移動通信網(wǎng)絡(luò)云計算的設(shè)計 - 全文

1 通信行業(yè)的新要求

　　縱觀當(dāng)前我國信息產(chǎn)業(yè)，3G無疑是今年最大的亮點，隨著3G市場的啟動，移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將成為亟待開拓的市場，移動搜索、無線社區(qū)、手機視頻等都可能成為3G時代的殺手級應(yīng)用。為此，廣大傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也紛紛發(fā)力，進軍移動互聯(lián)網(wǎng)市場，以期在"3G元年"跑馬圈地，搶占市場。對于云計算給產(chǎn)業(yè)帶來的變革，首先，云計算打破了傳統(tǒng)的IT產(chǎn)業(yè)格局，但目前還沒有形成穩(wěn)定的價值鏈分工，傳統(tǒng)的設(shè)備提供商正利用云計算廣泛地進入服務(wù)領(lǐng)域；其次，現(xiàn)有云計算解決方案呈現(xiàn)封閉、私有、定制化的特征，國際標(biāo)準(zhǔn)化工作剛剛起步，云計算開源項目非常活躍；再次，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商，如谷歌和亞馬遜等，他們在云計算方面領(lǐng)先于傳統(tǒng)的設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商。對于云計算時代需要解決的問題，他認(rèn)為，首先需要做互操作和標(biāo)準(zhǔn)化的工作，如果沒有一個國際標(biāo)準(zhǔn)或者一些事實標(biāo)準(zhǔn)，用戶從一個云平臺遷移到另一個云平臺將面臨很大的困難；其次，運營商的管理模式也要相應(yīng)變化，云計算強調(diào)的是集中資源形成資源共享，運營商如果想打造一個云計算平臺，必須建設(shè)一個統(tǒng)一的資源池，將其與未來的應(yīng)用協(xié)調(diào)在一起，形成對最終用戶的服務(wù)。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

　　各業(yè)務(wù)平臺采用的外購軟硬件類型各異，對于外購件異常帶來的業(yè)務(wù)中斷、系統(tǒng)故障等問題較難控制和規(guī)避；各廠家業(yè)務(wù)平臺提供的操作維護手段不同，需要運營商培訓(xùn)大量的技術(shù)人員熟悉各種維護系統(tǒng)，加大了維護成本的投入；業(yè)務(wù)平***立建設(shè)，不同地域、不同業(yè)務(wù)的處理能力嚴(yán)重負(fù)載不均，投資建設(shè)的硬件資源利用率不高。

　　從理論上分析，無論是何種業(yè)務(wù)，其處理邏輯都仍然屬于應(yīng)用程序范疇，任何應(yīng)用程序都可以簡單歸納為計算模式+存儲模式+通信模式的集合。為帶來有彈性、容量無限的系統(tǒng)，一般有兩種解決辦法：一是在同一機器上部署單一業(yè)務(wù)的多模塊或者選擇性地部署多個業(yè)務(wù)；二是通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)計性復(fù)用資源。前者對業(yè)務(wù)程序的依賴度很高，需要相互之間互不影響，對于同廠家同類型業(yè)務(wù)相對比較容易實現(xiàn)，只能在一定程度上實現(xiàn)資源共享。而虛擬化技術(shù)可以較好地隱藏資源復(fù)用和共享的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，能最大程度地減小結(jié)構(gòu)上與業(yè)務(wù)的耦合性。

　　當(dāng)然，僅依靠虛擬化技術(shù)還不能完全做到業(yè)務(wù)級彈性的調(diào)用控制，文章在下一章節(jié)將重點介紹業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化的完整解決方案。通過該方案移動運營商可得到：

　?。?） 業(yè)務(wù)按實際處理需要合理的獲取計算資源。從而使運營商不用在提供某種業(yè)務(wù)服務(wù)之前就要做計算資源的預(yù)測，消除了事先投入的風(fēng)險，使業(yè)務(wù)可以從小規(guī)模做起，隨著需求的增加通過業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化技術(shù)快速擴展業(yè)務(wù)占用的硬件資源。

　?。?） 解決不同地區(qū)、不同時段的業(yè)務(wù)不均衡問題。一方面可以在日常業(yè)務(wù)量相對較低的情況下通過減少硬件資源的占用降低電源損耗；另一方面可以在節(jié)假日或未預(yù)期到的業(yè)務(wù)峰值出現(xiàn)時通過擴大硬件資源占用來規(guī)避運營風(fēng)險。

　　（3） 提供了一種將大量移動網(wǎng)絡(luò)資源對外租借的可能。計算資源虛擬化后，能以短時間為單位付費，租借方可按需申請使用計算資源。

　　2 業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化方案

　　針對上述移動運營商的迫切要求，文章給出了一種將虛擬化與業(yè)務(wù)調(diào)度相結(jié)合的整體解決方案，其模型架構(gòu)如圖1所示。

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　　核心管理部件主要包括虛擬機管理系統(tǒng)及業(yè)務(wù)調(diào)度中心。從方案設(shè)計角度將底層物理設(shè)備的虛擬化與業(yè)務(wù)層面的處理能力控制分離。

　　一個應(yīng)用程序必然需要一個計算模式、一個存儲模式和一個通信模式。為實現(xiàn)計算資源的彈性和無限鏡像，最現(xiàn)實的辦法就是將這些資源虛擬化，面對應(yīng)用隱藏它們的復(fù)用和共享機制。不同的公用計算會根據(jù)抽象性和管理層次加以區(qū)分。本方案提出將移動通信業(yè)務(wù)計算云分為兩級進行管理，其一是將物理硬件虛擬為抽象計算單元的過程，該過程不受上層業(yè)務(wù)的影響，所有計算單元屬性均保持一致；其二是針對差異化業(yè)務(wù)的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)處理邏輯、業(yè)務(wù)性能要求以及資源占用預(yù)期對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行伸縮性控制。通過業(yè)務(wù)調(diào)度中心與虛擬機管理系統(tǒng)的配合，滿足運營商多業(yè)務(wù)實時動態(tài)資源調(diào)整的要求。

　　目前虛擬機技術(shù)已日漸成熟，大多數(shù)主流的虛擬機廠家通過XEM、KVM等核心技術(shù)實現(xiàn)對硬件CPU、內(nèi)存資源的虛擬單元構(gòu)建，虛擬機技術(shù)主要包括以下四大特征：

　　可在單一物理服務(wù)器上同時運行多個虛擬單元；

　　在同一物理硬件設(shè)備上的虛擬機之間相互隔離；

　　可將完整的虛擬單元都保存在文件中，通過移動和復(fù)制這些文件的方式來移動和復(fù)制該虛擬單元；

　　可屏蔽虛擬單元與底層物理硬件的關(guān)聯(lián)，無需修改即可在任何服務(wù)器上平滑遷移。

　　虛擬化技術(shù)將物理資源轉(zhuǎn)化為便于切分的資源池，在設(shè)計理念上符合云計算的基本條件，具有通用的資源調(diào)度能力；但在通信領(lǐng)域的實際使用過程中，需要調(diào)度的資源不僅僅局限于虛擬單元本身，移動運營商急需一種針對不同業(yè)務(wù)應(yīng)用進行集中能力控制的解決方案，可以實時監(jiān)測全網(wǎng)多種業(yè)務(wù)流量動態(tài)，智能判斷各業(yè)務(wù)間的負(fù)荷關(guān)系，平衡硬件及虛擬單元的資源分配。

　　文章通過在虛擬機技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建業(yè)務(wù)調(diào)度模塊的方式彌補了虛擬機技術(shù)對通信業(yè)務(wù)控制層面的不足。調(diào)度中心與虛擬機管理系統(tǒng)配合完成調(diào)度的模型如圖2所示。

調(diào)度中心內(nèi)部可細(xì)分為四大功能模塊：

　?。?） 業(yè)務(wù)智能調(diào)度分析模塊：作為調(diào)度中心的核心處理模塊，根據(jù)實時監(jiān)控采集匯總的各業(yè)務(wù)運行數(shù)據(jù)，綜合分析當(dāng)前業(yè)務(wù)層處理能力情況，對各業(yè)務(wù)許可證進行調(diào)節(jié)。在必要時可通過與虛擬機管理系統(tǒng)直接的交互申請空閑計算單元或釋放已占用冗余計算單元，通過自動部署模塊式進行業(yè)務(wù)快速加載、卸載，動態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)許可證處理能力。同時該模塊還負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)節(jié)點的伸縮情況動態(tài)通知到外圍接口分發(fā)設(shè)備（如：四層交換機、協(xié)議接口機設(shè)備等）。

　　（2） 實時處理能力采集模塊：通過與各業(yè)務(wù)處理之間的交互實現(xiàn)對各業(yè)務(wù)實時消息處理流量、數(shù)據(jù)庫資源占用要求、處理能力狀況等信息進行采集。支持兩種采集模式：業(yè)務(wù)進程定時上報模式，以及調(diào)度子系統(tǒng)發(fā)消息主動驅(qū)動采集模式。并將采集到的數(shù)據(jù)寫入調(diào)度分析庫，以便進行智能調(diào)度策略分析。

　　（3） 自動部署模塊：根據(jù)業(yè)務(wù)智能調(diào)度分析模塊的部署消息把指定的業(yè)務(wù)包加載到指定計算單元上或停止業(yè)務(wù)清理該計算單元上的業(yè)務(wù)包程序。

　?。?） 人機操作維護：提供人機操作界面，一方面可對業(yè)務(wù)模塊運行狀態(tài)進行監(jiān)控，另一方面可提供人工手動干預(yù)調(diào)度的功能。

　　調(diào)度中心通過上述的模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)與虛擬化管理平臺協(xié)同工作，可以真正實現(xiàn)對移動通信領(lǐng)域業(yè)務(wù)處理的動態(tài)調(diào)節(jié)和資源復(fù)用。具體調(diào)度過程如圖3所示。

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　　通過對業(yè)務(wù)處理單元進行實際業(yè)務(wù)量跟蹤監(jiān)測，結(jié)合智能調(diào)度分析中心配置的調(diào)度策略與閥值，動態(tài)進行業(yè)務(wù)許可證的彈性伸縮控制。

　　智能調(diào)度分析策略可主要分為以下幾類:

　?。?） 冗災(zāi)性調(diào)度策略：針對某一業(yè)務(wù)處理單元異常情況下，分析其他同類業(yè)務(wù)處理單元是否能夠分擔(dān)該業(yè)務(wù)節(jié)點的工作，在必要時申請新的虛擬計算單元接管原有業(yè)務(wù)處理，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

　　（2） 周期性休眠策略：根據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化識別周期性調(diào)整要求，根據(jù)規(guī)律釋放、申請計算單元。為達(dá)到業(yè)務(wù)快速啟停切換的目的，釋放的計算單元可仍保留原業(yè)務(wù)程序，僅在狀態(tài)上實現(xiàn)休眠和激活，以節(jié)約能耗。

　?。?） 業(yè)務(wù)發(fā)展調(diào)整策略：根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的情況確定是否需要增加或減少計算資源的占用，并完成業(yè)務(wù)的自動加載和卸載。

　　以上3種分析策略是由調(diào)度中心的核心部件--智能調(diào)度分析模塊予以實現(xiàn)，該模塊負(fù)責(zé)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對虛擬資源進行整體調(diào)控，為實現(xiàn)非人為干預(yù)的動態(tài)調(diào)控需要通過一系列比對算法完成多項指標(biāo)的評測，根據(jù)綜合評測結(jié)果發(fā)出資源調(diào)配指令[11].為簡化描述，文章僅給出一種通用計算模型：

　?。?） 采樣條件：

　　采樣時間間隔：1s.

　　（2） 采樣數(shù)據(jù)：

　　當(dāng)前采樣點虛擬單元承載"業(yè)務(wù)類型1"處理許可證為：Llic;

　　當(dāng)前采樣點虛擬單元占用CPU為：Lcpu;

　　當(dāng)前采樣點虛擬單元占用內(nèi)存為：Lmemory;

　　當(dāng)前采樣點虛擬單元占用輸入輸出端口（I/O）資源：Lio.

　　上述參數(shù)在計算中所占權(quán)值分別為R1-R4,該權(quán)值表示不同類型的業(yè)務(wù)應(yīng)用在計算單元中占用的資源偏差[12].例如，短消息服務(wù)中心（SMSC）業(yè)務(wù)處理服務(wù)器，我們采用以系數(shù){0.3, 0.3, 0.3, 0.1},這里認(rèn)為計算單元在承載SMSC業(yè)務(wù)時CPU占用、許可證處理及內(nèi)存較其他參數(shù)重要一些。若當(dāng)前的系數(shù)Ri（指R1-R4）不能很好地反映應(yīng)用的負(fù)載，可以對系數(shù)不斷地修正，直到找到貼近當(dāng)前應(yīng)用的一組系數(shù)[13-15].

　?。?） 采樣值計算公式：

　　LOAD（Ni）= R1×Llic （Ni）+R2 × Lcpu（Ni ）+R3× Lmemory（Ni）+R4 × Lio（Ni）

　?。?） 判斷周期及方法：

　　針對上述加權(quán)后的負(fù)載值，可通過多次連續(xù)取樣的方式進行綜合判斷。關(guān)于采集權(quán)值的周期設(shè)置，雖然很短的周期可以更確切地反映各個計算單元的即時負(fù)載，但是很頻繁地采集會給調(diào)度中心和被檢測計算單元帶來負(fù)擔(dān)，也可能增加不必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷[16].為解決該問題可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整采集負(fù)載信息的周期（建議可以在10~15 s）；同時使用滑動窗口來避免采樣數(shù)據(jù)的抖動。

　?。?） 調(diào)度決策：

　　根據(jù)以上多次周期性采樣獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合虛擬單元的負(fù)載區(qū)間進行比對，實現(xiàn)對計算單元負(fù)載的智能判斷并采取相應(yīng)的調(diào)度處理策略。

　　通過以上方案可切實解決移動運營商建設(shè)可伸縮性業(yè)務(wù)平臺的要求，有效降低業(yè)務(wù)平臺的資本性支出（CAPEX）和運營成本（OPEX），減少投資浪費，獲取更大的利潤空間。

　　3 結(jié)束語

　　在目前移動通信網(wǎng)絡(luò)各業(yè)務(wù)平臺仍處于獨立建設(shè)的情況下，運營商在前期建設(shè)投資過程中往往都是根據(jù)預(yù)測的節(jié)假日最大業(yè)務(wù)量峰值評估規(guī)模，這樣即便峰值預(yù)估準(zhǔn)確也會造成投資的浪費。同時如果低估了峰值出現(xiàn)配置不足的情況，則可能會導(dǎo)致直接拒絕超量用戶的業(yè)務(wù)請求。不僅被拒絕的用戶不可能帶來任何收益，而且由于業(yè)務(wù)服務(wù)感知差，致使用戶失去信心不會再次使用，造成用戶流失的嚴(yán)重后果。

　　如圖4所示，通過業(yè)務(wù)層的動態(tài)調(diào)度結(jié)合虛擬化技術(shù)可使資源分配與實際業(yè)務(wù)量曲線趨于一致，規(guī)避上述兩種情況的發(fā)生。

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　　文章中提出的"業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化"是移動通信網(wǎng)絡(luò)云化的一種可選方案，具備云計算思想的以下特征：

　?。?） 可按需獲取看似無限的計算資源，使云計算用戶不用在提供服務(wù)很久之前就要做計算資源的計劃。

　　（2） 消除了云用戶的事先投入，從而使業(yè)務(wù)可以從小規(guī)模做起，隨著需求增加來擴展他們的硬件資源。

　　（3） 能夠以很短的時間為單位付費按需使用計算資源，不需要的時候就將這些資源釋放。這樣，通過將閑置的機器和存儲器釋放來節(jié)省開支。

　　業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化技術(shù)方案的提出為移動通信產(chǎn)業(yè)的計算云落地提供了一種具體的解決思路和方法。相信在不久的將來，業(yè)務(wù)調(diào)度和虛擬化技術(shù)的解決方案會逐步成為移動通信產(chǎn)業(yè)的主要建設(shè)模式。
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