泛在智能环境下云操作系统资源分配自主策略研究

李燕　董倩　李红娟　陈栋伟

摘 要：本文分析了目前的云操作系统在资源调度方面存在的问题，提出在泛在智能环境下，利用应用软件的资源需求反推云系统软件，并进行自主学习分配资源的策略。

关键词：云操作系统;泛在环境;自主策略

自2006年正式提出“云计算”概念以来，由于其巨大的商业价值和对大量数据资源的传输处理使得云计算成为了企业不可缺少的重要底层支撑技术。

1 云操作系统资源调度运行现状

为了支撑上层应用的柔性功能和性能，需要有一套基础软件系统将云监控、云分析、云自动化运维、安全以及云资源进行统一编排管理，这就是云操作系统。

当前使用的云操作系统普遍存在资源管控复杂度高;向下无法快速适应新硬件的基础设施、向上无法高效承载新应用;云操作系统部件数目龐大，各部件之间紧耦合且层次混乱等问题。造成这些问题的根源，主要包括以下几个方面：

（1）硬件资源粒度较大，且各应用软件对资源的需求差异性很大，客观造成了资源粒度与应用需求不匹配的情况，造成了资源的浪费和服务的延迟。

（2）数据量和任务量庞大，客户对于信息处理效率却要求很高，使得云平台要在毫秒级范围内调度超百万个任务，在数十万运行节点中快速找出任务最佳节点。目前的资源管理方式应对大规模任务量的能力相对不足。

（3）各应用的资源需求多样，甚至某一应用对资源的需求也是动态的。而在资源分配过程中资源管理软件的灵活度不够，无法实现细粒度的资源供给。

目前已有的资源调度框架包括集中式、两级式、共享状态、完全分布式和混合式调度等，都只能部分解决以上问题，并且在资源管理软件架构上没有创新，使得资源利用率和服务质量没有显著改善、运维难度较大。[1]

2 泛在智能环境下云操作系统的新方向

云操作系统作为系统软件改进和发展的核心是生态。根据当前软件生态系统所呈现出的协作性、复杂性等的新特征，需要对系统软件的生态进行全面评估。[2]基于应用软件生态对系统软件进行倒逼式推动发展，通过反推构造底层系统软件。

面向泛在环境的自主元操作系统，为我们提供了新的研究思考方向。泛在环境是由网络设施、硬件、软件、信息资源和人有机组成的新一代的知识基础设施。在此环境下形成的系统软件可以称之为人机物泛在系统软件，它实现了了云、网、边、端的元操作系统的融合，在生态牵引下为上层应用提供支撑环境。

由此我们可以提出在泛在环境下操作系统的智能化机理：

自主策略——具备感受环境、感知应用和推理判断能力，根据外界条件的变化在一定范围内自行修改资源管理策略。

自主结构——具备自学习、自强化、自我修复能力，基于柔性的操作系统结构，可以根据外界条件的变化改变自身结构，实现操作系统部件的灵活组装与上下打通。

3 云操作系统资源分配自主策略实现方法

（1）首先将传统的一体化体系结构解耦，形成松耦合的分层体系结构。将数据、配置、控制平面进行分离，各层级平面之间可编程，实现上下层控制。

（2）在数据平面对所有硬件资源标签化，为各资源添加来自上层资源需求的状态标签。通过标签实现细粒度资源划分和分配，实现按需分配。

（3）在控制平面，构建应用案例策略库。通过预先执行的任务，存储若干个特征不同的应用案例及对应的资源需求信息集。如果有新应用到达，则在策略库中进行检索匹配，确定是否存在相同案例，如果已存在，则按照存储的应用资源分配策略进行处理，不需更新策略库;否则，在更新应用案例策略库之前借助相应自主学习模型强化学习，使资源分配模块可以随环境配置的改变或应用需求的改变自主调整策略或自主产生新策略，如下图。

由于运行在云端的应用数量非常庞大，逐个检索匹配很难实现。为了方便的对这些数以万计的应用进行特征提取，批量更新策略库，可借助应用分类架构对云中的应用分类，实现同类应用聚集并提供相应的资源分配预测。[3]

通过应用分类以及应用案例策略库中自学习功能的迭代，使各应用资源需求情况逐渐完善和精确。

（4）在配置平面中添加配置引擎和配置接口，实现上层应用策略库中的资源需求信息与下层硬件资源标签的设置和添加进行整合，从而实现上下打通，对资源进行管理。

4 总结

根据当前云操作系统中资源分配调度存在的问题。结合当下软件生态，提出了一种泛在环境下的云操作系统自主学习管理资源调度策略。首先将体系结构分层，并在各层面分别为硬件资源设置资源标签，为上层应用设置策略库及自主学习策略，通过迭代式的自主学习，提高资源分配的灵活性和效率。

参考文献：

[1]李乐乐.云计算下硬件资源度量方式及其任务调度策略研究[D].中国科学院大学（中国科学院深圳先进技术研究院），2019.

[2]董瑞志，李必信，王璐璐，李宏伟，陈海雷，Jack TAN.软件生态系统研究综述[J/OL].计算机学报，2019：1-24.

[3]熊辉，王川.云应用分类与基于预测的细粒度云资源提供[J].计算机应用，2013，33（06）：1534-1539.

作者简介：李燕（1981-），女，汉族，河北石家庄人，硕士，讲师，所在院校：石家庄学院，研究方向：云计算、数据库、计算机应用。