面向云计算的数字图书馆虚拟资源管理机制和调度策略研究

马晓亭　高军　魏婷

〔摘 要〕资源管理是云计算环境下数字图书馆的核心问题。本文首先分析了云计算资源的特点与资源管理的主要功能，给出了云计算资源管理的工作流程。然后基于云计算虚拟化技术，提出了一种云计算环境下数字图书馆资源交付与调度策略。该策略可以有效减少资源空闲时间，能够保证虚拟资源有较高的可用性和利用率。

〔关键词〕云计算；数字图书馆；资源调度；资源分配

〔中图分类号〕G250.76 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1008－0821(2012)09－0025－04随着云计算技术的发展与成熟，云计算技术已成为数字图书馆运营和读者个性化阅读服务的支撑技术。云计算技术是一种新的IT资源管理、分配、使用模式，是将数字图书馆的云计算资源（主要为计算资源、存储资源、网络资源、基础设施资源、应用和服务等资源）虚拟化之后，划分为虚拟资源池的方式统一为用户动态分配，为读者提供以基础设施即服务(IAAS)、平台即服务(PAAS)、软件即服务(SAAS)3种服务模式为核心的用户服务。

云数字图书馆运营和读者服务活动中，云计算资源在地理位置上呈现分布式结构，具有设备异构性程度高，用户资源需求与管理动态性，以及资源管理与分配策略效率要求高的特点。如何加强云图书馆云计算架构的灵活性与可扩展性，提高云资源管理、调度系统的融合度，实现资源管理、调度、部署和配置的智能化与自动化，确保云虚拟化资源管理与调度安全、高效、可靠和经济，是提高云图书馆用户服务水平和市场竞争力的重要因素［1］。

1 图书馆云资源管理与调度平台的结构与系统功能设计需求云计算环境下，数字图书馆云计算资源具有分布地域广、基础设施结构多样性、资源管理与分配动态、云资源多用户共享和互操作性强的特点。云资源管理与调度的目的为屏蔽云物理基础设施资源的异构性和动态性，通过为用户提供统一的访问接口来对云资源实施统一的管理、共享、分配和优化服务，确保为读者提供安全、高效、经济、低碳的QoS(服务质量)服务。

1.1 资源管理与调度平台的结构

云图书馆资源管理与调度平台结构主要由云物理基础设施层、虚拟化管理层、云应用阅读服务管理层和工作负荷环境4个层面组成，如图1所示：

图1 云图书馆资源管理与调度平台结构

云物理基础设施主要由云阅读应用服务器、供电系统、云存储服务器、云计算服务器和相应的云数据中心网络平台系统组成，是云应用服务的物理基础设施平台。虚拟化管理层在云物理层基础上，利用虚拟化技术将云物理资源和云计算资源划分为资源池统一管理，为云应用阅读服务的开展提供相应的虚拟化资源管理与调度支持。云应用阅读服务为读者提供所需的云服务和阅读活动行为监测、管理，确保读者云阅读应用活动安全、高效、经济、满意。工作负荷层是云图书馆资源管理与调度平台的最高层，是云应用阅读服务管理与资源调度的最终服务对象，为读者云应用阅读活动提供安全、高效的二次应用开发环境和安全的网络环境，保证读者利用形式多样的阅读终端开展满意的云个性化阅读活动。

云资源调度系统结构的科学性、复杂性、可控性和工作效率，决定了云图书馆系统运营的安全性与有效性。在图书馆云计算资源的管理与调度中，应采用集中式与计算经济相结合的调度方法，所有的云计算资源由一个中央调度程序统一控制、调度。根据云数字图书馆工作效率最优化和读者核心云阅读服务满意度相结合的原则，在安全、经济的前提下，实现云资源管理与调度策略、步骤的高可靠与最优化［2］。

1.2 资源管理与调度的过程

数字图书馆云计算资源管理与调度平台的基本功能，是通过对所接受的读者云阅读服务资源请求进行分析、处理、计算后，根据读者云阅读活动资源需求量进行资源管理、分配、调度和优化。按照云资源用户请求与管理过程划分，可分为资源发现、资源分发、资源管理和资源调度4个步骤。

虚拟化资源发现是资源管理与调度的前提，通过对云虚拟化资源、已分配资源、用户已释放资源进行探测，准确掌握云虚拟化资源的数量、存在的位置、存在的状态和可管理程度。资源分发是根据图书馆云业务运营和读者阅读活动的开展需求，对用户和云阅读应用进行云资源安全、高效、可靠、经济的分配。资源管理是指将云计算资源通过虚拟化技术划分为资源池统一管理，以便于有效的管理、分配、回收和再分配。资源调度是指依据云虚拟化资源池资源存储特点、用户云阅读服务虚拟化资源需求、云系统运营效率状况、云图书馆运营高效与经济性需求，对资源进行统一的管理和调度。

云图书馆读者服务模式和用户需求是资源管理与调度平台功能设计的主导因素，资源管理的安全性、效率、可靠性、经济性是平台设计的指导依据。因此，只有加强云资源管理与调度平台的界面统一与功能融合，提高平台的用户友好性和可操作性，才能降低平台设计、生产、运营费用，提高平台的身份认证与管理、调度活动的安全水平，确保数字图书馆云计算资源管理与调度平台安全、高效、开放、易用［3］。

2 数字图书馆云虚拟化资源管理机制

云计算环境下，数字图书馆通过虚拟化技术将云计算资源（主要由计算资源、存储资源、网络资源、应用资源组成）划分为资源池方式统一管理、分配、调度、优化，较大幅度地提高了云计算环境下数字图书馆系统资源统一划分、综合管理、弹性分配、全面优化的能力。但是，对云系统资源的虚拟化划分、管理与灵活使用，并不是关系云图书馆高效运营的主要方面。而利用有效的资源管理与调试系统，通过采用高效的管理与调度策略来确保虚拟化资源管理与调度活动安全、高效、经济、便捷，才是提高云图书馆运营效率，保证读者云阅读活动满意度和降低云图书馆建设与运营、维护成本，确保低碳运营和具有较强市场竞争力的关键［4］。

2.1 云图书馆资源管理的步骤

通过虚拟化技术对云物理基础设施的异构性进行屏蔽和资源整合，在提高云资源管理效率的同时减少了虚拟化资源部署时间，降低了云资源使用与管理成本，使云资源可根据用户需求而自由、弹性、准确、快捷地分配，为读者云个性化阅读服务的开展提供资源供给服务。

云图书馆虚拟化资源管理可分为资源信息收集、资源信息更新、资源发现、资源调度、资源定位、状态监控几个部分。通过对资源池资源总量和正在使用的资源数量进行准确统计后，实施统一的管理、分配、调度。同时，依据资源分配与用户需求实际，及时更新云图书馆资源实际存在状态与比例，并利用资源发现机制和资源请求者的资源请求描述，找到合适的资源并返回该资源的唯一标识符。

当用户提出资源需求时，根据资源池实际和分配需求，并采用高效的资源管理策略按照用户资源使用时间、内容、数量、权限等进行分配。同时，可依据资源的属性描述获得相应资源的物理地址，实现资源分配、使用的物理设施定位，并对设备在资源请求、分配、使用、释放过程进行监控，确保资源管理过程安全、高效、可控、便捷。

2.2 依据读者云服务资源需求和设备分布特点实施调度图书馆读者云阅读服务，具有云资源分配、调度依据读者需求而周期变化的特点。当云图书馆进行多媒体阅读等热点服务时，读者群数量和不同云阅读活动模式对资源需求的不确定性，会造成云虚拟资源需求海量激增以及可供分配的云资源迅速减少，致使云资源管理、利用效率快速下降，读者云阅读满意度降低或者云服务停止。

首先应对云资源池资源总量和可供分配的资源进行统计。通过监测准确掌握云图书馆读者个性化服务资源需求的周期变化特点，并对突发热点云阅读活动的资源需求量进行预测，预先做好应对突发资源请求的分配策略和预留资源部署。

其次，应结合云图书馆数据中心基础设施设备、数据中心网络设备和用户设备拓扑结构特点、资源调度活动数据网络传输特点、调度活动高效性要求，执行不同的资源管理与调度策略。云数据中心虚拟化资源管理环境具有物理设备集中分布、拓扑结构复杂、易产生资源调度瓶颈、安全和经济要求高的特点。因此，云数据中心应采用集中式调度的方法，将云资源池可管理与分配的资源总量、不同功能子系统资源需求量、资源调度网络环境特点、云资源未来需求预测等信息集中存储在中心机上，进行统一的管理、分配、调度和优化。此外，移动性和可便携性是云阅读终端的发展方向，结构简单的阅读终端可通过网络获得云计算资源。因此，应结合云读者地域分布零散、单个用户云资源需求量少、单个组件失效对资源分配活动整体影响小、资源管理系统容错和可靠性高的特点，采取虚拟化资源的分布式管理和调度，确保用户资源调度的高效、安全、同步、快捷［5］。

2.3 结合云阅读服务业务特点进行资源调度

云计算环境下，数字图书馆的主要服务方式为在传统数字服务基础上，开设站内E-mail、图书馆视频会议、云用户管理服务系统、Web托管、云应用程序开发、视频托管、数字图书馆安全防范、公用的应用程序组件、基本的办公应用程序、批处理应用程序等个性化云应用服务。不同的服务方式具有不同的资源需求标准和要求，因此，要结合读者云应用服务特点和阅读服务需求，有效地进行云资源分配与调度。

读者云阅读服务活动开展过程中，图书馆视频会议、云用户管理服务系统、数字图书馆安全防范、视频托管等服务，具有云计算资源需求量大、资源分配适时性强、调度高效与快速、突发性调度需求事件发生概率高的特点。因此，对上述云应用服务应设置较高的资源分配权限，当所分配的资源数量影响服务活动开展和读者阅读满意度时，应优先将资源池资源进行分配，或者从其它适时性与资源分配级别低的应用上进行调度。其次，通常在18～23点之间，读者对站内E-mail、公用的应用程序组件、视频托管、Web托管等云服务资源需求量较大，而对图书馆视频会议、基本的办公应用程序、云应用程序开发等应用服务云资源需求量较小。因此，在此时段可将云资源从需求量较小的应用向需求量较大的应用迁移，等应用高峰期过后再迁移回来，保证云服务质量和云资源分配的安全与高效。第三，应在图书馆云数据中心和各备份中心之间实施云资源的统一管理和调度，当某一服务区域负载量过大时，确保能够从其它相临地域的备份中心进行云资源调度和迁移［6］。

2.4 确保云资源管理系统设计的易用性和安全性

图书馆云资源管理系统设计中，应在符合云计算标准规范的开发平台上进行设计，并为用户提供统一的管理接口和用户界面，可兼容主流虚拟化厂商的软、硬件设备，对异构性高的云资源具有较强的综合管理能力。此外，在云资源管理平台设计中，应采用以服务模式管理为对象的模块化设计方法，确保同一管理平台上不同功能的管理模块具有较强的兼容性和独立性。第三，为了方便管理员对云资源的适时管理，应采取基于Web的设计思路和B/S的管理架构，确保管理员能够通过网络以远程访问的方式安全、便捷地进入管理界面，进行云资源的管理、部署、迁移和维护。第四，在管理系统设计中，因重点突出云资源的自动、智能化管理和调度。确保云管理系统在较低的管理成本和人力资源成本投入前提下，能够安全、高效、准确、经济地进行资源管理和调度。

2.5 实现云资源管理、调度的监控与自动部署

首先，云图书馆资源管理、调度过程中，管理员应通过统一的管理平台界面实现对云数据中心物理设备、虚拟集群和云应用服务的监控，采集的数据由管理系统处理后在统一界面对各项参数进行显示，并依据管理员设置的阀值进行报警和自动设置。其次，可根据读者群数量和云资源需求变化情况，依据云管理员预先设置而实现管理平台对云资源的配置和调度。并根据读者云阅读服务安全性和物理设备安全隔离需求，将云计算、云存储资源调度迁移到特定的物理设备上，或者由读者按需自主进行云资源的配置。第三，当云数据中心部分服务器出现故障时，应通过云资源管理平台系统自动部署新的虚拟集群资源，由管理平台实现云资源的重新调度和负载迁移，确保读者云个性化阅读服务的不间断性。第四，应保证云资源管理与调度网络传输系统数据传输的安全与畅通，保证安全、高效、准确、及时地将调度控制数据传输至控制器［7］。

3 结束语

云计算环境下，数字图书馆为读者提供高性能计算、海量存储、多媒体数据传输、即时多模式阅读服务的同时，安全、经济、便捷、高性价比成为决定云图书馆发展和读者满意度的重要因素。

云图书馆建设、运营过程中，数字图书馆云计算资源是按照统一部署、集中管理、按需分配、分布使用的原则进行管理与调度，而云资源的租赁成本和使用效率是关系云图书馆投资收益率的关键因素，同时也是影响读者云阅读活动体验满意度的主要内容。因此，在虚拟化资源管理与调度中，应加强对云图书馆虚拟化资源管理机制和策略的研究，努力提高虚拟化资源管理与调度的自动化、智能化水平，保证云资源管理与调度活动安全、高效、经济、低碳、简单、可靠。同时，在保证云资源管理系统具有较高管理、运营效率的前提下，应不断降低云图书馆管理、运营和读者云阅读成本，确保云图书馆具有较强的市场竞争力和读者满意度［8］。

参考文献

［1］IBM虚拟化与云计算小组.虚拟化与云计算［Ｍ］.北京:电子工业出版社,2009：78-83.

［2］中国电信集团公司.中国电信(2010)141号云计算技术白皮书,2010:35-46．

［3］王春海.中小企业虚拟机解决方案大全［Ｍ］.北京:电子工业出版社,2010:47－71.

［4］陈全,邓倩妮.云计算及其关键技术［Ｊ］.计算机应用,2009,29(9):2562-2567.

［5］陈康,郑纬民.云计算:系统实例与研究现状［Ｊ］.软件学报,2009,20(5):1337-1348.

［6］程仕伟,潘郁.云计算环境下基于可信性的动态资源分配策略［Ｊ］.计算机工程,2011,11(37):45-48.

［7］张建勋,古志民,郑超.云计算研究进展综述［Ｊ］.计算机应用研究，2010(2)：429-433．

［8］刘炜．图书馆需要一朵怎样的“云”?［Ｊ］.大学图书馆学报，2009，(4):2-6.