泛在智能環境下云操作系統資源分配自主策略研究

李燕　董倩　李紅娟　陳棟偉

摘 要：本文分析了目前的云操作系統在資源調度方面存在的問題，提出在泛在智能環境下，利用應用軟件的資源需求反推云系統軟件，并進行自主學習分配資源的策略。

關鍵詞：云操作系統;泛在環境;自主策略

自2006年正式提出“云計算”概念以來，由于其巨大的商業價值和對大量數據資源的傳輸處理使得云計算成為了企業不可缺少的重要底層支撐技術。

1 云操作系統資源調度運行現狀

為了支撐上層應用的柔性功能和性能，需要有一套基礎軟件系統將云監控、云分析、云自動化運維、安全以及云資源進行統一編排管理，這就是云操作系統。

當前使用的云操作系統普遍存在資源管控復雜度高;向下無法快速適應新硬件的基礎設施、向上無法高效承載新應用;云操作系統部件數目龐大，各部件之間緊耦合且層次混亂等問題。造成這些問題的根源，主要包括以下幾個方面：

（1）硬件資源粒度較大，且各應用軟件對資源的需求差異性很大，客觀造成了資源粒度與應用需求不匹配的情況，造成了資源的浪費和服務的延遲。

（2）數據量和任務量龐大，客戶對于信息處理效率卻要求很高，使得云平臺要在毫秒級范圍內調度超百萬個任務，在數十萬運行節點中快速找出任務最佳節點。目前的資源管理方式應對大規模任務量的能力相對不足。

（3）各應用的資源需求多樣，甚至某一應用對資源的需求也是動態的。而在資源分配過程中資源管理軟件的靈活度不夠，無法實現細粒度的資源供給。

目前已有的資源調度框架包括集中式、兩級式、共享狀態、完全分布式和混合式調度等，都只能部分解決以上問題，并且在資源管理軟件架構上沒有創新，使得資源利用率和服務質量沒有顯著改善、運維難度較大。[1]

2 泛在智能環境下云操作系統的新方向

云操作系統作為系統軟件改進和發展的核心是生態。根據當前軟件生態系統所呈現出的協作性、復雜性等的新特征，需要對系統軟件的生態進行全面評估。[2]基于應用軟件生態對系統軟件進行倒逼式推動發展，通過反推構造底層系統軟件。

面向泛在環境的自主元操作系統，為我們提供了新的研究思考方向。泛在環境是由網絡設施、硬件、軟件、信息資源和人有機組成的新一代的知識基礎設施。在此環境下形成的系統軟件可以稱之為人機物泛在系統軟件，它實現了了云、網、邊、端的元操作系統的融合，在生態牽引下為上層應用提供支撐環境。

由此我們可以提出在泛在環境下操作系統的智能化機理：

自主策略——具備感受環境、感知應用和推理判斷能力，根據外界條件的變化在一定范圍內自行修改資源管理策略。

自主結構——具備自學習、自強化、自我修復能力，基于柔性的操作系統結構，可以根據外界條件的變化改變自身結構，實現操作系統部件的靈活組裝與上下打通。

3 云操作系統資源分配自主策略實現方法

（1）首先將傳統的一體化體系結構解耦，形成松耦合的分層體系結構。將數據、配置、控制平面進行分離，各層級平面之間可編程，實現上下層控制。

（2）在數據平面對所有硬件資源標簽化，為各資源添加來自上層資源需求的狀態標簽。通過標簽實現細粒度資源劃分和分配，實現按需分配。

（3）在控制平面，構建應用案例策略庫。通過預先執行的任務，存儲若干個特征不同的應用案例及對應的資源需求信息集。如果有新應用到達，則在策略庫中進行檢索匹配，確定是否存在相同案例，如果已存在，則按照存儲的應用資源分配策略進行處理，不需更新策略庫;否則，在更新應用案例策略庫之前借助相應自主學習模型強化學習，使資源分配模塊可以隨環境配置的改變或應用需求的改變自主調整策略或自主產生新策略，如下圖。

由于運行在云端的應用數量非常龐大，逐個檢索匹配很難實現。為了方便的對這些數以萬計的應用進行特征提取，批量更新策略庫，可借助應用分類架構對云中的應用分類，實現同類應用聚集并提供相應的資源分配預測。[3]

通過應用分類以及應用案例策略庫中自學習功能的迭代，使各應用資源需求情況逐漸完善和精確。

（4）在配置平面中添加配置引擎和配置接口，實現上層應用策略庫中的資源需求信息與下層硬件資源標簽的設置和添加進行整合，從而實現上下打通，對資源進行管理。

4 總結

根據當前云操作系統中資源分配調度存在的問題。結合當下軟件生態，提出了一種泛在環境下的云操作系統自主學習管理資源調度策略。首先將體系結構分層，并在各層面分別為硬件資源設置資源標簽，為上層應用設置策略庫及自主學習策略，通過迭代式的自主學習，提高資源分配的靈活性和效率。

參考文獻：

[1]李樂樂.云計算下硬件資源度量方式及其任務調度策略研究[D].中國科學院大學（中國科學院深圳先進技術研究院），2019.

[2]董瑞志，李必信，王璐璐，李宏偉，陳海雷，Jack TAN.軟件生態系統研究綜述[J/OL].計算機學報，2019：1-24.

[3]熊輝，王川.云應用分類與基于預測的細粒度云資源提供[J].計算機應用，2013，33（06）：1534-1539.

作者簡介：李燕（1981-），女，漢族，河北石家莊人，碩士，講師，所在院校：石家莊學院，研究方向：云計算、數據庫、計算機應用。