[论文解读] Distributed Hierarchical Control versus an Economic Model for Cloud Resource Management

Dan C. Marinescu, Ashkan Paya+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Cloud Computing and Resource Management参考文献 25被引用 11

一句话总结

本文比较了分布式分层控制与基于市场的经济模型在云资源管理中的应用，表明一种简单的竞价机制可将通信复杂度降低几个数量级，提升负载均衡能力，并提高请求接受率，尤其在高负载条件下表现更优，因此成为大规模云环境中传统分层监控机制更具可扩展性和鲁棒性的替代方案。

ABSTRACT

We investigate a hierarchically organized cloud infrastructure and compare distributed hierarchical control based on resource monitoring with market mechanisms for resource management. The latter do not require a model of the system, incur a low overhead, are robust, and satisfy several other desiderates of autonomic computing. We introduce several performance measures and report on simulation studies which show that a straightforward bidding scheme supports an effective admission control mechanism, while reducing the communication complexity by several orders of magnitude and also increasing the acceptance rate compared to hierarchical control and monitoring mechanisms. Resource management based on market-based mechanisms can be seen as an intermediate step towards cloud self-organization, an ideal alternative to current mechanisms for cloud resource management.

研究动机与目标

• 评估大规模云基础设施中分层控制与基于市场机制的可扩展性与效率。
• 解决分层控制存在的局限性，如通信开销高、依赖过时状态信息以及在高负载下鲁棒性差等问题。
• 探究一种简单的经济模型（含竞价机制）是否可作为传统云资源管理的可行、低开销替代方案。
• 评估基于市场的机制在请求准入控制、负载均衡以及不同工作负载下系统鲁棒性方面的性能表现。
• 将经济模型定位为实现完全自组织、自管理云架构的中间步骤。

提出的方法

• 使用离散事件仿真框架，模拟具有多个Web服务集群（WSCs）和服务器的分层组织云基础设施。
• 实现一种分布式分层控制模型，依赖于多级集中式监控与状态传播（如小区级和WSC级）。
• 设计一种基于市场的经济模型，其中服务器通过竞价过程参与新服务请求的分配，实现隐式准入控制。
• 采用简单、去中心化的竞价机制，资源分配由出价金额决定，无需全局状态跟踪。
• 通过关键指标衡量性能：通信复杂度、负载均衡、请求接受率以及高负载下的系统鲁棒性。
• 在不同系统负载（如80%平均服务器利用率）下对比两种模型的性能，以评估其可扩展性与弹性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模云系统中，分层控制的通信复杂度与基于市场的竞价模型相比如何？
• RQ2 仅通过简单经济模型中的竞价机制，是否可在无需显式全局状态监控的情况下实现有效的准入控制？
• RQ3 在高系统负载下，经济模型在请求接受率与负载均衡方面相较于分层控制的性能表现如何？
• RQ4 经济模型在多大程度上减少了分布式云环境中状态收集与传播的开销？
• RQ5 经济模型是否可作为实现自组织、自管理云基础设施的实际中间步骤？

主要发现

• 与分层控制相比，经济模型将通信复杂度降低了几个数量级，尤其在高负载下优势显著。
• 在80%平均服务器利用率下，经济模型维持了较高的请求接受率，而分层控制因通信瓶颈导致接受率显著下降。
• 经济模型在WSC之间实现了更优的负载均衡，并确保了随时间推移工作负载分布更均匀，优于分层控制。
• 经济模型具有内在鲁棒性：当服务器停止竞价时，可被动检测其故障，无需显式故障检测机制。
• 经济模型隐式实现准入控制——请求被拒绝并非因策略限制，而是因缺乏竞价，从而降低了系统复杂度。
• 仿真结果表明，经济模型在所有测量指标上均优于分层控制，尤其在压力条件下表现更优，因此更适合大规模、动态的云环境。