。论文的主要研究内容和创新如下：
　　 (1)基于松弛策略的资源协同预留机制
　　 针对传统预留策略在动态网格环境中的缺陷和性能瓶颈，提出了一种基于松弛策略的资源协同预留机制，用于解决传统预留策略对系统性能的负面影响。该策略基于“网格任务倾向于高估预留时间”的事实，允许在一定条件下接纳时间和空间上与已有预留请求有叠交的预留请求，并从理论上分析了松弛预留策略的系统收益与相应的违约风险。通过设定松弛预留策略模型中的关键参数，网格系统能有效地控制与平衡该策略的收益与风险。在关键参数的边界条件上，松弛预留策略与传统预留策略兼容，已有网格系统通过动态设定模型的参数，可以灵活地在传统预留策略与松弛预留策略之间切换，从而提高了松弛预留策略在实际网格系统中的可应用性。实验结果显示，松弛预留策略能有效提高网格资源利用率，同时降低预留请求拒绝率；在面对较高的预留请求率时，松弛预留策略也表现出较高的自适应性。
　　 (2)费用约束下的资源协同分配模型与策略
　　 针对典型计算经济模型和博弈模型在解决“费用约束下协同分配”问题时的效率和公平性难以协调的问题，提出了一种基于三方博弈的两阶段协同资源分配模型。该模型通过引入一类“虚拟资源中介”实体，将资源分配问题转化为由用户任务、虚拟资源中介、资源提供者三方组成的博弈过程。虚拟资源代理通过一个两阶段的分配机制来优化资源配置和价格方案，用于满足用户费用约束和提高系统资源收益。理论分析以效用函数为基础给出了三方博弈模型的有效性证明和求解算法，实验采用实际网格任务负载和典型网格测试床模型检验了该三方博弈模型的性能表现，并对模型中的关键参数进行了详尽的参数分析。实验结果显示，基于三方博弈的协同分配模型能高效地实现多资源协同分配时的资源定价机制，并在用户费用和资源收益之间实现较优的平衡；对于具有费用约束的网格任务，基于三方博弈的两阶段协同分配模型在资源收益、资源利用率、用户QoS满意度和任务执行效率方面的性能表现显著优于已有的资源分配模型。
　　 (3)实时性约束下的资源协同分配模型与策略
　　 针对网格环境中实时型网格任务QoS难以保证的问题，提出了一个实时保证度增强的多策略协同分配模型，用于满足上层应用对实时性的需求。通过引入一个“截止时间保证度”指标来衡量资源对任务实时性需求的满足程度，基于“截止时间保证度”的计算方法，并综合已有研究中所提出的各类协同分配策略，论文设计实现了一个具有可扩展能力的多策略协同分配模型。该多策略协同分配模型内部集成了各类不同的协同分配策略，在资源协同分配时，系统通过选择“截止时间保证度”最优的协同分配方案为用户任务提供服务，以此提高网格系统的实时性保证能力。实验结果显示，基于“截止时间保证度”的多策略协同分配模型能充分利用已有各类协同分配策略的特长，为不同类型的网格任务提供更优的实时性保证。
　　 (4)可靠性约束下的资源协同分配模型与策略
　　 针对经典的虚拟树型网格可靠性评估模型(VTGREM)无法感知系统动态负载的缺陷，提出了采用随机服务模型来建立网格资源的动态服务能力和负载压力模型的方法，为原有VTGREM模型增加了“动态负载感知”能力。为了支持实时网格任务的可靠性评估，论文引入了“截止时间违约失效”这一新的资源失效类型，并提出了一个扩展的VTGREM模型。该扩展模型克服了原有VTGREM模型中过于严苛的假设前提，扩展了VTGREM模型的适用领域。实验结果显示，扩展的VTGREM模型能有效提高网格任务执行过程中的可靠性，同时降低实时网格任务的截止时间违约率；在系统饱和负载状态下，该扩展模型能显著提高可靠性评估的准确性，其动态负载感知机制能有效降低任务的平均响应时间。