JP2013504807A - データセンターの自動化のための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一実施形態において、仮想化されたデータセンターアーキテクチャは、複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するためのバッファと、複数の物理サーバであって、複数の物理サーバのそれぞれのサーバが、それぞれの仮想マシンが複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理する、前記それぞれのサーバ上の1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な1つ又は複数のサーバリソース、及び、前記それぞれのサーバ上で実行される1つ又は複数の仮想マシンに1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するための、前記それぞれのサーバ上でそれぞれ実行されるローカルリソースマネージャを備える、複数の物理サーバと、複数のサーバの中の個々のサーバへの複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するための、複数のサーバに通信可能に連結されたルータと、複数のリクエストがバッファに入ることを許可するかどうかを決定するためのアドミッションコントローラと、複数のサーバのうちのどのサーバがアクティブであるかを決定するための集中リソースマネージャであって、集中リソースマネージャの決定が、複数のサーバのそれぞれ及び前記ルータにおけるアプリケーション毎のバックログ情報に依存する、集中リソースマネージャと、を備える。
【選択図】図1
Description
[0001]本特許出願は、2009年9月11日に出願された、「A Method and Apparatus for Data Center Automation with Backpressure Algorithms and Lyapunov Optimization」と題された、対応する特許仮出願第61/241,791号の優先権を主張し、当該特許仮出願を参照することにより組み込む。
[0002]本発明は、データセンター、自動化、仮想化、及び確率制御の分野に関し、より具体的には、本発明は、分離されたアドミッションコントロール、リソース割り当て、及びルーティングを用いるデータセンターに関する。
[0003]データセンターは、同じ物理サーバ上で複数のアプリケーション/サービスをホストすることができるコンピューティング設備を提供する。一部のデータセンターは、CPUパワー、メモリ、及びハードディスクサイズを含む決まった構成の物理マシン又は仮想マシンを提供する。例えばAmazon(登録商標)のEC2クラウドなどの一部のケースでは、大まかな地理的位置を選択するためのオプションも与えられる。その様式では、データセンターのユーザ(例えば、アプリケーション、サービスプロバイダ、企業、個人ユーザなど)は、それらのユーザの需要を見積もり、追加的な/既存の物理マシン又は仮想マシンを要求/解放する責任を負う。データセンターは、電力管理、ラック管理、フェイルセーフプロパティ(fail−safe property)などのそれらのデータセンターの運用上のニーズを統計的に独立に(orthogonally)決定し、それらを実行する。
[0005]データセンターの自動化のための方法及び装置が、本明細書において開示される。一実施形態において、仮想化されたデータセンターアーキテクチャは、複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するためのバッファと、複数の物理サーバであって、それぞれのサーバが、それぞれの仮想マシンが複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理する、前記それぞれのサーバ上の1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な1つ又は複数のサーバリソース、及び、前記それぞれのサーバ上で実行される1つ又は複数の仮想マシンに1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するための、前記それぞれのサーバ上でそれぞれ実行されるローカルリソースマネージャを備える、複数の物理サーバと、複数のサーバの中の個々のサーバへの複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するための、複数のサーバに通信可能に連結されたルータと、複数のリクエストがバッファに入ることを許可するかどうかを決定するためのアドミッションコントローラと、複数のサーバのうちのどのサーバがアクティブであるかを決定するための集中リソースマネージャであって、集中リソースマネージャの決定は、複数のサーバのそれぞれ及びルータにおけるアプリケーション毎のバックログ情報に依存する、集中リソースマネージャと、を備える。
[0007]複数のアプリケーションをホストする複数の物理マシン(例えば、サーバ)を有する仮想化されたデータセンターが、開示される。一実施形態において、それぞれの物理マシンは、その物理マシン上でホストされるすべてのアプリケーションに対して仮想マシンを与えることによってアプリケーションのサブセットにサービスを提供することができる。アプリケーションは、データセンターの異なる仮想マシンのあちこちで実行される複数のインスタンスを有してもよい。概して、アプリケーションは、多階層化される可能性があり、アプリケーションのインスタンスに対応する異なる階層が、異なる物理マシン上で実行される異なる仮想マシンに位置付けられ得る。本明細書の目的のために、用語「サーバ」及び「マシン」は、交換可能に使用される。
[0018]一実施形態において、仮想化されたデータセンターは、N個のアプリケーションの組をホストするM個のサーバを有する。サーバの組は、本明細書においてはSで表され、アプリケーションの組は、本明細書においてはAで表される。それぞれのサーバj∈Sは、アプリケーションのサブセットをホストする。それぞれのサーバjは、そのサーバj上でホストされるすべてのアプリケーションに対して仮想マシンを与えることによって、それを行う。アプリケーションは、データセンターの異なる仮想マシンのあちこちで実行される複数のインスタンスを有する可能性がある。以下の指示変数が、i∈{1,2,...,N},j∈{1,2,...,M}に対して定義される:
アプリケーションiがサーバj上でホストされる場合 aij=1;
その他の場合 aij=0。
が適用され、この制約は、直ちに受け入れられない到着が将来のアドミッション決定のためにバッファに記憶される場合に容易に一般化され得る。
によって与えられる。Wi(t)は、ルータに保有されるジョブキューであり、Wi(t)は、アプリケーションiのためのルータキューの現在のバックログである。
を満たす。
によって与えられ、ここで、μij(Ij(t))は、制御アクションIj(t)を行うことによってスロットtにおいてサーバj上のアプリケーションiにもたらされる(リクエスト/スロットを単位とする)サービスレートを表す。リソース割り当てに応じたサービスレートの期待される値は、オフラインでのアプリケーションの分析、又はオンラインでの学習によって分かる。
[0037]スロットtにおいてすべてのi,jに対して制御決定
を行うこのモデルに関する任意のポリシーηを考える。任意の実行可能なポリシーηの下で、これらの制御決定は、すべてのi,jに対してすべてのスロットで、アドミッションコントロール制約(1)、ルーティング制約(3)、及びリソース割り当て制約
を満たす。
を解くポリシーηを設計することであり、ここで、Λは、上述のように、データセンターモデルの容量範囲を表す。Λは、任意の実行可能なリソース割り当て戦略の下で達成され得るすべての有り得る長期的スループットの値の集合として定義される。一実施形態において、αi及びβは、データセンターのオペレータによって設定され、αiは、一時間に達成されるスループットあたりの金銭的価値を示し、βは、キロワット時(kWhr)あたりの金銭的コストを示す。一実施形態において、それらは1に設定され、VMあたりの計算/時コストが、VMあたりのkWhrと同じであるとみなされることを意味する。
[0044]一実施形態において、リアプノフ最適化のフレームワークが、このモデルのための最適制御アルゴリズムを開発するために使用される。具体的には、すべてのi,jについて最適解を得るための、確率的最適化問題(7)に対する動的制御アルゴリズムが、示され得る。Sの部分集合の以下の集合Oが、定義される。
[0045]次に示される制御アルゴリズムは、すべてのTスロットフレームの始めにこの集合からアクティブなサーバの組を選択する。
[0046]V≧0は、入力される制御パラメータであるものとする。このパラメータは、アルゴリズムに入力され、有用性−遅延の折り合いをつけることを可能にする。一実施形態において、Vパラメータは、データセンターのオペレータによって設定される。
を解くリソース割り当てIj(t)を選択し、ここで、Uijはサーバj上のアプリケーションiのバックログであり、μijは特定のキューの処理速度であり、Vはシステムパラメータであり、βは優先度であり、Pj(t)はサーバjの電力消費である。Pminは、この物理サーバがオンであるが、アイドル状態にあるときの、このサーバの最小電力消費である。Pminは、物理マシン毎に測定され得る。
及び制約(1),(3)。
[0058]上記の最適化は、以下のように理解され得る。最適なアクティブセットS*(t)を決定するために、アルゴリズムは、集合Oの中のすべての有り得るアクティブなサーバの組について、括弧内の式に対する最適コストを計算する。アクティブセットが与えられると、上記の最大化は、それぞれのアプリケーションに対するルーティング決定と、それぞれのアクティブなサーバにおけるリソース割り当て決定とに分割可能である。この計算は、t≠nTの場合のルーティング及びリソース割り当てのための上述の手順を用いて容易に実行される。Oは大きさMを有するので、このステップの最悪の複雑性は、Mの多項式である。しかし、計算は、以下のように大幅に簡単化され得る。任意のサーバj上の最大のキューのバックログ>Uthreshである場合、そのサーバは、確実にアクティブセットの一部であることが示され得る。したがって、これらのサーバを含むOの部分集合のみが、考慮される必要がある。
[0060]図3は、本明細書に記載の操作のうちの1つ又は複数を実行することができる例示的なコンピュータシステムの構成図である。図3を参照すると、コンピュータシステム300は、例示的なクライアント又はサーバコンピュータシステムを含み得る。コンピュータシステム300は、情報を伝達するための通信メカニズム又はバス311と、情報を処理するための、バス311に連結されたプロセッサ312とを備える。プロセッサ312は、マイクロプロセッサを含むが、例えば、Pentium(登録商標)、PowerPC(登録商標)、Alpha(登録商標)などのマイクロプロセッサに限定されない。
Claims (4)
- 複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するためのバッファと、
複数の物理サーバであって、前記複数の物理サーバのそれぞれのサーバが、
それぞれの仮想マシンが複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理する、前記それぞれのサーバ上の1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な1つ又は複数のサーバリソース、及び、
前記それぞれのサーバ上で実行される前記1つ又は複数の仮想マシンに前記1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するための、前記それぞれのサーバ上でそれぞれ実行されるローカルリソースマネージャを備える、複数の物理サーバと、
前記複数のサーバの中の個々のサーバへの前記複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するための、前記複数のサーバに通信可能に連結されたルータと、
前記複数のリクエストが前記バッファに入ることを許可するかどうかを決定するためのアドミッションコントローラと、
前記複数のサーバのうちのどのサーバがアクティブであるかを決定するための集中リソースマネージャであって、前記集中リソースマネージャの決定が、前記複数のサーバのそれぞれ及び前記ルータにおけるアプリケーション毎のバックログ情報に依存する、集中リソースマネージャと、を備え、
さらに、前記アドミッションコントローラによってなされるアドミッションコントロールに関する決定、前記複数のサーバのそれぞれにおける各ローカルリソースマネージャによってローカルで行われる、リソース割り当てに関してなされる決定、及び前記ルータによる、複数のサーバ間の、アプリケーションに関するリクエストのルーティングに関する決定が、互いに分離される、仮想化されたデータセンターアーキテクチャ。 - 複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するためのバッファと、
複数のサーバであって、前記複数のサーバのそれぞれのサーバが、
それぞれの仮想マシンが複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理する、前記それぞれのサーバ上の1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な1つ又は複数のサーバリソース、及び、
前記1つ又は複数の仮想マシンに前記1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するためのローカルリソースマネージャを備える、複数のサーバと、
前記複数のサーバの中の個々のサーバへの前記複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するための、前記複数のサーバに通信可能に連結されたルータと、
前記複数のリクエストが前記データセンターに入ることを許可するかどうかを決定するためのアドミッションコントローラであって、それぞれのアプリケーションについて許可するリクエストの数を、前記アプリケーションについて受信されるパケットの数と、アドミッションコントローラにおける前記アプリケーションに関するリクエストのバックログからシステムパラメータと前記アプリケーションの優先度との積を減じた数に等しい量と、の積を最小化することに基づいて選択する、アドミッションコントローラと
を備える、仮想化されたデータセンターアーキテクチャ。 - 複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するためのバッファと、
複数のサーバであって、それぞれのサーバが、
それぞれの仮想マシンが複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理する、前記それぞれのサーバ上の1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な1つ又は複数のサーバリソース、及び、
前記1つ又は複数の仮想マシンに前記1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するためのローカルリソースマネージャであり、リソース割り当てを、前記サーバ上の前記複数のアプリケーションのそれぞれのアプリケーションのバックログと前記サーバ上の前記アプリケーションの前記バックログを記憶するキューの処理速度との積の総和から、前記システムパラメータと前記アプリケーションの優先度と前記アプリケーションに関連する電力消費との積の総和を、減じた数を最大化することに基づいて選択する、ローカルリソースマネージャを備える、複数のサーバと、
前記複数のサーバの中の個々のサーバへの前記複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するための、前記複数のサーバに通信可能に連結されたルータと、
前記複数のリクエストが前記データセンターに入ることを許可するかどうかを決定するためのアドミッションコントローラと
を備える、仮想化されたデータセンターアーキテクチャ。 - 複数のアプリケーションから複数のリクエストを受信するステップと、
複数のアプリケーションのうちの異なる1つに関するリクエストを処理するそれぞれの仮想マシン、及び、
それぞれのサーバ上で実行される1つ又は複数の仮想マシンに1つ又は複数のリソースを割り当てるリソース割り当て決定を生成するための、前記それぞれのサーバ上で実行されるローカルリソースマネージャ
を含む複数の物理サーバのそれぞれの前記1つ又は複数の仮想マシンに対して割り当て可能な前記1つ又は複数のサーバリソースを割り当てるステップと、
前記複数のサーバの中の個々のサーバへの前記複数のリクエストのそれぞれのルーティングを制御するステップと、
前記複数のリクエストが前記バッファに入ることを許可するかどうかをアドミッションコントローラが決定するステップと、
前記複数のサーバのうちのどのサーバがアクティブであるかを集中リソースマネージャが決定するステップであって、前記集中リソースマネージャの決定が、前記複数のサーバのそれぞれ及び前記ルータにおけるアプリケーション毎のバックログ情報に依存する、ステップと、を含み、
さらに、前記アドミッションコントローラによってなされるアドミッションコントロールに関する決定、前記複数のサーバのそれぞれにおける各ローカルリソースマネージャによってローカルで行われる、リソース割り当てに関してなされる決定、及び前記ルータによる、複数のサーバ間の、アプリケーションに関するリクエストのルーティングに関する決定が、互いに分離される、方法。
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