CN104954400A - 云计算***及其实现方法 - Google Patents

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武娟
黄海
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Abstract

本发明公开了一种云计算***及其实现方法。该***包括：计算集群设备、渲染集群设备、计算缓存集群设备、存储集群设备和虚拟化管理机，虚拟化管理机用于将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括vCPU、vGPU和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机需要完成的计算任务；其中，各个能力集群设备和所述虚拟化管理机通过高速外部总线连接，由虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护。本发明的云计算***和实现方法，给出一种基于能力组件划分、通过外部总线扩展并且具有资源灵活调度和扩展能力的云计算***。

Description

云计算***及其实现方法
技术领域
本发明涉及云计算技术领域，特别涉及一种云计算***及其实现方法。
背景技术
云计算的特点是资源“池”化以及资源的弹性调度。现有的云计算资源池往往是服务器设备的堆积，因此，现有云计算***在扩展***容量时需要添置新的服务器，例如在***的整体CPU利用率过高时，通过添置新的服务器来增加CPU个数，这种以新置整台服务器扩展能力资源的方式造成能力资源以及能耗的浪费。
发明内容
本发明的发明人发现上述现有技术中存在问题，并因此针对所述问题中的至少一个问题提出了一种新的技术方案。
本发明的一个目的是提供一种用于云计算***的技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种云计算***，包括：
计算集群设备，用于提供CPU计算物理资源；
渲染集群设备，用于提供GPU计算物理资源；
计算缓存集群设备，用于为CPU计算物理资源或GPU计算物理资源提供数据的缓存和交换资源；
存储集群设备，用于提供数据存储资源；和
虚拟化管理机，用于将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括vCPU（虚拟CPU）、vGPU（虚拟GPU）和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机需要完成的计算任务；
其中，所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备、所述存储集群设备和所述虚拟化管理机通过高速外部总线连接，由所述虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护。
可选地，云计算***包括多个整机柜，每个所述整机柜***集成了由若干CPU、GPU、内存、硬盘硬件组成的资源池板卡以形成所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备和所述存储集群设备。
可选地，每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的板卡设备组成，共享电源和散热。
可选地，高速外部总线采用光纤、InfiniBand（无限带宽）、或PCI-E（PCI-Express，外设互联扩展）的I/O技术。
可选地，已有的云计算资源池通过交换设备与I/O总线互联互通。
根据本发明的另一方面，提供一种云计算***的实现方法，包括：
通过计算集群设备为所述云计算***提供CPU计算物理资源；
通过渲染集群设备为所述云计算***提供GPU计算物理资源；
通过计算缓存集群设备为所述云计算***的CPU计算物理资源或GPU计算物理资源提供数据的缓存和交换资源；
通过存储集群设备为所述云计算***提供数据存储资源；和
通过虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护，所述虚拟化管理机将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括vCPU、vGPU和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机完成的计算任务；
其中，所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备、所述存储集群设备和虚拟化管理机通过高速外部总线连接。
可选地，云计算***包括多个整机柜，每个所述整机柜***集成了由若干CPU、GPU、内存、硬盘硬件组成的资源池板卡以形成所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备和所述存储集群设备；
可选地，高速外部总线采用光纤、InfiniBand、或PCI-E的I/O技术。
可选地，每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的板卡设备组成，共享电源和散热。
可选地，该方法还包括：通过增加各个集群设备中资源池板卡的方式增加所述云计算***的能力。
可选地，通过交换设备与所述高速外部总线互联互通的方式连接已有的云计算资源池。
本发明的一个优点在于，将云计算***的物理资源按照能力集群进行划分，当云计算处理能力不足时，可以按照需要对相应的能力资源进行补充，避免了增加冗余的其他能力资源，提高了***利用效率。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1示出根据本发明的云计算***一个实施例的硬件结构示意图；
图2示出根据本发明的云计算***一个实施例的***结构示意图；
图3示出根据本发明的云计算***的实现方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明人注意到，不同的业务所需要的云计算服务是不同的，可以分为主计算（细分为CPU计算和GPU计算）、主存储(细分为内存、缓存、永久存储)等云计算能力；如果将这些不同的能力分别进行池化，可以有效避免单一资源的扩充需要新置整台服务器的方式造成其它能力资源以及能耗的浪费。
图1示出根据本发明的云计算***一个实施例的硬件结构示意图。如图1所示，该云计算***由若干整机柜11组成，每个整机柜可***集成了若干CPU、GPU、内存、硬盘等硬件组成的资源池板卡12，这些资源池板卡12和机柜11共同构成云计算***的硬件部分。
一个云计算***实施例的具体实现详细说明如下：
（1）云计算***采用集群架构，将云端资源按照CPU计算、GPU渲染、计算缓存、数据存储等能力进行划分和整合，形成相应的云计算***的能力集群。每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的资源池板卡设备组成，共享电源和散热。云计算***按照能力灵活扩展，例如，渲染能力不足时，只需要补充GPU板卡，增加相应的计算内存（显存）板卡。
（2）计算集群（CPU计算资源池）由集成多块CPU的大板卡实现，负责一般性的计算任务，以及整体任务调度；
（3）渲染集群（GPU计算资源池）由集成多块GPU大板卡实现，负责视频编码、渲染、大数据挖掘等高密度海量计算任务；
（4）计算缓存集群（内存资源池）由集成大量内存、显存的大板卡组成可编程的内存池，为CPU或GPU资源池提供数据的缓存和交换能力；
（5）存储集群（存储资源池）可由传统的磁盘阵列设备实现，负责数据的存储；
（6）能力集群之间由高速外部总线连接。例如可采用光纤（FC）、InfiniBand、PCI-E等I/O技术。
（7）能力调度模块实现能力的自动调度。
***除了必要的硬件设施外，还包括在软件层面实现对以上硬件资源池的分配和调度。一个具体实现的详细说明如下：
（1）能力集群的逻辑资源划分
a）CPU物理资源，被划分为逻辑上的vCPU（虚拟CPU）资源，例如一颗8核心的物理CPU可划分为8个单核心的vCPU；
b）GPU物理资源，逻辑上可划分为vGPU，例如NVIDIA的K1GPU可划分为8个vGPU；
c）存储资源，其的划分相对简单，例如，可以按照预定大小进行存储容量的划分。
上述能力集群的逻辑资源划分可以在软件层面上实现。
（2）逻辑资源的管理
云计算***200实现一套虚拟化管理软件，称为虚拟化管理机21，对体系内的每种能力集群进行逻辑层面的资源管理。例如，以vCPU为单位，预留n（n>=1）个vCPU和一定数量内存（例如1GB）作为管理用资源，专门负责机柜内部资源的管理和调度。
从机架外部看，通过虚拟化管理软件，一个机架被整合为一台或多台拥有众多vCPU、vGPU和虚拟内存资源的虚拟服务器裸机（即无操作***的服务器），虚拟服务器的配置、创建、销毁依靠虚拟化管理软件实现。
（3）逻辑资源分配
a）对内，虚拟化管理机搜集本机柜所有资源信息，主要为vCPU的数量/状态、vGPU的数量/状态、可用内存数量、电源负载、温度等，例如，在虚拟化管理机内部维护一张CPU资源分配的记录表，如下表1所示：
表1
其它资源类似，也会维护各自的资源分配记录表。
b）对外，虚拟化管理机以虚拟主机为单元，接收需要由各个虚拟主机完成的计算任务（例如在虚拟主机上加载运行一个操作***）。
上述实施例中，将云计算***的物理资源按照能力集群进行划分，当云计算处理能力不足时，可以按照需要对相应的能力资源进行补充，避免了增加冗余的其他能力资源，提高了***利用效率。
图2示出根据本发明的云计算***一个实施例的***结构示意图。如图2所示，该云计算***200包括虚拟化管理机21和虚拟主机1、虚拟主机2、虚拟主机3，…，以及虚拟主机n。例如，虚拟主机1包括6个vCPU、2个vGPU和2G内存；虚拟主机2包括2个vCPU、1个vGPU和1G内存；虚拟主机3包括4个vCPU、2个vGPU和2G内存；虚拟主机n包括6个vCPU、2个vGPU和4G内存。
对于已有的云计算资源池，可以通过交换设备与I/O总线互联互通，从而与本云计算***相连。上述实施例中，通过外部总线，可以扩展并且实现具有资源灵活调度和扩展能力的云计算***。
图3示出根据本发明的云计算***的实现方法一个实施例的流程图。
如图3所示，步骤301，通过计算集群设备为云计算***提供CPU计算物理资源。计算集群设备可以采用刀片服务器的方式提供，从而提高计算密度，以CPU和内存为主体，存储尽量简单（1-2个硬盘，基本的RAID功能，承载操作***）。换言之，是大计算、小存储，计算密集型应用的效率较高。
步骤302，通过渲染集群设备为云计算***提供GPU计算物理资源。
步骤303，通过计算缓存集群设备为云计算***的CPU计算物理资源或GPU计算物理资源提供数据的缓存和交换资源。
步骤304，通过存储集群设备为云计算***提供数据存储资源。对于存储，则可看作为存储密集型应用而优化的服务器（小计算、大存储），例如，提供一种由多个硬盘共同组成的存储资源池。
步骤305，通过虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护，虚拟化管理机将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括vCPU、vGPU和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机完成的计算任务；其中，计算集群设备、渲染集群设备、计算缓存集群设备、存储集群设备和虚拟化管理机通过高速外部总线连接。高速外部总线可以采用光纤（FC）、InfiniBand、或PCI-E的I/O技术。
上述实施例中，将云计算***的物理资源按照能力集群进行划分，当云计算处理能力不足时，可以按照需要对相应的能力资源进行补充，避免了增加冗余的其他能力资源，提高了***利用效率。
可以通过交换设备与高速外部总线互联互通的方式连接已有的云计算资源池。通过外部总线，可以扩展并且实现具有资源灵活调度和扩展能力的云计算***。
云计算***包括多个整机柜，每个整机柜***集成了由若干CPU、GPU、内存、硬盘硬件组成的资源池板卡以形成计算集群设备、渲染集群设备、计算缓存集群设备和存储集群设备
每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的板卡设备组成，共享电源和散热。
当云计算***存在能力不足时，通过增加各个集群设备中资源池板卡的方式增加所述云计算***的能力。
综上所述，本发明描述的是一整套以整机柜式服务器架构为硬件基础的，基于计算、存储等集群能力进行虚拟化划分、调度的云计算***和实现方法。
本公开的基于能力集群的云计算***方案，其核心是基于池化资源的能力划分和调度，通过划分计算（CPU）、渲染（GPU）、计算缓存（内存）、数据存储等不同类型的云计算能力，打破以服务器整机作为云计算资源单位的传统做法，给出一种基于能力组件划分、通过外部总线扩展并且具有资源灵活调度和扩展能力的云计算***。
至此，已经详细描述了根据本发明的云计算***及其实现方法。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本发明的方法和***。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和***。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种云计算***，其特征在于，包括：
计算集群设备，用于提供CPU计算物理资源；
渲染集群设备，用于提供GPU计算物理资源；
计算缓存集群设备，用于为CPU计算物理资源或GPU计算物理资源提供数据的缓存和交换资源；
存储集群设备，用于提供数据存储资源；和
虚拟化管理机，用于将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括虚拟CPU、虚拟GPU和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机需要完成的计算任务；
其中，所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备、所述存储集群设备和所述虚拟化管理机通过高速外部总线连接，由所述虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护。
2.根据权利要求1所述的云计算***，其特征在于，所述云计算***包括多个整机柜，每个所述整机柜***集成了由若干CPU、GPU、内存、或硬盘硬件组成的资源池板卡以形成所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备或所述存储集群设备。
3.根据权利要求2所述的云计算***，其特征在于，每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的板卡设备组成，共享电源和散热。
4.根据权利要求1所述的云计算***，其特征在于，所述高速外部总线采用光纤、无限带宽InfiniBand、或外设互联扩展PCI-E的输入/输出I/O技术。
5.根据权利要求4所述的云计算***，其特征在于，已有的云计算资源池通过交换设备与I/O总线互联互通。
6.一种云计算***的实现方法，其特征在于，包括：
通过计算集群设备为所述云计算***提供CPU计算物理资源；
通过渲染集群设备为所述云计算***提供GPU计算物理资源；
通过计算缓存集群设备为所述云计算***的CPU计算物理资源或GPU计算物理资源提供数据的缓存和交换资源；
通过存储集群设备为所述云计算***提供数据存储资源；和
通过虚拟化管理机对各个能力集群设备进行资源管理和状态维护，所述虚拟化管理机将各种能力集群设备提供的资源整合为一台或多台包括虚拟CPU、虚拟GPU和虚拟内存资源的虚拟主机，以虚拟主机为单元，接收由各个虚拟主机完成的计算任务；
其中，所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备、所述存储集群设备和虚拟化管理机通过高速外部总线连接。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述云计算***包括多个整机柜，每个所述整机柜***集成了由若干CPU、GPU、内存、硬盘硬件组成的资源池板卡以形成所述计算集群设备、所述渲染集群设备、所述计算缓存集群设备和所述存储集群设备；
和/或
所述高速外部总线采用光纤、无限带宽InfiniBand、或外设互联扩展PCI-E的输入/输出I/O技术。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每个能力集群设备由一块或多块接口一致、可快速装卸的板卡设备组成，共享电源和散热。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
通过增加各个集群设备中资源池板卡的方式增加所述云计算***的能力。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过交换设备与所述高速外部总线互联互通的方式连接已有的云计算资源池。
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