虚拟机资源分配的非合作博弈标价模型研究

论文摘要

由于虚拟化技术可以动态组织多种计算资源,隔离软件系统和硬件体系结构之间的紧密依赖关系,实现透明化的可伸缩计算系统架构,提高计算资源（如处理器、存储器）的使用效率,在桌面领域和服务器领域都得到了广泛的应用,如数据中心服务器聚合、存储虚拟化和云存储等。目前,虚拟化技术已经成为云计算、云存储平台及大规模数据中心的核心支撑技术。在虚拟化系统中,多个客户虚拟机（Virtual Machine, VM）并存并共享相同的硬件资源,能有效的提高系统资源使用率。然而,在实际应用中,不同种类的服务应用对资源需求的数量不同,尤其在高并发情况下,硬件资源往往在多个客户虚拟机之间竞争更为激烈,必须根据外部负载情况动态地为各客户虚拟机分配资源。如何有效合理的将虚拟资源分配给客户虚拟机是提高系统资源使用效率的关键,同时在高度竞争环境下可以提供差异化服务,保证系统服务质量。本文结合博弈理论知识,研究虚拟化资源管理策略。本文主要包括以下内容：（1）本文依据经济学理论基础,结合虚拟机管理资源特性,引入市场机制,引进基于非合作博弈标价模型。该模型把虚拟机资源视为商品,客户虚拟机视为商品购买者（博弈参与者）,各客户虚拟机只能通过出价购买方式获得资源,投标价格大小反映客户虚拟机对资源需求迫切程度。（2）根据非合作博弈标价理论,给出客户虚拟机的效益函数,给出了该函数的最优反应函数,并且证明了效益函数在零点无定义条件下该模型的纳什均衡点存在且唯一。根据这一模型形成客户虚拟报价机制。（3）利用最优反应函数,构造其Nikaido-Isoda函数,证明了它具有弱凸凹性,并在其弱凸凹条件下,进一步验证纳什均衡的松弛迭代算法收敛性,并利用该算法给出优化的资源分配方案。（4）为验证模型的有效性,基于TPC-W基准测试开源代码,构造本实验Web系统应用环境,包括在线售书系统、模拟用户请求的负载生成器、CPU利用率收集器和博弈控制器等。通过负载生成器生成实验负载和博弈控制器对虚拟机资源进行优化分配。同时本文还给出未采用优化的分配方案,进行对比试验。发现经过博弈后的资源利用率有明显提高,而博弈控制器所带来的开销也在用户可以接受的范围之内,论证了本模型的有效性和合理性。在多虚拟机环境下,资源高度竞争,基于博弈论的虚拟化资源分配,可以能有效的提高系统资利用率,确保资源分配公平性。在资源受限情况下,可以进行差异化分配,保证服务质量。同时,本文设计的非合作标价模型能应用于云计算环境中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 选题动机和主要工作
• 1.4 论文组织架构
• 第2章 相关工作
• 2.1 系统虚拟化
• 2.2 虚拟化系统性能评测
• 2.2.1 TPC-W简介
• 2.2.2 负载生成器
• 2.3 博弈论
• 第3章 基于非合作博弈标价模型
• 3.1 标价模型
• 3.1.1 模型概述
• 3.1.2 标价机制
• 3.1.3 效益函数
• 3.2 纳什均衡点证明
• 3.3 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于松弛迭代算法的资源分配策略
• 4.1 模型Nikaido-Isoda函数
• 4.2 松弛迭代与纳什均衡解
• 4.3 松弛迭代收敛性证明
• 4.4 实验验证
• 4.4.1 实验平台
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要