Методи розподілу ресурсів в комп'ютерних системах при наданні хмарних інфраструктурних послуг

Abstract

Дисертація на здобуття наукового доктора філософії (PhD) за спеціальністю 123 – Комп'ютерна інженерія. – Національний технічний інститут «Харківський політехнічний інститут», Україна, Харків, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі щодо підвищення ефективності використання хмарних обчислювальних ресурсів при застосуванні технології, що базується на моделі «Інфраструктура у якості сервісу», шляхом розробки методів розподілу ресурсів у хмарному середовищі. Об’єкт дослідження – процес розподілу ресурсів у хмарному середовищі при використанні технології, що базується на моделі «Інфраструктура у якості сервісу». Предмет дослідження – методи розподілу ресурсів у комп'ютерних системах, інфраструктура яких міститься у хмарному середовищі. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності використання хмарних обчислювальних ресурсів при використанні технології, що базується на моделі «Інфраструктура у якості сервісу» шляхом розробки методів розподілу ресурсів між користувачами хмари. У вступі обґрунтовано актуальність розподілу ресурсів у хмарному середовищі, представлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, наведено наукову новизну, представлено практичне значення отриманих результатів, надано інформацію щодо особистого внеску здобувача, представлено перелік публікацій за темою дисертації. У першому розділі проведений аналіз методів розподілу ресурсів у хмарних середовищах. Зокрема, розглянуті Особливості хмарних обчислювальних систем та розподілу ресурсів в них. Проаналізовані існуючі статичні і динамічні методи розподілу ресурсів у віртуальних середовищах. Проведений порівняльний аналіз підходів до розподілу ресурсів у хмарному середовищі з різними моделями обслуговування. На основі проведеного аналізу сформульовані задачі дослідження. У другому розділі основна увага приділена завданню базового виділення ресурсів хмарного середовища з моделлю обслуговування «Інфраструктура у якості сервісу». Для його вирішення проведена декомпозиція хмарного середовища, обґрунтований вибір методу для базового виділення хмарних ресурсів та запропонований метод базового виділення ресурсів хмарного середовища користувачу, орієнтованому на модель IaaS. Також наведений приклад базового завантаження віртуального хоста за допомогою запропонованого метода. У третьому розділі запропонований розгляд етапів методу адаптивного розподілу хмарних ресурсів при використанні моделі обслуговування «Інфраструктура у якості сервісу». Зокрема, проведене узагальнення вимог до методу розподілу хмарних ресурсів при використанні моделі обслуговування «Інфраструктура у якості сервісу» та запропонована структура методу адаптивного розподілу хмарних ресурсів. В межах даної структури розроблені метод адаптивного прогнозування на основі тесту на послідовність серій, метод превентивного формування черг запитів на віртуальні машини хмарного середовища та модель багатоцільового розподілу ресурсів, які дали можливість реалізувати адаптивний розподіл хмарних ресурсів у випадку використання моделі обслуговування «Інфраструктура у якості сервісу». У четвертому розділі проведені дослідження запропонованих методів розподілу ресурсів в комп'ютерних системах при наданні хмарних інфраструктурних послуг. Зокрема, досліджені на імітаційній моделі методи прогнозування запитів на ресурси на основі тесту на послідовність серій та адаптивного розподілу хмарних ресурсів. Також наведені практичні рекомендації по використанню адаптивного методу розподілу хмарних ресурсів. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: 1) отримав подальший розвиток метод базового виділення ресурсів хмарного середовища користувачу, орієнтованому на модель «Інфраструктура у якості сервісу», шляхом попередньої декомпозиції множини доступних ресурсів на зони за допомогою введення нерівномірних шкал та використання методу аналізу ієрархій, що дозволяє підвищити рівень балансування завантаження хмарних ресурсів; 2) вперше розроблено метод превентивного формування черг запитів на віртуальні машини хмарного середовища при використанні технології, орієнтованої на модель «Інфраструктура у якості сервісу», який враховує результати аналізу попередніх даних та базується на моделі багатоцільового розподілу хмарних ресурсів, що дозволяє завчасно провести прогнозування завантаженості фізичних пристроїв хмарного середовища та запобігти втратам обчислювального ресурсу; 3) удосконалено метод адаптивного розподілу ресурсів хмарного середовища, який відрізняється від відомих використанням тестування на послідовність серій, математичного апарату удосконаленого генетичного алгоритму NSGA-II та результатами прогнозу запитів на віртуальні машини, що дозволяє підвищити ефективність використання хмарних обчислювальних ресурсів за рахунок реалізації балансу між ресурсами центрального процесора та оперативної пам'яті та зменшення затримки в обслуговуванні хмарних ресурсів. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені у роботі методи є науково-практичною основою для подальшого удосконалення хмарного середовища, при використанні технології, орієнтованої на модель «Інфраструктура у якості сервісу». Представлені на їх основі інженерні методи та алгоритми дають змогу: – провести короткочасне прогнозування можливих запитів на обчислювальні ресурси хмарного середовища при використанні технології, орієнтованої на модель «Інфраструктура у якості сервісу»; – сформувати можливі черги запитів на найбільш витратний за часом формування хмарний ресурс – віртуальні машини, з відхиленням від реальних запитів не більше 15%; – підвищити рівень балансування завантаження обчислювальних ресурсів хмарного середовища при використанні технології, орієнтованої на модель «Інфраструктура у якості сервісу», за показником середнього квадратичного відхилення до 8%; – зменшити затримку в обслуговуванні обчислювальних ресурсів до 5%. За результатами дослідження підтверджено практичну та теоретичну цінність розроблених методів, надано практичні рекомендації, щодо застосування розроблених методів та розглянуто перспективи їх подальшого розвитку.Dissertation for obtaining a scientific doctor of philosophy (PhD) in specialty 123 - Computer engineering. - National Technical Institute "Kharkiv Polytechnic Institute", Ukraine, Kharkiv, 2023. The dissertation is devoted to solving the current scientific problem of developing methods of resource allocation in a cloud computing environment to increase the efficiency of their use and minimize costs when using technology based on the "Infrastructure as a service" model. The object of research is the process of resource allocation in a cloud computing environment using technology based on the "Infrastructure as a service" model. The subject of research is methods of resource allocation in computer systems, the infrastructure of which is contained in a cloud computing environment. The aim of the dissertation work is to increase the efficiency of cloud computing resources when using technology based on the "Infrastructure as a service" model by developing methods of resource distribution among cloud users. The introduction substantiates the relevance of the distribution of resources in the cloud computing environment, presents the connection of the work with scientific programs, plans and topics, provides scientific novelty, presents the practical significance of the obtained results, provides information on the personal contribution of the recipient, presents a list of publications on the topic of the dissertation. In the first chapter, an analysis of resource allocation methods in cloud computing environments is carried out. In particular, the Peculiarities of cloud computing systems and the distribution of resources in them are considered. Existing static and dynamic methods of resource allocation in virtual environments are analyzed. A comparative analysis of approaches to resource allocation in a cloud computing environment with different service models was carried out. Based on the analysis, the research objectives were formulated. In the second chapter, the main attention is paid to the task of basic resource allocation of the cloud environment with the service model "Infrastructure as a service". To solve it, the decomposition of the cloud computing environment, the justified choice of the method for the basic allocation of cloud resources, and the proposed method of the basic allocation of resources of the cloud environment to the user, oriented on the IaaS model, were made. An example of a basic virtual host load using the proposed method is also provided. In the third section, consideration of the stages of the method of adaptive distribution of cloud resources when using the service model "Infrastructure as a service" is proposed. In particular, a generalization of the requirements for the method of cloud resource distribution when using the service model "Infrastructure as a service" was carried out and the structure of the method of adaptive distribution of cloud resources was proposed. Within the framework of this structure, the method of adaptive forecasting based on the series sequence test, the method of preventive formation of queues of requests for virtual machines of the cloud computing environment and the model of multi-purpose distribution of resources were developed, which made it possible to implement the adaptive distribution of cloud resources in the case of using the service model "Infrastructure as a service". In the fourth chapter, studies of the proposed methods of resource allocation in computer systems for the provision of cloud infrastructure services are carried out. In particular, the methods of forecasting requests for resources based on the series sequence test and adaptive distribution of cloud resources were studied on a simulation model. Practical recommendations for using the adaptive method of cloud resource allocation are also given. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are presented. According to the results of the research, the following scientific results were obtained: 1) the method of basic resource allocation of the cloud computing environment to the user oriented to the "Infrastructure as a service" model was further developed by preliminary decomposition of the set of available resources into zones using the introduction of uneven scales and the use of the method of analysis of hierarchies, which allows to increase the level of load balancing of cloud resources; 2) for the first time, a method of preventive formation of queues of requests for virtual machines of the cloud computing environment was developed using technology oriented to the "Infrastructure as a service" model, which takes into account the results of the analysis of previous data and is based on a model of multi-purpose distribution of cloud resources, which allows for early forecasting of the load of physical cloud environment devices and prevent loss of computing resources; 3) the method of adaptive distribution of resources of the cloud computing environment has been improved, which differs from the known ones by the use of series sequence testing, the mathematical apparatus of the improved genetic algorithm NSGA-II and the results of the forecast of requests for virtual machines, which allows to increase the efficiency of the use of cloud computing resources due to the implementation of a balance between resources of the central processor and RAM and reducing the delay in servicing cloud resources. The practical significance of the obtained results is that the methods developed in the work are a scientific and practical basis for the further improvement of the cloud computing environment, when using technology focused on the "Infrastructure as a service" model. The engineering methods and algorithms presented on their basis enable: - carry out short-term forecasting of possible requests for computing resources of the cloud environment when using technology focused on the "Infrastructure as a service" model; - form possible queues of requests for the most time-consuming cloud resource - virtual machines, with a deviation from real requests of no more than 15%; - increase the level of load balancing of computing resources of the cloud environment when using technology focused on the "Infrastructure as a service" model, based on the average squared deviation of up to 8%; - reduce the delay in servicing computing resources to 5%. Based on the results of the study, the practical and theoretical value of the developed methods was confirmed, practical recommendations were given regarding the application of the developed methods, and the prospects for their further development were considered.