云计算环境下面向复杂工程应用的资源管理调度方法研究

Cloud systems can provide low-cost massive computing and storage resources as well as the flexibility of customizing the operating environment to Complex Engineering Applications (CEA). However, the majority of current cloud systems and the corresponding techniques primarily aim at the Internet-based applications. CEA brings in grand challenges to cloud computing since they are significantly distinguishable from those service-oriented Internet-based applications due to their inherent features, such as workload variations, process control, resource requirements, environment configurations, life-cycle management, reliability maintenance, etc. Targeting such characteristics, this project strives to resolve the key scientific problems of improving the performance of CEA for cloud computing systems.1) How to build a new cloud resource organization model for the characteristics of CEA? 2) How to design virtualized resource management techniques for CEA in the cloud environment? 3)How to schedule the cloud resources in order to enhance CEA performance and cloud system capacity? To address these problems, this project focuses on the studies on application-driven heterogeneous resource organization, efficient virtualization techniques for resource management feature-aware multi-dimensional resource scheduling, and so on. By these, this project can achieve a major breakthrough in theories, methods and techniques, and then establishes the resource management and scheduling systems targeting CEA in clouds. Further, this project plans to adopt two typical CEA (e.g., vessel designs and VLSI designs) to effectively evaluate our research fruits, and in turn tune our proposed methods and techniques subject to the corresponding experimental results. Eventually, this project will optimize both the overall performance of CEA and the resource utilization on cloud platforms, which can pave the way for the CEA in cloud systems from the aspects of both theory and practice.

复杂工程应用可以借助云计算获得集约化、低成本的海量计算与存储资源服务，以及灵活定制的运行环境；但现有云计算环境主要面向互联网应用，难以适应复杂工程应用在应用负载、流程控制、资源需求、环境配置、生命周期管理以及可靠性维护等方面的特点与需求。针对上述问题，本项目主要研究：如何构建适合复杂工程应用特征的新型云资源组织方式？如何设计云环境下面向复杂工程应用的虚拟化资源管理技术？如何在云环境中进行合理的资源调度以提升复杂工程应用性能和系统服务能力？本项目将构建适合复杂工程应用的云计算资源管理调度体系，在应用驱动的异构资源组织、效率优化的虚拟化资源管理、特征感知的多维资源调度等方面取得理论、方法、技术的创新，并以船舶计算机辅助设计与集成电路设计为示范应用，对研究成果进行验证与完善，最终优化复杂工程应用在云环境下的整体性能，为建设适合复杂工程应用的云计算环境奠定理论和实践基础。

云计算能够为复杂工程应用提供集约化、低成本的海量计算与存储资源服务，以及灵活定制的运行环境。但现有云计算环境主要面向互联网应用，难以适应复杂工程应用在应用负载、流程控制、资源需求、环境配置、生命周期管理以及可靠性维护等方面的特点与需求。将复杂工程应用直接运行于云计算环境较难取得理想效果。.针对这一问题，本课题首先从复杂工程应用的缓存、内存以及通信等特征出发，分析它对云平台的资源组织方式的要求，在广度及深度上研究异构资源（GPU+CPU）组织方式以及虚拟化技术所能支持的新型资源（NVM）组织方式。然后，在资源组织方式的理论研究基础上，针对复杂工程应用大计算量、I/O 密集、消息通信频繁等应用特征，研究虚拟CPU调度、虚拟机内存大页管理、虚拟磁盘I/O调度 、虚拟机镜像部署、虚拟机生命周期管理以及虚拟集群管理等关键技术，设计并优化相关技术手段。最后，面向复杂工程应用流程处理复杂、计算环境异构、资源需求动态多样的特点，在云平台资源组织方式和虚拟化资源效率优化的研究基础上，以提高复杂工程应用总体性能为核心目标来设计合理的面向云计算平台的资源调度策略及调度算法。.本课题取得了一系列有影响力的成果，在重要国际学术期刊或有影响的国际学术会议发表论文 82篇，其中IEEE/ACM Transactions 等顶级期刊和 CCF A和B类顶级国际会议论文24篇；相关成果以专利等形式形成我国的自主知识产权，获批发明专利20项，申请发明专利31项；培养了一批在相关研究方向具有创新能力的优秀中青年人才（1人获得国家杰出青年基金项目支持，1人获得科技部“万人计划”科技创新领军人才称号，2人入选科技部重点领域科技创新团队）。本课题研究成果为建设适合复杂工程应用的云计算环境奠定了理论和实践基础。