云環(huán)境下基于QOS 分析的數(shù)字圖書館虛擬機(jī)部署策略研究*

陳 臣 李 強(qiáng)（蘭州商學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心）

1 前言

云計(jì)算環(huán)境下，數(shù)字圖書館云閱讀應(yīng)用服務(wù)的可持續(xù)性、穩(wěn)定性和滿足用戶QOS（Quality of Service）的能力，是云圖書館用戶服務(wù)有效性和市場競爭力評(píng)估的重要依據(jù)。

虛擬化技術(shù)是支撐云圖書館建設(shè)、運(yùn)營和服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬化技術(shù)通過對(duì)云資源和云服務(wù)進(jìn)行抽象、隔離和封裝，實(shí)現(xiàn)了云基礎(chǔ)設(shè)施物理資源的高效整合，提高了數(shù)字圖書館云資源的動(dòng)態(tài)分配、管理、調(diào)度和遷移效率。同時(shí)，虛擬化技術(shù)大幅度降低了云圖書館IT 運(yùn)營成本，是讀者云閱讀服務(wù)安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性的保證。虛擬機(jī)管理是保證虛擬化資源分配與云閱讀應(yīng)用服務(wù)有效性的關(guān)鍵，因此，應(yīng)加強(qiáng)虛擬機(jī)安全管理、資源分配、自動(dòng)部署和遷移活動(dòng)的有效性，保證讀者云閱讀活動(dòng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、滿意。

2 云圖書館虛擬機(jī)管理任務(wù)與需求

2.1 基于云閱讀QOS 的動(dòng)態(tài)資源管理需求

讀者云閱讀活動(dòng)具有持續(xù)、不間斷和云資源動(dòng)態(tài)分配的需求。因此，云圖書館在虛擬機(jī)管理與云資源分配過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮虛擬機(jī)應(yīng)用服務(wù)對(duì)讀者云閱讀活動(dòng)QOS 的保障能力和動(dòng)態(tài)資源需求，并結(jié)合不同階段虛擬機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)和云資源供給的不確定性，制定并執(zhí)行有效的負(fù)載監(jiān)控、資源預(yù)約、資源分配與使用效率監(jiān)控、QOS 服務(wù)質(zhì)量與成本評(píng)估策略，確保云圖書館動(dòng)態(tài)資源管理過程符合讀者云閱讀活動(dòng)QOS需求。

2.2 優(yōu)化虛擬機(jī)資源配置的需求

云計(jì)算環(huán)境下，數(shù)字圖書館對(duì)云基礎(chǔ)設(shè)施物理資源整合的效率、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可控性，是虛擬機(jī)集群安全、高效、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)營的前提。因此，在虛擬機(jī)資源配置過程中，既要保證云基礎(chǔ)設(shè)施物理資源的科學(xué)、高效整合，最大限度地保障服務(wù)器資源運(yùn)營經(jīng)濟(jì)、低碳。其次，又要避免云基礎(chǔ)設(shè)施物理資源的過度整合，避免云圖書館虛擬化資源可創(chuàng)建、管理、調(diào)度、遷移能力下降，不能夠滿足虛擬機(jī)集群讀者云閱讀服務(wù)活動(dòng)需求。第三，要求云圖書館在虛擬機(jī)資源配置過程中，應(yīng)根據(jù)虛擬機(jī)讀者云閱讀服務(wù)負(fù)載密度、虛擬化資源總量和虛擬機(jī)位置，確保虛擬機(jī)集群服務(wù)能力和資源使用效率的最優(yōu)化配置。

2.3 虛擬機(jī)遷移的靈活、有效性需求

云圖書館數(shù)據(jù)中心具有基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備異構(gòu)性強(qiáng)、管理難度大和服務(wù)負(fù)載不均衡的特點(diǎn)。因此，虛擬機(jī)遷移和資源管理透明、均衡、經(jīng)濟(jì)、低碳以及遷移過程安全、靈活、有效、可控，是云圖書館虛擬機(jī)集群具有較高服務(wù)能力的保障。

首先，云圖書館應(yīng)支持虛擬機(jī)集群系統(tǒng)可在數(shù)據(jù)中心全局系統(tǒng)進(jìn)行熱遷移，實(shí)現(xiàn)云資源、云服務(wù)在數(shù)據(jù)中心全局范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)度和負(fù)載均衡。其次，云圖書館監(jiān)控與管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)資源使用、云服務(wù)與遷移的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過反饋與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)遷移的自動(dòng)化控制。第三，通過對(duì)虛擬機(jī)遷移活動(dòng)設(shè)定激勵(lì)事件和遷移閾值，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)遷移過程的智能、自動(dòng)化部署。

2.4 防止虛擬機(jī)蔓延現(xiàn)象發(fā)生

圖書館讀者個(gè)性化云閱讀服務(wù)活動(dòng)具有任務(wù)量大、管理復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)和模式多樣性的特點(diǎn)，在虛擬機(jī)的創(chuàng)建、部署、管理和維護(hù)活動(dòng)具有突發(fā)性和不可預(yù)測性，容易導(dǎo)致虛擬機(jī)蔓延現(xiàn)象的發(fā)生。因此，云圖書館首先需加強(qiáng)對(duì)虛擬化架構(gòu)的管理，通過統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬化資源管理、虛擬機(jī)生命周期管理、虛擬機(jī)遷移策略管理、虛擬機(jī)運(yùn)行監(jiān)控等。其次，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)虛擬機(jī)申請(qǐng)和資源分配的管理。根據(jù)讀者云閱讀服務(wù)需求和服務(wù)過程生命周期發(fā)展規(guī)律，執(zhí)行虛擬機(jī)的創(chuàng)建、資源分配、運(yùn)營和刪除，避免虛擬機(jī)脫離管理員和系統(tǒng)控制。第三，虛擬機(jī)管理系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的服務(wù)進(jìn)程控制和資源調(diào)度、回收能力，在對(duì)虛擬機(jī)實(shí)施高效資源分配的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬化資源的高效發(fā)現(xiàn)、管理和回收。

2.5 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的虛擬化管理

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)是云圖書館系統(tǒng)管理和云服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d者。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的虛擬化管理效率，是決定能否消除云圖書館網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，提高讀者服務(wù)系統(tǒng)管理和運(yùn)營安全、有效性的關(guān)鍵。

云圖書館數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模龐大、安全傳輸要求高、可彈性擴(kuò)展和統(tǒng)一管理難度大的特點(diǎn)。因此，在云圖書館網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理中，首先要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持管理員有效利用虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化、動(dòng)態(tài)管理，在滿足數(shù)據(jù)傳輸需求的前提下保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備投資收益率最優(yōu)化。其次，為了保證云圖書館管理與服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸安全，應(yīng)通過對(duì)交換設(shè)備和傳輸信道的虛擬化邏輯管理，實(shí)現(xiàn)不同用戶間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、服務(wù)的安全隔離。第三，可依據(jù)數(shù)據(jù)中心交換機(jī)任務(wù)的內(nèi)容、數(shù)量、安全標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)對(duì)象，將一臺(tái)交換機(jī)虛擬為多臺(tái)交換設(shè)備同時(shí)為多個(gè)用戶和任務(wù)提供服務(wù)。此外，也可將多臺(tái)交換機(jī)虛擬為一臺(tái)虛擬交換設(shè)備，共同保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量較大的突發(fā)任務(wù)，確保網(wǎng)絡(luò)交換能力可在大的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

3 基于QOS 分析的云圖書館虛擬機(jī)部署策略

3.1 創(chuàng)建安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可控的虛擬機(jī)應(yīng)用與管理環(huán)境

創(chuàng)建安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可控的虛擬機(jī)應(yīng)用與管理環(huán)境，是提高虛擬機(jī)管理、應(yīng)用活動(dòng)安全性和效率的關(guān)鍵。首先，在云圖書館數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中，應(yīng)采購?fù)粡S商或符合同一行業(yè)協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)設(shè)施物理設(shè)備，努力降低數(shù)據(jù)中心各硬件設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)差異性，提高基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備整體兼容性。其次，應(yīng)消除云圖書館管理系統(tǒng)、云資源管理系統(tǒng)、讀者服務(wù)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)等軟件平臺(tái)與硬件設(shè)備之間的耦合性，確保系統(tǒng)軟件與硬件集群的快速部署和切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)云服務(wù)、虛擬化資源、用戶和服務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一高效管理。第三，依據(jù)云圖書館管理與用戶服務(wù)安全性要求，在不同的用戶、云應(yīng)用服務(wù)、工作負(fù)載和硬件設(shè)備之間實(shí)施有效隔離，保證云圖書館不同的管理活動(dòng)、服務(wù)內(nèi)容和硬件設(shè)備之間具有較強(qiáng)的安全性和獨(dú)立性。

3.2 執(zhí)行動(dòng)態(tài)、精細(xì)化的虛擬化資源調(diào)度與虛擬機(jī)部署策略

執(zhí)行動(dòng)態(tài)、精細(xì)化的虛擬化資源分配與虛擬機(jī)部署策略，是減少云圖書館虛擬機(jī)遷移、調(diào)度頻率和提高虛擬化資源部署效率的關(guān)鍵。

首先，云圖書館應(yīng)根據(jù)讀者云閱讀服務(wù)任務(wù)和內(nèi)容，對(duì)云閱讀服務(wù)負(fù)載指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測，依據(jù)云閱讀服務(wù)負(fù)載數(shù)量、周期變化規(guī)律、個(gè)性化服務(wù)質(zhì)量要求和可調(diào)度的云資源總量，堅(jiān)持提高云服務(wù)平臺(tái)穩(wěn)定性和有效降低虛擬機(jī)遷移、云資源調(diào)度頻率的原則，制定有效的虛擬機(jī)創(chuàng)建、部署、配置和管理方案。其次，虛擬化資源調(diào)度應(yīng)堅(jiān)持資源利用率、效率、公平性和用戶服務(wù)質(zhì)量四要素最優(yōu)化結(jié)合的原則，在保證云圖書館較高運(yùn)營效率的前提下（依據(jù)系統(tǒng)吞吐量、CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)等虛擬化資源利用率判定），滿足讀者個(gè)性化服務(wù)QOS 需求。第三，虛擬機(jī)部署結(jié)束后，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控虛擬機(jī)的運(yùn)營效率、負(fù)載狀況和資源使用量，并在虛擬機(jī)不停機(jī)情況下執(zhí)行動(dòng)態(tài)的虛擬機(jī)遷移、資源分配、任務(wù)調(diào)度和管理策略優(yōu)化，保證云圖書館具有較高的云服務(wù)能力和資源利用效率。

3.3 實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)與虛擬化資源的智能、精細(xì)化管理

不斷提高云系統(tǒng)資源的使用效率，是保證圖書館讀者云服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)能力的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)通過對(duì)虛擬機(jī)和虛擬化資源的智能、精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)運(yùn)營與云資源分配過程的安全、高效管理。

首先，虛擬機(jī)云資源分配與管理平臺(tái)應(yīng)具有自動(dòng)、智能、自適應(yīng)的管理能力，利用監(jiān)控器適時(shí)掌握虛擬機(jī)運(yùn)行狀況、云資源需求和系統(tǒng)資源使用效率。通過決策分析系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，制定出最優(yōu)的虛擬機(jī)創(chuàng)建、管理、調(diào)度和資源分配策略，然后由管理系統(tǒng)進(jìn)行策略實(shí)施和執(zhí)行。同時(shí)，當(dāng)監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)安全、管理效率和云服務(wù)質(zhì)量有較大安全威脅的操作、攻擊后，可進(jìn)行“提醒”和“告警”。其次，對(duì)虛擬機(jī)的調(diào)度、遷移和云資源分配，應(yīng)堅(jiān)持任務(wù)優(yōu)先、智能自動(dòng)化管理、審核追蹤和動(dòng)態(tài)資源分配的原則，在提高管理效率、安全性、可靠性和可控性的前提下，大幅度降低人力資源使用成本。第三，在虛擬機(jī)與虛擬化資源管理過程中，應(yīng)根據(jù)云服務(wù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、云資源租賃成本、用戶服務(wù)需求變化和數(shù)據(jù)中心服務(wù)能力實(shí)際，對(duì)虛擬機(jī)和云資源管理、運(yùn)營、調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化，保證實(shí)現(xiàn)云圖書館在服務(wù)質(zhì)量、運(yùn)營成本、社會(huì)效率和市場競爭力的最優(yōu)化結(jié)合。

3.4 保證虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移安全、科學(xué)、合理、高效

云計(jì)算環(huán)境下，虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移是有效均衡服務(wù)負(fù)載、實(shí)現(xiàn)故障機(jī)在線維護(hù)、提高服務(wù)可靠性、實(shí)現(xiàn)云資源優(yōu)化和能耗管理的重要途徑。

虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移過程中，首先應(yīng)提高虛擬機(jī)遷移的安全性和效率。通過減少虛擬機(jī)遷移次數(shù)和路徑，不斷降低遷移活動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、云計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)等資源的消耗量。同時(shí)，保證虛擬機(jī)遷移具有較高的效率和成功率，提高虛擬化系統(tǒng)的可管理和可維護(hù)性。其次，虛擬機(jī)遷移活動(dòng)應(yīng)保證云服務(wù)的連續(xù)性和完整性，不能以降低云圖書館安全性、運(yùn)營效率、服務(wù)能力和用戶滿意度為代價(jià)。此外，在虛擬機(jī)遷移過程中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)云圖書館物理服務(wù)器維護(hù)、用戶和服務(wù)數(shù)據(jù)管理、物理和虛擬設(shè)備配置、系統(tǒng)管理與運(yùn)營監(jiān)控、安全事件的跟蹤和警告、運(yùn)營與服務(wù)日志管理等操作。第三，在堅(jiān)持安全和高效的前提下，應(yīng)選擇讀者訪問群數(shù)量少、任務(wù)負(fù)載輕、云資源需求低和系統(tǒng)運(yùn)營穩(wěn)定的時(shí)機(jī)實(shí)施遷移，并保證遷移過程安全、穩(wěn)定、低碳和動(dòng)態(tài)可伸縮。

3.5 加強(qiáng)虛擬機(jī)管理平臺(tái)的功能建設(shè)

加強(qiáng)虛擬機(jī)管理平臺(tái)功能建設(shè)，是提高虛擬機(jī)管理效率和智能、自動(dòng)化水平的前提。首先，虛擬機(jī)管理平臺(tái)在設(shè)計(jì)中應(yīng)具備虛擬機(jī)彈性擴(kuò)展與動(dòng)態(tài)分配的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備常用功能管理、提供開放的分區(qū)管理操作API、為虛擬集群提供相關(guān)服務(wù)和軟件自動(dòng)部署、和異構(gòu)虛擬機(jī)平臺(tái)的快速融合與兼容、虛擬機(jī)能耗管理、虛擬機(jī)自動(dòng)調(diào)度與遷移管理等。其次，管理平臺(tái)建設(shè)應(yīng)符合虛擬機(jī)生命周期發(fā)展規(guī)律，管理過程應(yīng)涵蓋虛擬機(jī)創(chuàng)建、操作系統(tǒng)安裝和應(yīng)用軟件集成、物理機(jī)維護(hù)、虛擬機(jī)運(yùn)行效率與安全管理、虛擬機(jī)備份與恢復(fù)、虛擬機(jī)刪除等過程。第三，管理平臺(tái)應(yīng)具備良好的虛擬機(jī)安全管理功能。虛擬機(jī)安全管理平臺(tái)應(yīng)包括用戶虛擬權(quán)限授權(quán)與使用管理、虛擬防火墻安裝與管理、虛擬化應(yīng)用安全區(qū)域劃分與管理、虛擬機(jī)應(yīng)用安全管理、安全日志和事件管理等內(nèi)容，保障虛擬機(jī)創(chuàng)建、配置、管理和運(yùn)行過程安全與高效。

4 結(jié)語

云計(jì)算環(huán)境下，虛擬機(jī)管理是一個(gè)關(guān)系云圖書館用戶服務(wù)能力、云資源使用效率、建設(shè)與運(yùn)營投資成本收益率、云圖書館市場競爭力和未來可持續(xù)發(fā)展的重要問題。因此，云圖書館應(yīng)從讀者云閱讀服務(wù)需求和用戶服務(wù)質(zhì)量保障出發(fā)，加強(qiáng)虛擬化環(huán)境和云資源的可用性分析，不斷提高虛擬機(jī)創(chuàng)建、管理、資源分配和運(yùn)行的安全性、有效性、經(jīng)濟(jì)性和可控性。同時(shí)，必須大幅度降低虛擬機(jī)管理、運(yùn)營的成本投入與能源消耗，在滿足讀者云個(gè)性化閱讀需求的前提下，保證云圖書館具有較高的市場競爭力和未來可持續(xù)發(fā)展。

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