基于元胞自动机的云计算负载均衡任务调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于元胞自动机的云计算负载均衡任务调度方法。
【背景技术】
[0002] 云计算作为分布式计算、并行计算、网格计算等传统技术和网络编程模型、分布式 数据存储技术、虚拟化技术等新型技术融合发展的产物，是引领未来信息产业创新的关键 战略性技术和手段，将对我国发展高新技术产业具有重要的战略意义。云计算通过将计算 任务划分在大规模的廉价服务器集群上，使得人们能够利用分布在各地的闲散资源来处理 较为复杂的应用程序，以极低的成本投入获得极高的计算品质。
[0003] 云计算任务调度作为云计算平台的重要组成部分，是将用户提交的任务进行合理 高效地调度和分配，其实质就是将n个相互独立的任务分配到m个闲散异构的物理资源上， 使得总任务完成时间最小并且可用资源得到充分利用，任务调度的效率直接影响到整个云 计算平台的整体性能和服务质量。例如，顺序任务调度方法把一组任务顺序分配给一组虚 拟机，尽量保证每个虚拟机运行相同数量的任务以平衡负载，但没有考虑任务的需求和虚 拟机之间的差别。任务调度问题已经被证明是一个NP完全问题，在mn个可能任务调度的 解空间寻找近似最优解，使得总任务的执行时间和负载均衡度最小，其中执行时间最小是 为了满足用户的服务质量，负载均衡度最小是为了保证云环境的稳定性。
【发明内容】
[0004]目前，云计算的任务调度方法还未形成统一的标准和规范，但由于该问题的重要 性，国内外研究者提出了大量的云计算任务调度方法来计算任务调度的近似最优解，既有 传统网格计算中的Min-Min、Max-Min、动态规划等启发式调度方法，也有基于遗传算法、粒 子群算法、蚁群算法、免疫算法、差分进化算法和禁忌搜索算法等智能调度方法。其中，传 统启发式调度方法的Min-Min算法米用先易后难的策略，先执行完成时间短的任务，然后 执行完成时间长的任务，并采取贪心策略把每个任务优先指派给执行它最早完成的计算资 源；Max-Min算法则恰恰相反，米用先难后易和贪心策略，每次选取完成时间最长的任务， 优先指派给执行它最早完成的计算资源。传统启发式调度方法以最早完成时间为目标进行 调度，有着较好的负载均衡性能，但总任务的实际执行时间并非最少。智能调度方法通过 对任务调度方案的编码，并依据遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、免疫算法、差分进化算法 和禁忌搜索算法等智能算法思想，在mn大小的解空间多样性搜索和集中性搜索之间建立平 衡，最终有效降低任务的执行时间。然而，智能调度方法在进行海量任务调度过程中，易陷 入局部最优解，在收敛速度和负载均衡方面的效果有待提高。例如：2014年中国专利局公 告的由孙凌宇、冷明和冷子阳申报，中国专利号为=201410527189.X号《基于禁忌搜索和负 载均衡的云计算任务调度方法》的发明专利，针对现有技术方案中的缺陷采用基于禁忌搜 索作为指导性邻域搜索优化策略产生候选交换任务对，并采用贪心原则选择收益值大的任 务对进行交换，优化任务调度的初始解，从而最大程度地缩短整个任务完成的时间跨度。
[0005] 本发明涉及的云计算环境中任务调度仅仅指的是元任务的调度，即元任务之间相 互独立，其调度不考虑任务间的数据关联与优先约束关系。此外，云计算环境中依赖任务 调度，涉及的依赖任务之间存在先后依赖关系，要求一个任务必须接收到它的所有前驱任 务消息后才能开始执行。例如：2014年中国专利局公告的由孙凌宇、冷明和冷子阳申报， 中国专利号为=201410137810. 1号《基于元胞自动机和赋权有向超图的云计算任务调度方 法》的发明专利针对依赖任务的调度问题，采用赋权有向超图描述依赖任务的资源需求及 依赖关系，并生成相应的赋权有向超图文件；然后启动基于元胞自动机的赋权有向超图划 分程序，对生成的赋权有向超图进行划分；最后依据赋权有向超图的划分结果构造依赖任 务子集，通过MapReduce任务调度模型对其进行映射和调度。2014年中国专利局公告的由 冷明、孙凌宇和冷子阳申报，中国专利号为=201410136320.X号《基于多水平划分法和赋权 有向超图的云计算任务调度方法》的发明专利针对依赖任务的调度问题，采用赋权有向超 图描述任务的资源需求及依赖关系，并生成相应的赋权有向超图文件；然后启动基于多水 平划分法的赋权有向超图划分程序，对生成的赋权有向超图进行划分；最后依据赋权有向 超图的划分结果构造任务子集，通过MapReduce任务调度模型对其进行映射和调度。此外， 2014年中国专利局公告的由孙凌宇、冷明和冷子阳申报，中国专利号为：201410136337. 5 号《云计算环境中的基于结点属性函数的任务核值计算方法》的发明专利针对中国专利号 201410136320.X中多水平划分法的赋权有向超图划分过程中的结点匹配问题，采用赋权有 向超图对云计算环境中的任务进行数学建模，描述任务的资源需求及依赖关系，并生成相 应的赋权有向超图文件，然后启动赋权有向超图的核值计算程序，采用改进压缩的内存存 储格式对赋权有向超图进行存储，并基于结点属性函数计算结点的核值，将所有结点的核 值结果存储在赋权有向超图核值文件中。
[0006] 本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种基于元胞自动机的云计算 负载均衡任务调度方法，解决云计算环境下任务调度中执行时间和负载均衡的优化问题， 有效地缩短了任务完成的时间跨度，实现了云计算资源的合理利用，为云计算提供高效的 任务调度机制。为达到上述目的，本发明的构思如下。
[0007] -、运用元胞自动机理论，针对云计算负载均衡任务调度问题进行了分析建模，构 建相应的元胞自动机模型。元胞对应于任务调度问题中的任务，元胞编号iG{1，2,…，n}。 第i个元胞的权值对应于第i个任务的总指令长度。第i个元胞的状态对应于第i个任务 所分配的第j个虚拟机，虚拟机的编号jG{1，2,…，m}。第i个元胞的禁忌状态表明该元 胞是否允许被交换。
[0008] 二、在云计算环境下的负载均衡任务调度问题的形式化描述基础上，通过动态规 划方法的形式化推导得到最早完成时间的启发式优先分配策略，并基于该分配策略求得任 务调度的初始解。
[0009] 三、借助元胞自动机模型处理复杂系统问题的特点--根据微观个体的简单局域 自组织相互作用机制来描述宏观系统整体复杂行为，构建云计算任务调度问题对应的元胞 自动机模型，优化任务调度的初始解。通过循环遍历每个元胞产生候选交换元胞对，并采用 贪心原则选择收益值大的元胞对进行交换，在优化任务调度初始解的执行时间的同时改善 负载均衡性能。
[0010] 根据上述的发明构思，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于元胞自动机的 云计算负载均衡任务调度方法，其特征在于，具体步骤如下。
[0011] 步骤1，类型类度分析，输入云计算环境下用户提交的任务，并对其进行类型和类 度的分析，确定任务的并行化程度及特点。
[0012] 步骤2,进程粒度分解，根据用户任务的并行化程度及特点，以及云计算的资源共 享分配方式等独特性质，对用户任务按照进程粒度级别进行分解。
[0013] 步骤3,资源特性分析，根据云计算的资源共享分配方式等独特性质，对分解后的 任务进行资源特性分析。
[00