仮想化クラウドコンピューティングにおけるリソース管理戦略

仮想化テクノロジーはクラウド コンピューティング プラットフォームの基盤です。その目的は、物理的なコンピューティング リソースを統合または分割することです。提案されて以来広く使用され、クラウド コンピューティング管理プラットフォームにおける重要な技術レベルにもなりました。仮想化の実装レベルに応じて、完全仮想化技術と準仮想化技術に分けられます。両者の違いは、特定の命令を取得するために仮想オペレーティング システムが変更されるかどうかにあります。仮想化テクノロジーは、クラウド コンピューティング管理プラットフォームのリソース管理にリソース割り当ての柔軟性を提供するため、クラウド コンピューティング管理プラットフォームは、仮想化レイヤーを通じて物理リソースを統合または分割できます。

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仮想化テクノロジーに基づくクラウド コンピューティング管理プラットフォームのほとんどには、アプリケーション定義、サービス管理、クラスター管理、物理マシンと仮想マシンの管理などの機能があります。アプリケーション定義モジュールの機能は、クラウド コンピューティング管理プラットフォームのエンド ユーザーに必要なマシン タイプを定義することです。各マシン タイプを作成、変更、削除できます。マシンのグループはインスタンスと呼ばれます。クラウド管理プラットフォームのユーザーは、インスタンス全体を管理できるだけでなく、インスタンス内のマシンを個別に起動、シャットダウン、削除することもできます。サービス管理モジュールは、アカウント、ユーザー、テナントの管理、イベント サービスの管理、セキュリティ サービスの管理など、クラウド コンピューティング管理プラットフォーム内のすべてのサービスを管理します。クラスター管理モジュールは、地理的に分散したマシン上のすべての主要なアプリケーションとサービスのリソースを集中的に割り当てることができるため、単一の効果的な管理環境が提供され、総管理コストが削減されます。クラウド管理プラットフォームは、物理マシンと仮想マシンの両方を同時に管理でき、物理マシンの起動やシャットダウンなどの基本機能を提供します。仮想マシンの作成、運用、保守、移行など、ライフサイクル全体の管理を提供します。

1 クラウドコンピューティング管理プラットフォームのリソースモデル

クラウド コンピューティング プラットフォームを管理するには、まず管理操作の基礎となる管理目標を記述する必要があります。クラウド コンピューティング プラットフォームにはさまざまな種類のリソースがあります。 OVF や BPEL などのリソース モデリング形式はありますが、クラウド管理プラットフォームの管理を完全にサポートすることはできません。次に、この記事では、クラウド管理プラットフォーム内のさまざまなリソース タイプをモデル化し、クラウド コンピューティング管理プラットフォーム内のさまざまなリソースをモデル化するときに注意する必要があるパフォーマンス インジケーターについて説明します。

クラウド管理プラットフォームの主な機能はクラウド サービスです。クラウド サービスの呼び出しプロセスは、SOA 複合サービスの呼び出しプロセスに準拠しているため、クラウド サービスをモデル化する際に BPEL リソース モデリング形式を参考にすることができます。まず、クラウド サービスは細分化されています。直接サービスを提供するクラウド サービスは分割できない原子クラウド サービスであり、複合クラウド サービスは他のサービスを呼び出してクラウド サービス機能を完成させます。複合サービスには複数の呼び出しプロセスが存在する場合があります。複合サービス リソースの依存関係を計算する場合、異なる呼び出しプロセスが呼び出される確率を総合的に考慮し、すべての呼び出しプロセスによって発生するリソースの依存関係を重み付けして計算する必要があります。クラウド管理プラットフォーム上のクラウド サービスの品質を測定するために使用されるパフォーマンス指標には、主に応答時間、最大接続数、可用性などがあります。アトミック クラウド サービスであっても複合クラウド サービスであっても、測定に使用されるパフォーマンス指標は同じです。

仮想化されたコンピューティング リソースとストレージ リソースは互いに独立しており、仮想化されたネットワーク リソースを介して接続されます。仮想化されたコンピューティング リソースとストレージ リソースの両方が仮想化されたネットワークで構成されます。各仮想化ネットワークには、複数の仮想化コンピューティング リソースとストレージ リソースが含まれます。異なる仮想ネットワーク内の仮想化されたコンピューティング リソースとストレージ リソースは、互いに分離されています。同じ仮想ネットワーク内の通信は仮想ネットワークのリソースを占有しませんが、仮想ネットワーク内外の通信は仮想ネットワークの帯域幅を占有します。したがって、仮想ネットワーク リソースのパフォーマンス要件を検討する際には、仮想ネットワークの内部要因と外部要因の両方を総合的に考慮する必要があります。リソースの種類に関係なく、使用される物理リソース、パフォーマンス インジケーター、属する仮想ネットワークなど、いくつかの属性が含まれます。仮想化されたリソースには多くの種類があるため、普遍的なパフォーマンス指標を見つけることは不可能です。仮想化されたリソースの実際の動作に基づいて適切な指標を選択できます。たとえば、ストレージ リソースの場合、1 秒あたりの読み取りと書き込みの数、読み取りと書き込みの速度、信頼性 (バックアップ、回復メカニズムなど) などの指標があります。

物理リソースの種類は仮想リソースの種類と同じです。しかし、物理リソースは規模や属性などが固定されているため、仮想リソースのようにトポロジ構造を調整することが困難です。一般的に、物理リソースは主にサーバーに接続されたネットワークの形で提供されます。コンピューティング リソース サーバーは主に CPU とメモリを提供します。 RAID などのストレージ リソースはリソース アーキテクチャを拡張できますが、コンピューティング リソースを拡張することは困難です。物理リソースは、サーバーおよびネットワーク デバイスの 2 つのカテゴリに分けられます。サーバー内のコンピューティングやストレージなどの仮想化リソースは物理リソースを占有し、コンピューティングやストレージなどの仮想リソースに直接接続された仮想ネットワークもサーバー上のネットワーク帯域幅リソースを占有します。ネットワーク デバイスの場合、仮想ネットワークがリンクの両端にあるサーバー上の仮想ノードを接続すると、この接続によってこのネットワーク デバイス上のネットワーク帯域幅リソースも消費されます。物理コンピューティング リソースのパフォーマンス指標には、主に CPU の数、パフォーマンス、合計メモリ、メモリ使用量などが含まれます。物理ストレージ リソースのパフォーマンス指標には、主に総ストレージ容量、読み取りおよび書き込み速度などが含まれます。

2 リソース管理戦略

クラウド コンピューティング プラットフォームは、サービス要求を受信すると、管理サブシステムを通じて対応するリソースを割り当て、適切なパフォーマンス指標を備えたクラウド サービスを提供します。このプロセスでは、クラウド プラットフォーム内のリソース管理の目標には主に次の側面が含まれます。

リソーススケール管理。クラウド管理プラットフォームにおける最も基本的なリソース管理要件は、リソーススケール管理です。ここでのリソース スケール管理には、主にリソースのスケーリング、つまりリソー​​スの増減が含まれます。異なるレベルのリソースは個別に記録され、各レベルのリソースには対応するパフォーマンス指標があるため、リソースの無駄が削減されます。

仮想リソースと物理リソース間のバインド関係の管理。クラウド プラットフォーム内の仮想リソースと物理リソース間の結合関係は可変である必要があります。そうでないと、クラウド プラットフォームのリソース スケーリング機能が確実に一定の範囲内に制限されてしまいます。仮想リソースの移行によってパフォーマンスが低下する可能性があるため、適切なアルゴリズムを使用して仮想リソースと物理リソース間のバインド関係を再定義する必要があることに注意してください。

リソースのパフォーマンス。クラウド プラットフォームは、リソース管理機能を提供するだけでなく、特定のパフォーマンス指標を満たす必要もあります。クラウド管理プラットフォームは、異なる物理ノード間で仮想リソースをスケジュールできるため、仮想リソース サービスのパフォーマンスがある程度向上します。

リソースの使用率を向上します。主要機能の実現を基盤として、仮想リソースのパフォーマンスを向上させることがリソース管理の主な要件です。ノードのパフォーマンス使用率が低下すると、それに応じて相対的な電力消費量が増加します。ノードの使用率を高めることで、コンピューティング パフォーマンス単位あたりの電力消費を削減できます。したがって、物理リソース ノードの利用率を最大化することは、リソース管理プラットフォームの全体的な電力消費を削減する効果的な方法です。

リソースを管理する場合、クラウド管理プラットフォームには、集中割り当て、分散展開、負荷分散、および近接展開という 4 つのリソース管理戦略が主に存在します。すべての仮想リソースは、いくつかの物理リソースに展開できます。このリソース管理方法は、集中型展開と呼ばれます。集中型の展開により、全体的な物理リソースの使用率が向上する一方で、クラウド管理プラットフォーム内のシステム リソースの断片化が軽減されます。さらに、サーバーを動的に操作するという目的も達成できます。集中型デプロイメントとは対照的に、分散型デプロイメントでは、すべてのリソースを可能な限り多くのリソース ノードに分散します。目的は、物理ノードの障害により仮想リソースが利用できなくなることを防ぎ、クラウド管理プラットフォームの災害復旧性能を実現することです。集中型展開と分散型展開は、リソース管理方法の点では両極端です。負荷分散型リソース管理方式では、最も軽いワークロードを持つ複数の物理ノードに仮想リソースを展開することで、負荷分散の目的を達成し、クラウド管理プラットフォームのサービス パフォーマンスを向上させます。ローカル展開方式は、クラウド管理プラットフォームの伝送負荷を考慮し、最も近い物理ノードに仮想リソースを展開することで、クラウドコンピューティングプラットフォームのネットワーク伝送負荷を軽減し、仮想リソース間の通信遅延を削減します。リソース管理戦略に関係なく、リソース管理の目的はクラウド管理プラットフォームのパフォーマンスを向上させることです。管理戦略が異なれば、要素も異なります。リソースのエネルギー消費を考慮するものもあれば、リソースの負荷を考慮するものもあります。リソース管理戦略を選択する際には、実際の状況に基づいてさまざまな要素を考慮し、最も適切なリソース管理戦略を選択する必要があります。

3 経営戦略の実施

クラウド管理プラットフォームが管理する必要がある操作は、クラウド サービス管理、仮想リソース管理、物理リソース管理の 3 つの部分に分けられます。クラウド サービスの管理内容としては、一般的に「クラウド サービス インスタンスの初期化、テナント アプリケーションとクラウド サービスのバインド、テナント アプリケーションとクラウド サービスのバインド関係の解除、クラウド サービス インスタンスの削除など」が含まれます。クラウド サービス インスタンスを初期化するには、クラウド管理プラットフォームが、クラウド サービスに必要なコンピューティング リソースとストレージ リソース、オペレーティング環境などの情報を統合し、環境変数の設定など、クラウド サービスに関連する設定と構成を提供する必要があります。たとえば、クラウド サービスを仮想化コンピューティング リソース ノードに初期化する場合、クラウド管理プラットフォームは、まずテナントの要件を満たす仮想マシンを申請し、仮想マシンにエージェントをインストールして起動し、次にクラウド サービス アプリケーション ソフトウェアを仮想マシンのオペレーティング システムに転送し、最後に仮想マシンに必要なソフトウェアをインストールして対応する環境変数を設定します。事前に定義された仮想マシン イメージまたは ISO ファイルを使用すると、クラウド サービスの初期化プロセスが大幅に簡素化されます。バインディング操作は、テナント アプリケーション情報を、クラウド管理プラットフォームによって初期化されたクラウド サービス インスタンスに関連付けます。このプロセスでは、クラウド サービス インスタンスがバインドされたテナントのみで使用できるようにするために、クラウド サービス インスタンスが独自のセキュリティ認証キーを提供する必要があります。アンバインド操作はバインド操作の逆です。

クラウド管理プラットフォームによる物理リソースの管理には、主に 2 つの側面があります。 1 つ目は、障害が発生した物理ノードと物理ノードのリソース使用状況を監視することです。 2 つ目は、起動、シャットダウンなど、物理ノードの関連操作を管理することです。これらの操作は、物理ノード ホスト システムの管理インターフェイスを呼び出すことによって実装できます。また、物理ノード システムでスクリプトをトリガーすることによっても実装できます。クラウドは、プラットフォーム内の仮想リソースの管理、主に仮想マシンリソースの管理です。仮想マシンのさまざまな状態を考慮すると、仮想マシンのリソース管理は、仮想マシンを作成するリソース管理、仮想マシンを起動するリソース管理、仮想マシンを移行するリソース管理の 3 種類に分けられます。仮想マシンを作成する場合、実際に作成するのは仮想マシン ファイルのみです。仮想マシンに必要な CPU、メモリ、その他のリソースはまだ割り当てられていません。共有仮想マシンを作成する場合、クラウド管理プラットフォームはポーリング方式を使用してリソースを割り当てます。ポーリングは、仮想マシン サーバー グループからサーバーを選択して仮想マシンを作成します。仮想マシンを起動するときのリソース管理戦略の目的は、適切なサーバー上で仮想マシンを起動し、クラウド コンピューティング プラットフォームのリソース プール内のリソースの使用率を向上させることです。たとえば、シミュレーション実験を実行する多数のマシンの負荷がそれほど大きくない場合は、これらのマシンを 1 つのサーバーで起動して IT コストを節約できます。これらのマシンのワークロードが比較的大きい場合は、負荷分散を実現するために、できるだけ多くのサーバーに展開することができます。このようなリソース スケジューリング戦略は、さまざまなユーザーのリソース スケジューリングのニーズを満たすことができます。