Оренбургский государственный университет

Разработка и исследование эффективных алгоритмов и моделей оптимизации работы виртуальных ЦОД на базе гетерогенной облачной платформы с применением технологии программно-конфигурируемых сетей

Проект № 16-37-60086мол_а_дк

Руководитель — канд. техн. наук Парфёнов Д.И.

Основным направлением работы на втором этапе реализации настоящей НИР является синтез построенных математических моделей и разработка адаптивных алгоритмов, оптимизирующих использование вычислительных ресурсов виртуальных центров обработки данных (ЦОД) с целью повышения доступности высоконагруженных сервис-ориентированных приложений, расположенных в гетерогенных облачных платформах и обрабатывающих значительные массивы данных (BigData). Для достижения поставленных целей проведено исследование принципов функционирования и параметров работы крупных центров обработки данных в различных конфигурациях. На основе собранных данных проведена корректировка параметров моделей, полученных на первом году проекта: модель программно-управляемой инфраструктуры виртуального ЦОД, модель классификации потоков данных программно-управляемой инфраструктуры виртуального ЦОД, модель сервис-ориентированного приложения, модель облачного ресурса, модель программно-управляемого масштабируемого хранилища данных. Проведена проверка уточненных моделей на адекватность, а собранные при этом данные были использованы при разработке комплекса алгоритмических решений, направленного на планирование и организацию размещения основных объектов в программно-управляемой инфраструктуре виртуального ЦОД.

Одним из элементов, входящих в предлагаемый комплекс решений, является алгоритм классификации и построения правил маршрутизации потоков трафика. Предлагаемая в НИР реализация данного подхода позволяет группировать потоки трафика, циркулирующие внутри виртуального ЦОД в зависимости от типа приложений и структуры передаваемых данных. Для эффективной классификации потоков трафика используются методы интеллектуального анализа данных (Data Mining). Для решения задачи по планированию и оптимальному использования вычислительных ресурсов в рамках НИР предложено алгоритмическое решение, направленное на организацию размещения ключевых объектов в инфраструктуре виртуального ЦОД, учитывающее особенности и характер распределения потоков данных, генерируемых сервис-ориентированными приложениями в программно-конфигурируемой сети. Эффективность предлагаемого решения достигается за счет применения нейросетевого подхода. В результате работы предложенного алгоритма формируется карта оптимального расположения ключевых устройств, формирующих инфраструктуру виртуального ЦОД с привязкой к физическим устройствам.

Важным элементом программно-управляемой инфраструктуры является адаптивный алгоритм планирования размещения сервис-ориентированных приложений. Подход, применяемый к анализу данных системы мониторинга, позволяет определить оптимальный способ размещения с учетом входящего потока запросов пользователей, регулируя при этом число запущенных экземпляров приложений и сервисов. Ключевой особенностью предлагаемого решения является использование гибридного способа, позволяющего размещать набор контейнеров внутри виртуальной машины, обеспечивая тем самым компактное размещение всех требуемых приложению ресурсов. Кроме перечисленных алгоритмических решений в рамках настоящего НИР также решена задача планирования размещения и организации доступа к данным сервис-ориентированных приложений. Предлагаемый в НИР подход позволяет в процессе работы более эффективно обрабатывать запросы пользователей к наиболее востребованным данным, а проводимый статистический анализ потоков трафика сервис-ориентированных приложений позволяет распределять нагрузку между вычислительными узлами, отвечающими за хранение информации.

Для оценки эффективности перечисленных алгоритмических решений, применяемых для организации доступа к сервис-ориентированным приложениям, расположенным в программно-управляемой инфраструктуре виртуального ЦОД, в рамках НИР решена задача разработки универсальной системы количественных и качественных оценок и метрик. В основу предлагаемой системы положены базовые параметры, учитываемые при формировании Service Level Agreement (SLA). Такой подход позволил на начальном этапе стандартизировать метрики, применяемые для оценки эффективности существующих на рынке и предлагаемых в настоящем НИР решений.

Оценка построенных алгоритмов на втором этапе НИР проводилось с использованием симулятора программно-управляемой инфраструктуры виртуального ЦОД. Результаты экспериментальных исследований показали не только эффективность предлагаемых в рамках НИР решений, но и существенный рост производительности относительно традиционных алгоритмов, применяемых в протоколе OpenFlow. Так, разработанные алгоритмические решения позволяют сократить время отклика приложений и сервисов на 15–20 %.

За второй год реализации НИР в опубликовано 20 печатных работ включая 3 статьи в рецензируемых журналах, индексируемых в Web of Science, 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 8 статей в журналах и сборниках международных научных конференций индексируемых в Scopus, 6 статей в журналах и сборниках международных и всероссийских научных конференций, индексируемых в РИНЦ.