移動(dòng)云計(jì)算中一種基于魯棒優(yōu)化的聯(lián)合資源預(yù)留配置算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及云計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，尤其是移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境中的資源預(yù)留和配置方法。 特別設(shè)及移動(dòng)用戶對(duì)接入端無(wú)線資源和云端虛擬資源分配的整體服務(wù)滿意度，W及用戶需 求不確定情況下聯(lián)合資源預(yù)留配置的魯棒優(yōu)化模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動(dòng)云計(jì)算是云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相融合的產(chǎn)物，是近年來(lái)快速發(fā)展的一種新型 應(yīng)用模式。移動(dòng)云計(jì)算使人們可W隨時(shí)使用各種移動(dòng)設(shè)備來(lái)方便快捷地獲取云計(jì)算提供的 按需服務(wù)，使云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)得W全面體現(xiàn)，同時(shí)大大增強(qiáng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效傳輸和 處理能力，降低了移動(dòng)終端的能量消耗。移動(dòng)云計(jì)算資源配置是指云服務(wù)提供商將有用資 源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分配給用戶W運(yùn)行移動(dòng)應(yīng)用的過(guò)程，主要包括數(shù)據(jù)處理所需的云端虛擬資源和 移動(dòng)終端接入網(wǎng)絡(luò)所需的無(wú)線資源。資源配置一方面要滿足移動(dòng)用戶的資源需求，另一方 面要盡可能提高資源的有效利用率，因此，云服務(wù)提供商的資源配置問(wèn)題是關(guān)系到移動(dòng)云 業(yè)務(wù)是否能成功完成、云資源能否有效利用及運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0003]目前比較經(jīng)典的資源配置方法主要是資源按需配置和資源預(yù)留配置兩種方案。資 源按需配置（參見文獻(xiàn)：Ying S.,化zhong S.,and Weisong S.,A Two-Tiered On-Demand Resource Allocation Mechanism for VM-Based Data Centers. IEEE Transactions on Services Computing,6(1), 2013:116-129)是指云服務(wù)提供商通過(guò)虛擬化技術(shù)，實(shí)時(shí)且動(dòng) 態(tài)的為用戶調(diào)度所需的各種資源，W隨時(shí)滿足用戶的波動(dòng)需求。資源預(yù)留配置(參見文獻(xiàn)： Chaisiri,S.,Lee.B.-S.,and Niyato.D.Robust Cloud Resource Provisioning for Cloud Computing Environments. IEEE International Conference on Service-Oriented Computing and A卵lications(SOCA),2010:1-8)是指云服務(wù)提供商W較低的定 期價(jià)格提前一段時(shí)間預(yù)留資源，當(dāng)應(yīng)用請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，優(yōu)先利用預(yù)留資源滿足用戶需求，此時(shí) 的資源利用成本低于按需資源配置方案的直接利用成本，從而有效減少云服務(wù)提供商的整 體資源配置成本，提升用戶的服務(wù)質(zhì)量。在資源預(yù)留配置方案中，用戶需求的無(wú)法預(yù)知和不 確定性會(huì)造成資源預(yù)留量過(guò)少或過(guò)多，預(yù)留資源過(guò)少可能無(wú)法滿足用戶的應(yīng)用需求，承擔(dān) 較高的過(guò)需資源調(diào)度成本，反之會(huì)造成資源的浪費(fèi)。
[0004]W往資源預(yù)留配置方面的研究在建立模型時(shí)大多假設(shè)已知用戶需求或其概率分 布信息，而實(shí)際應(yīng)用最壞情況下即未知用戶需求概率信息下的資源配置問(wèn)題研究較少。魯 棒優(yōu)化（參見文南犬：D.Bertsimas and Μ. Sim, "The price of robustness" ,Operations Research，2004,52(l) :35-53)是研究不確定優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)重要分支，對(duì)不確定環(huán)境下可 能發(fā)生的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采取一定的防范措施，使優(yōu)化方案具有一定的抗干擾性，即魯棒 性。魯棒優(yōu)化下不確定性參數(shù)的概率分布函數(shù)是未知的，用區(qū)間、楠球集等描述不確定參數(shù) 的變動(dòng)范圍，主要圍繞優(yōu)化方案的可行性與最優(yōu)性，找到近似最優(yōu)解，使其對(duì)一定范圍內(nèi)任 意的不確定性參數(shù)的觀測(cè)值都不敏感。因此魯棒優(yōu)化方法可W有效提高不確定需求下資源 預(yù)留配置的效率。同時(shí)，移動(dòng)云計(jì)算資源配置與傳統(tǒng)的云計(jì)算資源配置的最大區(qū)別在于前 者需要同時(shí)考慮移動(dòng)終端接入網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源（如頻譜帶寬等)和云端數(shù)據(jù)中屯、的虛擬資 源(如CPU計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源等），移動(dòng)用戶所分配的無(wú)線資源量和虛擬計(jì)算資源量同時(shí)影 響用戶的整體服務(wù)滿意度，上述現(xiàn)有技術(shù)的資源預(yù)留配置往往忽略了無(wú)線資源和虛擬資源 對(duì)移動(dòng)應(yīng)用的雙重影響，大多只單獨(dú)關(guān)注一方面的配置問(wèn)題，很少將二者聯(lián)合起來(lái)考慮。因 此有必要研究移動(dòng)云計(jì)算中聯(lián)合資源預(yù)留配置問(wèn)題，從而有效提高資源利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)未充分考慮實(shí)際應(yīng)用中未知用戶需求具 體信息或概率分布信息，造成資源預(yù)留配置方案的不準(zhǔn)確，W及在移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境下，忽略 了無(wú)線資源和虛擬資源對(duì)移動(dòng)應(yīng)用的雙重影響，配置過(guò)多的無(wú)線資源不僅無(wú)法有效的提升 用戶的整體滿意度，還會(huì)造成無(wú)線資源的浪費(fèi)，反之亦然。為此，本發(fā)明提出一種基于魯棒 優(yōu)化理論的聯(lián)合資源配置算法，既能解決用戶需求不確定性帶來(lái)的影響，又能對(duì)無(wú)線資源 和云端虛擬資源進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信資源和虛擬計(jì)算資源的全局最優(yōu)配置。
[0006]本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是:在移動(dòng)云計(jì)算場(chǎng)景下分析無(wú)線通信資源和虛 擬計(jì)算資源對(duì)用戶業(yè)務(wù)滿意度的整體影響，建立兩種資源分配量之間的函數(shù)關(guān)系；進(jìn)而在 用戶需求具體信息未知的情況下，確定資源預(yù)留配置的魯棒優(yōu)化模型，并建立基于該預(yù)留 策略的聯(lián)合資源分配算法。具體為:一種移動(dòng)云計(jì)算環(huán)境下聯(lián)合資源預(yù)留配置方法，根據(jù)用 戶無(wú)線資源和云端虛擬資源滿意度之間的匹配關(guān)系，確定兩種資源配置量之間的匹配值； W運(yùn)營(yíng)成本最小化建立魯棒優(yōu)化模型，根據(jù)模型計(jì)算獲得全局最優(yōu)無(wú)線資源預(yù)留量式'《和 虛擬機(jī)資源預(yù)留量皆1，用戶請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，優(yōu)先W較低的價(jià)格利用預(yù)留量對(duì)用戶需求進(jìn)行虛 擬資源分配，并按照無(wú)線資源和虛擬資源分配量的匹配量進(jìn)行分配，（匹配量可由無(wú)線資源 和虛擬資源滿意度之間的匹配關(guān)系求解得到），在預(yù)留資源可用量不足時(shí)，W較高價(jià)格調(diào)度 未預(yù)留資源進(jìn)行補(bǔ)償。
[0007]所述資源滿意度之間的匹配關(guān)系為:獲得實(shí)際配置的無(wú)線資源量Xir和虛擬機(jī)資源 量Yipj，滿足等式
成立，其中，α和β分別表示用戶愿意為所獲 取的無(wú)線資源和虛擬資源的最大支付意愿參數(shù)，dbi和dvu分別表示用戶i對(duì)無(wú)線帶寬資源 需求和第j類虛擬機(jī)資源的需求，Xir和Yipj分別表示實(shí)際配置的無(wú)線資源量和虛擬機(jī)資源 量，在一定范圍內(nèi)分配的資源量越多，則滿意度越大。求解上式可得匹配關(guān)系成立成立時(shí)Xir 和Yipj的匹配值。
[0008]所述建立的魯棒優(yōu)化模型具體包括:根據(jù)公式
[0013]建立的聯(lián)合資源預(yù)留配置魯棒優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解云服務(wù)提供商的資源預(yù)留成 本、資源使用成本和過(guò)需時(shí)資源調(diào)度成本的最小值，獲取總配置成本最小時(shí)的無(wú)線資源預(yù) 留量巧"和虛擬機(jī)資源預(yù)留量皆其中，rER表示覆蓋該區(qū)域的基站集R中第r個(gè)基站，pep 表示為該區(qū)域提供服務(wù)的遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)中屯、集P中的第P個(gè)云數(shù)據(jù)中屯、，iEl表示該區(qū)域的移 動(dòng)應(yīng)用集I中的第i個(gè)移動(dòng)應(yīng)用請(qǐng)求，云數(shù)據(jù)中屯、W虛擬機(jī)資源的形式為用戶提供虛擬計(jì)算 資源，包含運(yùn)行應(yīng)用所需的CPU計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部帶寬資源等，且根據(jù)組成虛 擬機(jī)所需的各種資源數(shù)量的多少分為不同的類型，jej表示云端所提供的虛擬機(jī)資源類型 集J中第j類虛擬機(jī)資源。式W和C為云服務(wù)提供商聯(lián)盟在基站r處和云數(shù)據(jù)中屯、P處的無(wú)線 資源預(yù)留量和虛擬機(jī)資源預(yù)留量，丫irpj表示第i個(gè)移動(dòng)應(yīng)用經(jīng)基站r無(wú)線接入第P個(gè)云數(shù)據(jù) 中屯、分配第j類虛擬機(jī)資源，瑪和為分別表示第i個(gè)移動(dòng)應(yīng)用的無(wú)線資源需求的標(biāo)稱值及最 大波動(dòng)值，可由該應(yīng)用類型的歷史需求統(tǒng)計(jì)信息來(lái)預(yù)測(cè)得到，同理而和為,表示第i個(gè)移動(dòng)應(yīng) 用對(duì)第j類虛擬機(jī)資源需求的標(biāo)稱值和最大波動(dòng)值。則dbi和dvu表示移動(dòng)應(yīng)用的無(wú)線資源 需求和虛擬資源需求的可能取值。、C"和C"'分別表示在基站r處的無(wú)線帶寬資源的單 位時(shí)間預(yù)留成本、單位預(yù)留資源利用成本和單位資源過(guò)需使用成本，巧cy和巧j分別為 云數(shù)據(jù)中屯、P處第j類虛擬機(jī)資源在資源預(yù)留、預(yù)留資源使用和過(guò)需時(shí)調(diào)度未預(yù)留資源的單 位成本?，?、χΓ和.，勢(shì)、鴻f代表實(shí)際分配給移動(dòng)應(yīng)用的無(wú)線資源和虛擬資源量系數(shù)。μ為 中間變量。目標(biāo)函數(shù)的目的在于求解出總配置成本最小時(shí)的無(wú)線資源預(yù)留量巧'1和虛擬機(jī) 資源預(yù)留量媒"。
[0014]所述模型計(jì)算進(jìn)一步包括:通過(guò)約束保護(hù)水平參數(shù)?？刂启敯魞?yōu)化模型中解的保 護(hù)程度，使得每個(gè)含用戶i對(duì)無(wú)線帶寬資源需求化1和第j類虛擬機(jī)資源需求dvu的約束條件 中至多有的個(gè)系數(shù)可W改變;并根據(jù)公式Xir=Xirdb和YipfyipWW將魯棒優(yōu)化模型的最 大擾動(dòng)線性化。構(gòu)建T=u，2, ···*，···，Τ}，其中Τ= 2Ι，設(shè)置約束條件，使得約束條件包含用 戶的無(wú)線資源需求和虛擬資源需求同時(shí)不確定的情況。
[0015]在移動(dòng)云計(jì)算中，移動(dòng)業(yè)務(wù)的整體服務(wù)質(zhì)量水平同時(shí)受無(wú)線通信狀況和虛擬計(jì)算 資源狀況的影響，利用移動(dòng)用戶對(duì)所獲取的無(wú)線資源和虛擬資源的服務(wù)滿意度之間的等價(jià) 關(guān)系，確定無(wú)線資源配置量和虛擬資源配置量之間的匹配關(guān)系；在用戶需求不確定且未知 概率分布信息的情況下，W云服務(wù)提供商的成本最小化為目標(biāo)，同時(shí)考慮無(wú)線資源和虛擬 資源配置的匹配關(guān)系，根據(jù)Bedsimas和Sim提出的帶有約束保護(hù)水平參數(shù)的魯棒優(yōu)化理 論，建立資源預(yù)留配置決策的魯棒優(yōu)化模型。求解魯棒優(yōu)化模型得云服務(wù)提供商對(duì)無(wú)線資 源和虛擬計(jì)算資源的預(yù)留決策，在基站處和云端公用資源池提前一段時(shí)間預(yù)留資源;請(qǐng)求 到來(lái)時(shí)，云資源管理者觀測(cè)當(dāng)前時(shí)刻可用