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试论异构软硬件虚拟化资源管理策略

2020-03-04 355 上传者：管理员

摘要：平台系统内虚拟化资源管理在异构环境的数据处理平台的飞速发展中作用越来越明显，得到了众多研究者的青睐。异构环境下虚拟化资源管理弥补了传统平台的可重构性、可移植性和可扩充性的不足，本文对国内外异构软硬件虚拟化资源管理策略的前沿研究进行阐述，总结和分析了虚拟化资源管理策略，并对异构环境虚拟化资源管理未来发展趋势进行了展望。

关键词：
T软件无线电
云计算
异构环境
虚拟化技术
资源管理
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异构数据处理平台可以融合多种异构资源，在处理复杂任务时，可以根据任务所需分配到多种异构资源上协同处理，发挥相应资源处理优势，因此得到了研究人员的广泛关注。

如图1所示，在异构数据处理平台中，存在大量的异构硬件资源、网络资源、软件资源等，但异构资源之间通信技术标准不统一，无法实现统一调度和部署。因此需要研究相应的资源管理机制，屏蔽底层硬件的异构性，方便处理复杂任务时，获取到所需的多种异构资源协同处理；同时，通过相应的管理策略管理异构数据处理平台中的数据传输，提高平台处理数据的实时性和稳定性，进而提高数据处理平台的整体性能。

图1异构数据处理平台架构

虚拟化技术为解决异构资源之间的互联互通问题提供了有效途径，通过把软硬件资源抽象成虚拟资源，消除异构资源之间的通信障碍，实现实体资源结构间的任意切割，赋予资源重组重用的能力，增强了资源的应用灵活性，进而提高了资源的利用率，为异构数据处理平台处理复杂任务提供了有力的基础资源支持。

同时这种异构资源的灵活配置也在管理方面提出了挑战。面对复杂任务处理，平台要及时选择最优的策略来调度和部署相应的资源，保证系统的实时性和稳定性。如果没有有效的管理机制，反而会降低资源利用率，更严重的甚至导致一些处理任务不能正常运行，降低平台的可用性。同时有效的管理机制在平台升级维护方面也会提供很大的便利。

1、虚拟化技术

在计算机中，为了提高资源利用率，便于管理，虚拟化技术可以将CPU、I/O、内存及总线等资源，按照一定的标准抽象成虚拟资源。

如图2所示，经过虚拟化之后，这些资源可以被切割、组合和复用。根据需要，用户不用考虑实体资源的物理特性，就可以灵活地配置这些虚拟化资源。虚拟化技术实现了资源的灵活配置和简化管理，提高了资源利用率。

图2虚拟化技术

1.1 虚拟化技术发展

20世纪60年代，大型机硬件资源稀有而昂贵，为了提高资源利用率，提出了虚拟化的概念。1961年，利用时分原理，IBM公司709机实现了同时处理多重任务。在一个个非常短的CPU使用时间段内，都分别处理着一个任务。由于这些时间段的来回切换，并且每个时间段都非常短，让人感觉CPU变多了，在分别处理各自的任务。虚拟机的思想开端也正是源于此，在以后的IBM机中，延续使用时分系统，并在1972年命名System370机为虚拟机。

20世纪80年代后，在资源管理方面，更为高效、成本更低的策略在微型计算机和PC中的运用，使得虚拟技术的使用范围开始缩减。直到20世纪90年代，面对硬件的迅速增长，为了提高资源利用率和系统安全性、降低成本，促使研究人员从虚拟化方面寻求解决思路。直到1990年，从逻辑思路入手，IBM公司把CPU划分成多个分区，基于逻辑隔离，这些分区相互独立，实现了相对的CPU虚拟化。后来，个人计算机借助IBM公司开源的时分系统，开始探索虚拟机软件的实现。因此，时分系统作为一种有力的手段，目前依旧有虚拟机软件的实现沿用了这种思路。

1.2 虚拟化技术分类

从软硬件资源的角度出发，虚拟化可以分为内存虚拟化、CPU虚拟化、存储虚拟化、I/O虚拟化、服务器虚拟化和网络虚拟化等。

内存虚拟化是虚拟内存到物理内存的映射过程。该过程主要是通过MMU，内存管理单元；将记录虚拟地址和物理地址的页表转换来实现物理内存的动态分配。同时底层提供一定的冲突解决机制，保证不同的设备同时对各自虚拟内存的使用，而不会在物理内存中产生冲突。

CPU虚拟化技术主要用于虚拟机实现方面。根据操作系统与指令集之间的对应关系，复制出多个相同功能的CPU，这些CPU为虚拟CPU，除了一些特殊的敏感指令，它们可以像主机CPU一样为虚拟机提供相应的服务。

存储虚拟化是将不同设备中的存储单元统一标准抽象化，使得不同设备间的存储单元相对于设备来说都是一样的，只是逻辑地址和具体参数存在一定的差异。通过存储虚拟化，在异构系统内，可以实现设备间存储内容实时地迁移，不会影响异构系统正常的运行，同时使得异构系统存储管理更加便捷。

I/O虚拟化的目的是为了提高设备有限I/O资源复用率，主要是借助软件化的思想，在设备硬件层之上建立一个物理资源和虚拟资源的转化层，将I/O接口按照一定的映射关系抽象成软件模块，在虚拟资源层通过复制并修改相应的接口参数来标识虚拟I/O接口的唯一性，为连接其他不同设备的同时使用该设备提供服务。服务器虚拟化就是将服务器中的硬件资源抽象成虚拟资源，这些抽象后的虚拟资源可以同时被上百个虚拟操作系统动态-共享，组成相互隔离的虚拟服务器。整合资源，提高物理资源的利用率，同时大幅降低了资源管理难度。

网络虚拟化是将物理资源网络、软件资源网络以及它们之间相互连接的网络，按照一定的标准抽象成统一接口的模块化虚拟网络。通过这种虚拟化的方式，网络资源在提供服务时，可以为资源的调用提供更加清晰便捷的选择。

2、虚拟化资源管理

资源管理是异构数据处理平台的核心技术。通过资源管理系统可以根据任务需求，发现可用资源，并分配部署相应资源处理任务，同时从全局的角度出发，安排合理的策略方案，保证需求任务实时、高效的完成。资源管理主要对硬件资源、软件资源和网络资源。方面的资源进行统一管理。国内外各领域针对各自服务的需要，都对资源管理提出了自己的理论，主要体现在SCA软件无线电、云计算和异构网络系统等领域，现对它们的研究现状分别介绍。

2.1 SCA软件无线电中的资源管理

传统软件无线电系统在设计上，往往由于需求不一样，功能不一，很难统一标准。为了解决这个问题，由美国联合战术系统的联合编程办公室152N/；开发了一种软件通信架构标准，由于SCA把应用开发设计成一个个的模块，根据需要可以任意拼装，并把模块的开发规范化，标准化。因此开发人员在开发软件时，不必考虑底层硬件，有效地提高了资源的利用率。同时SCA软件无线电平台可以对平台功能进行灵活的扩展和削减，降低了开发和升级成本，使得目前SCA成为软件无线电系统应用最为广泛的标准。

目前，如图。所示，针对SCA软件无线电系统中的资源，如频段、设备和软硬件的使用情况，统一监控，利用电台外部管理软件进行管理。其中典型的战术软件无线电系统猎鹰.通过供应商提供的集中管理软件，对电台内部的软硬件资源、频段资源和电台运行情况等统一监控管理。这种外部软件管理的思想是结合提供商提供的管理机制对电台系统的上层应用和底层硬件资源进行管理。由于厂商之间的标准不统一，不仅在设计上不兼容SCA标准，而且在使用这种管理方式时也比较麻烦，需要对系统管理和分析有一定的了解，尤其是对电台内部上层运行的服务管理，过程繁琐，容易出错。操作错误时，提供服务的资源无法被使用，服务无法顺利进行，进而导致电台系统执行任务失败。

综上所述，现有的SCA软件无线电平台管理机制主要存在的弊端是，管理主要依靠提供商提供的外部管理软件，但是这些外部管理软件只是针对自身需要定制的，不能根据软件服务的需要，做出相应的调整，只能从新设计。并且考虑到商业利益，很多技术和参数标准对外严格保密，因此管理服务在运行中常常受到阻碍，导致成本投入成倍增加.

图3SCA软件无线电平台管理架构

针对以上问题，文献设计了一种针对SCA软件无线电中平台管理服务方案。该方案提供资源的监控、软硬件加卸载和调度部署等平台管理服务。而且该方案由于可以实现运行多种SCA软件无线电系统，使电台服务性能更为高效，因而具有良好的兼容性。

2.2 云计算中的虚拟化资源管理

云计算通过网络互联，可以使用户弹性配置使用共享资源池中的虚拟化资源，以及按服务收费等便捷高效的优势，迅速得到了各行业的广泛应用。

在云计算平台中，虚拟化资源管理主要是根据服务要求所需资源的性能指标，对共享资源池中的虚拟化资源进行调度部署，从而高效率的利用资源，完成服务任务。图<为典型云计算资源管理框架。

图4云计算异构资源管理框架

云管理平台在进行资源管理时，主要有集中分配、分散部署、均衡负载以及就近部署资源管理策略。集中部署从提高资源利用率的角度出发，虚拟资源分配集中，管理简易，物理资源利用率高。分散部署考虑的侧重点是云计算平台的容灾性能，将虚拟资源分配到多个物理资源节点上，有效防止了因部分物理资源故障，导致计算任务失败的情况。负载均衡策略结合前两种策略的优点，将负载过重的虚拟资源迁移到负载较轻的物理资源节点上，从而实现云计算平台系统内负载均衡。为了均衡云计算平台网络传输负载，提高了虚拟资源间的通信速率，就近部署将虚拟资源分配到最近的物理资源节点上，达到提高云计算平台整体性能的目的。

国内外在云计算领域提出了很多关于资源管理的算法，其中负载均衡方面吸引了越来越多的学者关注。文献提出了一种基于改进的遗传算法，目标是使任务完成的平均时间最小，适用于小规模的云服务，但是云计算规模增大到一定程度时，性能便很难有所突破。文献'提出一种思路，针对运行速度快的节点分配处理执行时间短的任务，可以提高任务执行的效率，但是这种算法在负载方面的性能不稳定。文献对遗传算法进行了改进，通过参数配置来实现资源的负载均衡，很好的解决了因过渡依赖一个参数而造成的失效问题。文献基于遗传算法实现了虚拟机的资源调度，减少了虚拟机的迁移次数，达到了一定的负载均衡。

2.3 异构网络系统中的虚拟化资源管理

在异构网络方面，随着无线通信不断取得进步，在移动入网方面，人们对网络服务的要求也在逐步增加。这就在技术层面和网络融合方案提出了更大的挑战。

基于此，异构网络融合的概念提供了一种新的解决思路。为了提高服务质量，无线局域网、传感网、移动通信网等通过松耦合、紧耦合等耦合方式融合成分布式异构网络提供服务，如图5所示。例如目前即将投入使用的5G网络，可以使用2G\3G\4G等基础网络资源。

异构网络中的资源管理主要是通过将各种接入网中异构网络虚拟化，消除异构网络间的差异性，根据需要统一分配和管理资源。不仅可以提高资源利用率，减少升级和维护成本，同时也能使用户的服务质量得到满足。在异构网络融合领域，科研人员进行了大量的研究和工程实践，其中集中式接入网架构提供了一种有效地解决方案。集中式接入网架构将计算资源、信号资源和网络资源等抽象成可以共享复用的虚拟资源，对于不同的网络和基站，这些资源屏蔽了异构资源的差异性，可以根据需要任意组合使用，极大地促进了异构网络融合的实现。

图5异构网络融合管理架构

例如中国移动通信集团公司提出的无线接入网（C-RAN)概念，主要思想是利用云平台基础资源和无线网络协作实现基带的集中处理;中国科学院计算技术研究所提出了一种超级基站架构。在任务管理方面，该架构借助动态虚拟化，利用虚拟资源的动态共享和任意复用，实现了集中的物理基站虚拟成多个分布式逻辑虚拟基站。该架构让逻辑功能的实现对基础资源的耦合性大大降低，同时可以根据需要灵活的配置基站服务资源。

然而目前的网络融合方案主要着眼于消除不同制式网络的互联互通的隔阂，然而异构网络资源共享管理的难题并未从根本上得到有效解决。针对该问题，文献'提出了一种新型的基于集中式接入网架构的异构网络融合平台方案，可以在集中式资源池基础上进行异构网络间处理资源及无线资源的共享与统一管理。

3、结束语

基于以上国内外研究现状和相关技术的研究，系统阐述了虚拟化技术的发展和分类，以及资源管理在异构环境中的重要性，并对SCA软件无线电、云计算和异构网络系统等相关领域的管理策略以及管理策略的优越性和局限性进行了系统地分析总结。可以看出异构环境虚拟化资源管理正在朝着资源透明化、操作便捷化、资源配置弹性化和高效实时化以及智能化等方面发展。

赵传奇,岳春生.异构环境虚拟化资源管理相关研究[J].电子科技,2019,32(1):21-26.