面向容器环境的Flink的任务调度优化研究

随着互联网技术的飞速发展,人类正在走向大数据时代与云计算时代。Flink作为最新一代的大数据计算引擎,具有低延迟、高吞吐等优势,受到学术界与工业界的青睐。Flink在云环境下部署时,其默认任务调度由于无法获取容器部署分布信息,会导致负载分配不均衡。针对这一问题,提出一种面向容器环境的Flink任务调度算法FSACE,获取每个结点性能信息与容器在结点上的分布信息,优先选择 空闲资源较多的结点的容器,同时可以避免容器被频繁选中造成负载不均。使用云主机与合成数据集对算法进行评测,评测结果表明,在容器环境下部署时,所提出的算法能更均衡地分配任务,可以提高资源使用率和计算速度。     

Storm环境下基于拓扑结构的任务调度策略

针对Storm流式计算平台中默认轮询调度策略存在通信开销大、负载不均衡的问题,提出基于拓扑结构的任务调度策略（TS²）。首先,选取CPU资源充足且可用的工作节点并各分配一个进程,消除节点内进程间通信开销,优化进程部署;然后,分析拓扑结构,找出拓扑中度最大的组件,优先分配该组件的线程;最后,在满足节点可承载最大线程数的条件下,尽可能将关联任务部署到同一个节点来减少节点间通信开销,改善集群负载均衡,优化线程部署。实验结果表明：在系统延迟方面,与Storm默认调度策略和离线调度策略相比,TS²的平均优化率分别为16.91%和5.69%,有效提高了系统的实时性;在节点间通信开销方面,TS²相比于Storm默认调度策略平均降低了15.75%;在平均吞吐量方面,TS²相比于Storm默认调度策略平均提升了14.21%。     

Heron环境下基于实例重分配的传输负载优化策略

作为新一代大数据流式计算框架,Heron忽略了任务实例之间不同通信方式的差异以及节点资源利用率不均衡的问题导致系统性能下降。针对这一问题,设计了节点资源限制模型、通信开销优化模型和实例数据流关系模型,并在此基础上提出了Heron环境下基于实例重分配的传输负载优化策略(transmission load optimization strategy based on instance reallocation in Heron,TLIR-Heron)。该策略包括节点资源限制算法和实例重分配算法,通过判定实例重分配条件并执行重分配算法将节点间数据流转换为节点内数据流,从而降低通信开销。实验结果表明,在三组拓扑测试下,TLIR-Heron相较于Heron默认调度策略能够降低节点间通信开销和系统的计算延迟,并提升了计算节点资源利用的均衡性。     

基于异构Flink集群的节点优先级调度策略

Flink流处理系统默认的任务调度策略在一定程度上忽略了集群异构和节点可用资源,导致集群整体负载不均衡。研究分布式节点的实时性能和集群作业环境,根据实际作业环境的异构分布情况,设计结合异构Flink集群的节点优先级调整方法,以基于Ganglia可扩展分布式集群资源监控系统的集群信息为依据,动态调整适应当前作业环境的节点优先级指数。基于此提出Flink节点动态自适应调度策略,通过实时监测节点的异构状况,并在任务执行过程中根据实时作业环境更新节点优先级指数,为系统任务找到最佳的执行节点完成任务分配。实验结果表明,相比于Flink默认的任务调度策略,基于节点优先级调整方法的自适应调度策略在WorldCount基准测试中的运行时间约平均减少6%,可使异构Flink集群在保持集群低延迟的同时,节点资源利用率和任务执行效率更高。     

基于Flink的任务调度策略

针对大数据流式计算平台拓扑中因各关键节点上任务间不同类型的通信方式导致的通信开销较大问题,提出一种Flink环境下的任务调度策略。通过各任务间数据流大小确定拓扑边权重,将有向无环图转化为拓扑关键路径模型,在保证关键路径上节点负载差异较小的同时,最小化关键任务的节点间通信开销。实验结果表明,该算法与Flink平台现有的任务调度策略相比,在WordCount和TwitterSentiment作业执行过程中计算平均时延降低了13.09%,有效提升了系统性能。     

基于禁忌搜索的流式计算平台负载均衡策略

针对大数据流式计算平台原生的调度机制存在计算负载分配不均衡、资源利用率低的问题,提出异构环境下基于禁忌搜索算法的负载均衡策略,并将其应用于Apache Flink平台。首先,通过构建作业拓扑模型将流式计算作业的拓扑结构抽象为有向无环图（directed acyclic graph,DAG）,并将每个任务槽（task slot）抽象为节点,为计算节点的性能评估奠定基础;其次,通过建立性能评估模型将有向无环图中带性能权值的节点导入性能评估模型,进行归一化处理得到节点性能的优劣;再将评估参数传入禁忌调度算法（tabu search for schedule,TBS）进行作业路径优化,从而得出最优作业路径;最后,使用Flink平台提供的CustomPatitionerWrapper接口将数据分配到最优作业路径包含的节点中,完成计算负载的均衡分配,从而提升Flink平台的整体性能。实验结果表明：通过禁忌调度算法优化后的负载均衡策略与原生的Flink平台相比,平均计算延迟降低了10~20 ms,资源利用率显著提高,平均吞吐量提升约15%,有效证明了负载均衡策略的有效性和优化效果。     

基于负载感知的数据流动态负载均衡策略

针对大数据流式计算平台中存在节点间负载不均衡、节点性能评估不全面的问题,提出基于负载感知算法的动态负载均衡策略,并将算法应用于Flink数据流计算平台中。首先通过有向无环图的深度优先搜索算法获取节点的计算延迟时间作为评估节点性能的依据,并制定负载均衡策略;然后基于数据分块管理策略实现流式数据的节点间负载迁移技术,通过反馈实现全局和局部的负载调优;最后通过实验评估时空代价论证算法的可行性,并讨论重要参数对算法执行效果的影响。经实验验证算法通过优化流式计算任务的负载分配提高了任务的执行效率,与采用Flink平台现有的负载均衡策略相比,任务执行时间平均缩短6.51%。     

大数据流式计算框架Heron环境下的流分类任务调度策略

新型大数据流式计算框架Apache Heron默认使用轮询调度算法进行任务调度，忽略了拓扑运行时状态以及任务实例间不同通信方式对系统性能的影响。针对这个问题，提出Heron环境下流分类任务调度策略（DSC-Heron），包括流分类算法、流簇分配算法和流分类调度算法。首先通过建立Heron作业模型明确任务实例间不同通信方式的通信开销差异；其次基于流分类模型，根据任务实例间实时数据流大小对数据流进行分类；最后将相互关联的高频数据流整体作为基本调度单元构建任务分配计划，在满足资源约束条件的同时尽可能多地将节点间通信转化为节点内通信以最小化系统通信开销。在包含9个节点的Heron集群环境下分别运行SentenceWordCount、WordCount和FileWordCount拓扑，结果表明DSC-Heron相对于Heron默认调度策略，在系统完成时延、节点间通信开销和系统吞吐量上分别平均优化了8.35%、7.07%和6.83%；在负载均衡性方面，工作节点的CPU占用率和内存占用率标准差分别平均下降了41.44%和41.23%。实验结果表明，DSC-Heron对测试拓扑的运行性能有一定的优化作用，其中对接近真实应用场景的FileWordCount拓扑优化效果最为显著。     

基于云模式的负载均衡策略研究

为了解决高性能计算环境下的“资源饥饿”问题，介绍了若干负载均衡策略，配合原有的轮询算法并对其进行改进．提出了一种基于动态反馈的负载均衡策略。在云环境各个节点性能不一、提供的网络服务所访问的资源多样化的情况下，基于反馈机制的负载均衡能起到显著效果.     

Storm环境下基于权重的任务调度算法

大数据流式计算平台Apache Storm默认采用轮询的方式进行任务调度,未考虑到拓扑中各任务计算开销的差异以及任务之间不同类型的通信模式,在负载均衡和通信开销方面存在较大的优化空间。针对这一问题,提出一种Storm环境下基于权重的任务调度算法（TSAW-Storm）。该算法首先根据各任务的CPU资源占用情况以及任务间的数据流大小,分别确定拓扑的点权和边权;并利用最大化边权增益的思想,逐步构建起各工作节点中承载的任务集合,在保证集群负载均衡的同时,尽可能将边权较大的节点间数据流转化为节点内数据流,从而降低网络传输开销。实验结果表明,在包含有8个工作节点的WordCount基准测试中,TSAW-Storm的系统延迟和节点间数据流大小相比Storm默认调度算法分别降低了30.0%和32.9%,且各工作节点的CPU负载标准差仅为Storm默认调度算法的25.8%;此外,在与在线调度算法的对比实验中,TSAW-Storm在系统延迟、节点间数据流大小和CPU负载标准差方面分别降低了7.76%、11.8%和5.93%,且算法的执行开销明显降低,有效提高了Storm系统的运行效率。     

面向Flink的负载均衡任务调度算法的研究与实现

Apache Flink是现在主流的大数据分布式计算引擎之一,其中任务调度问题是分布式计算系统中的关键问题。由于集群的异构性以及不同算子复杂度不同,大数据计算系统Flink中不可避免地会出现负载不均的情况,针对这种问题,提出了基于资源反馈的负载均衡任务调度算法RFTS。通过实时资源监控、区域划分和基于人工萤火虫优化的任务调度算法3个模块,把负载过重的机器中处于等待状态的任务分配给负载较轻的机器,来实现集群的负载均衡,提高系统集群利用率和执行效率。最后通过基于TPC-C和TPC-H数据集的实验结果表明,RFTS算法从执行时间和吞吐量2个方面有效提升了Apache Flink计算系统的性能。     

High-performance docker integration scheme based on OpenStack

As an emerging technology in cloud computing Docker is becoming increasingly popular due to its high speed high efficiency and portability. The integration of Docker with OpenStack has been a hot topic in research and industrial areas e.g. as an emulation platform for evaluating cyberspace security technologies. This paper introduces a high-performance Docker integration scheme based on OpenStack that implements a container management service called Yun. Yun interacts with OpenStack’s services and manages the lifecycle of the container through the Docker Engine to integrate OpenStack and Docker. Yun improves the container deployment and throughput as well as the system performance by optimizing the message transmission architecture between internal components the underlying network data transmission architecture between containers and the scheduling methods. Based on the Docker Engine API Yun provides users with interfaces for CPU memory and disk resource limits to satisfy precise resource limits. Regarding scheduling Yun introduces a new NUMA-aware and resource-utilization-aware scheduling model to improve the performance of containers under resource competition and to balance the load of computing resources. Simultaneously Yun decouples from OpenStack versions by isolating its own running environment from the running environment of OpenStack to achieve better compatibility. Experiments show that compared to traditional methods Yun not only achieves the integration of OpenStack and Docker but also exhibits high performance in terms of deployment efficiency container throughput and the container’s system while also achieving load balancing.

     

云计算中负载优化模型及算法研究

云计算环境的动态性和异构性,使得云计算很容易出现负载失衡现象,严重影响了云计算的整体性能和用户体验.论文提出了基于改进遗传算法的负载均衡优化模型,兼顾资源需求动态变化和虚拟机的计算能力,建立相应的资源调度模型,运用改进遗传算法实现资源负载均衡.验证表明,该算法能很好满足云环境下数据中心的使用要求,提高资源利用率和负载均衡度.     

云计算环境下资源调度系统设计与实现

在云计算环境下,对开放的网络大数据库信息系统中的数据进行优化调度,提高数据资源的利用效率和配置优化能力;传统的资源调度算法采用资源信息的自相关匹配方法进行资源调度,当数据传输信道中的干扰较大及资源信息流的先验数据缺乏时,资源调度的均衡性不好,准确配准度不高;提出一种基于云计算资源负载均衡控制和信道自适应均衡的资源调度算法,并进行调度系统的软件开发和设计;首先构建了云计算环境下开放网络大数据库信息资源流的时间序列分析模型,采用自适应级联滤波算法对拟合的资源信息流进行滤波降噪预处理,提取滤波输出的资源信息流的关联维特征,通过资源负载均衡控制和信道自适应均衡算法实现资源调度改进;仿真结果表明,采用资源调度算法进行资源调度系统的软件设计,提高了资源调度的信息配准能力和抗干扰能力,计算开销较小,技术指标具有优越性。     

Resource scheduling algorithm with load balancing for cloud service provisioning

Cloud computing uses scheduling and load balancing for virtualized file sharing in cloud infrastructure. These two have to be performed in an optimized manner in cloud computing environment to achieve optimal file sharing. Recently, Scalable traffic management has been developed in cloud data centers for traffic load balancing and quality of service provisioning. However, latency reducing during multidimensional resource allocation still remains a challenge. Hence, there necessitates efficient resource scheduling for ensuring load optimization in cloud. The objective of this work is to introduce an integrated resource scheduling and load balancing algorithm for efficient cloud service provisioning. The method constructs a Fuzzy-based Multidimensional Resource Scheduling model to obtain resource scheduling efficiency in cloud infrastructure. Increasing utilization of Virtual Machines through effective and fair load balancing is then achieved by dynamically selecting a request from a class using Multidimensional Queuing Load Optimization algorithm. A load balancing algorithm is then implemented to avoid underutilization and overutilization of resources, improving latency time for each class of request. Simulations were conducted to evaluate the effectiveness using Cloudsim simulator in cloud data centers and results shows that the proposed method achieves better performance in terms of average success rate, resource scheduling efficiency and response time. Simulation analysis shows that the method improves the resource scheduling efficiency by 7% and also reduces the response time by 35.5 % when compared to the state-of-the-art works.     

云计算中基于预先分类的调度优化算法

针对云计算中现有调度算法为追求最短完成时间而不能很好兼顾负载平衡的问题,提出基于预先分类的Min-Min调度算法,该算法先利用能衡量资源计算和通信能力的属性信息对资源进行划分等级,再求出每个调度任务在资源中的最小执行时间,计算任务对应资源等级与最小执行时间的乘积,使用该乘积最小的任务-资源对进行调度.解决了原始Min-Min调度算法负载不均衡的问题,兼顾了执行时间最小和负载均衡.模拟的云仿真系统实验结果表明,该算法在平均任务响应时间、平均任务执行速度下降比和系统利用率等方面优于原始的Min-Min调度算法.     

云计算下负载均衡的多维QoS约束任务调度机制

高效的任务调度机制能够更好地满足用户的QoS需求,实现各物理主机间的负载均衡,从而提高云计算环境的整体性能。而传统的任务调度往往只考虑任务的响应时间或安全性等,且负载均衡策略是静态的。根据云计算的弹性化和虚拟化等新特性,综合考虑任务的性能QoS和信任QoS,提出一种在云计算环境下的任务调度机制,采用虚拟机迁移技术实现动态负载均衡。通过在CloudSim2.1仿真环境下的分析和比较,该任务调度机制不但可以提高用户满意度,而且可以有效实现负载均衡。