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幻灯片1
云计算仿真框架CloudSim介绍
(以下为本人某次报告做的调研的PPT及其它一些实践记录，为保证清晰度，一些插入的图片较大，可在新标签页中打开)
欢迎交流
2013年04月09日
幻灯片2
提纲
l 概况
l 原理与功能
l 云平台组件模拟
l 数据中心
l 服务代理
l 云信息服务
l 云平台行为模拟
l 云平台策略模拟
l 资源分配
l 任务调度
l 例子与扩展
l 相关研究文献
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幻灯片3
1.概况
l 1.1 产生背景
l 云计算得到广泛使用(北美)，需要对云环境下的资源分配与服务调度进行性能评测、优化等
l 构建实际的云平台成本高、效率低
l 公开的测试平台(Yahoo,Amazon)不易申请，规模较小，环境难以控制，结果难以重现
l 需要可重复的、可控制的、成本低廉的仿真环境
l 已经出现的分布式模拟器对虚拟化、应用管理及云计算的即用即付经济驱动的建模支持不足(GridSim,SimGrid,GangSim)
l 为简化云平台的建设与测试过程，澳大利亚墨尔本大学云计算与分布式系统实验室开发了CloudSim(2009)
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幻灯片4
1.概况
l 1.2 主要特点
l 支持在单一物理节点仿真和大规模云计算数据中心的实例化
l 提供虚拟化引擎以完成虚拟机服务的创建与管理
l 支持对数据中心网络拓扑与应用间消息传递的建模
l 实现了多个层面的资源分配与任务调度的策略，并支持用户自定义
l 支持虚拟机到主机的分配、虚拟机间资源共享策略的定义
l 支持节能的数据中心电力供应建模
l 支持仿真实体的动态加入、暂停与重启
l 通过数据中心代理组件实现了云计算的经济驱动模型
l 研究人员只需关注抽象层的算法、策略、协议的开发
l 可扩展的、开源的、随社区需求进化的框架:1.0->2.0->2.1->3.0->3.0.2(201211)
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幻灯片5
提纲
l 概况
l 原理与功能
l 云平台组件模拟
l 数据中心
l 服务代理
l 云信息服务
l 云平台行为模拟
l 云平台策略模拟
l 资源分配
l 任务调度
l 例子与扩展
l 相关研究文献
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幻灯片6
2.1云平台典型组件模拟
l 实体概念
l CloudSim模拟云系统中的主要实体Entity
l Datacenter:提供云平台的硬件资源
l DatacenterBroker:服务代理商
l CIS:提供信息资源的注册与查询
l 实体之间可以互相传递、处理事件event
l CloudSim将实体抽象为SimEntity，包含基本属性与操作：
l 实体初始化
l 事件处理
l 实体销毁
public abstract class SimEntity｛
private String name;
private int id;
private SimEvent evbuf;
private int state;
…
public abstract void startEntity();
public abstract void processEvent(SimEvent ev);
public abstract void shutdownEntity();
…
}
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幻灯片7
2.1云平台典型组件的模拟
l 云计算平台数据中心Datacenter
l 模拟云供应商的核心基础设施服务(硬件)
l 可设定指令架构、操作系统、VMM、调度间隔、成本、VM到主机的分配策略
l 管理一组物理主机Host
l 可以设定主机的处理器数目、CPU主频、RAM、硬盘、带宽、VM间共享资源的策略、资源静态分配策略。支持同构与异构的主机配置。
l 模拟数据中心网络行为
l 以延时矩阵的模型仿真网络拓扑
l Network Datacenter模块强化了对网络拓扑的模拟
l 3.0版本支持对应用程序之间的消息传递模拟
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幻灯片8
2.1云平台典型组件的模拟
l 云计算平台服务代理DatacenterBroker
l 与云服务的客户直接交互，充当客户与数据中心的中间人
l 对客户屏蔽了云数据中心的内部操作
l 设置VM参数：主频、处理器数目、VMM类型、带宽、镜像大小，对云任务的调度策略(时间共享、空间共享、动态负载）
l 定义Cloudlet：对处理器要求、指令长度、输入与输出文件大小，对CPU、RAM、带宽利用模式
l 用户只需向broker提交自己的上述服务请求即可
l 定义一系列属性与函数，用于客户与数据中心的协调
l VM创建请求
l 任务到VM的绑定策略
public void submitVmList(List<? extends Vm> list) {
getVmList().addAll(list);
}
public void submitCloudletList(List<? extends Cloudlet> list){
getCloudletList().addAll(list);
}
public void bindCloudletToVm(int cloudletId, int vmId){
CloudletList.getById(getCloudletList(), cloudletId).setVmId(vmId);
}
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幻灯片9
2.1云平台典型组件的模拟
l 云计算平台信息服务中心CloudInformationService
l 扮演平台的黄页服务角色
l 对新资源进行注册、加入索引
l 对实体的服务请求进行查询
l 在CloudSim初始化时自动创建
public class CloudInformationService extends SimEntity {
private final List<Integer> resList;
private final List<Integer> arList;
@Override
…
public void processEvent(SimEvent ev) {
int id = -1;
switch ( ev.getTag() ) {
case CloudSimTags.REGISTER_RESOURCE:
resList.add( (Integer) );break;
case CloudSimTags.REGISTER_RESOURCE_AR:
resList.add( (Integer) ev.getData() );
arList.add( (Integer) ev.getData() ); break;
case CloudSimTags.RESOURCE_LIST:
id = ( (Integer) ev.getData() ).intValue();
super.send(id, 0L, ev.getTag(), resList); break;
}
public boolean resourceExist(int id) {}
…
}
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幻灯片10
2.2云平台典型行为的模拟
l 行为Event
l 模拟了云平台中典型行为:虚拟机事件、任务事件、其它事件
l event的重要属性：内部类型、发生时间、等待时间、目的实体ID、源实体ID、用户定义的标签、数据
l 处理过程：
l event被创建后，被放入等待队列FutureQueue,在等待时间结束时未被处理的event会被移入DefferedQueue。
l 优点：任务被创建后可以随时被取消。
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幻灯片11
2.2云平台典型行为的模拟
l 虚拟机事件、任务事件、资源事件
l 创建VM(VM_CREATE)
l 添加VM数据(VM_DATA_ADD)
l 删除VM数据(VM_DATA_DEL)
l 迁移VM(VM_MIGRATE)
l 销毁VM(VM_DESTROY)
l 任务提交(CLOUDLET_SUBMIT)
l 任务暂停(CLOUDLET_PAUSE)
l 任务恢复(CLOUDLET_RESUME)
l 全局资源注册(REGISTER_REGIONAL_GIS)
l ……
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幻灯片12
2.3云平台典型策略的模拟
l 资源分配、任务调度策略
l 虚拟机到主机的分配(VmAllocationPolicy):合适的主机资源等
l 处理器能力分配(PeProvisioner)
l 带宽分配(BwProvisioner)
l 内存分配(RamProvisioner)
l 资源利用模式(UtilizationModel)
l 虚拟机间共享资源的实时调度(VmScheduler)
l VMM对虚拟机间共享处理器资源的策略：空间共享(VmSchedulerSpaceShared),时间共享(VmSchedulerTimeShared)
l 虚拟机内对任务的调度(CloudletScheduler)
l 虚拟机对收到的多个cloudlet共享处理器资源的策略：空间共享（CloudletSchedulerSpaceShared），时间共享(CloudletSchedulerTimeShared)
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幻灯片13
2.3云平台典型策略的模拟
l 资源分配、任务调度策略
l 继承相应的类，可进行扩展，实现自己的策略
l CloudSim元数据架构图
l 以虚拟机的主机分配策略为例
l 寻求能满足VM需求的Host，然后把VM创建到该Host上
l 核心函数:public abstract boolean allocateHostForVm(Vm vm);
l CloudSim已实现的一种分配策略VmAllocationSimple
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幻灯片14
提纲
l 概况
l 原理与功能
l 云平台组件模拟
l 云平台行为模拟
l 云平台策略模拟
Cloudsim的元数据结构图，蓝色为用于二次开发的：
l 例子与扩展
l 云任务到虚拟机绑定策略的设计与测试
l 典型应用扩展
l 相关研究文献
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幻灯片15
3.1实例呈现
整理、验证后的cloudsim 安装与配置：
0.安装配置Java环境，Java6即可支持CloudSim3.0了。
1.下载对应的包
2.把jar包添加到classpath中,这步可以不用。
先设置CloudSimHome
.;%JAVA_HOME%\lib;%JAVA_HOME%\lib\dt.jar;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar;F:\Application\Apache Software Foundation\lib;F:\Application\Microsoft SQL Server JDBC Driver 3.0\sqljdbc_3.0\enu\sqljdbc4.jar;F:\Application\Microsoft SQL Server JDBC Driver 3.0\sqljdbc_3.0\enu\sqljdbc.jar;C:\Program Files\Microsoft SQL Server 2000 Driver for JDBC\lib\msbase.jar;C:\Program Files\Microsoft SQL Server 2000 Driver for JDBC\lib\mssqlserver.jar;C:\Program Files\Microsoft SQL Server 2000 Driver for JDBC\lib\msutil.jar;%CloudSimHome%\jars;%CloudSimHome%\jars\cloudsim-3.0.2.jar;%CloudSimHome%\jars\cloudsim-3.0.2-sources.jar;%CloudSimHome%\jars\cloudsim-examples-3.0.2.jar;%CloudSimHome%\jars\cloudsim-examples-3.0.2-sources.jar;
3.下载flanagan.jar包用于运行例子
https://groups.google.com/group/cloudsim/attach/4391639148101948/flanagan.jar?part=4&authuser=0
在classpath中加入：
;%CloudSimHome%\jars\flanagan.jar
4.
运行步骤（ Eclipse中执行）
（1）首先启动Eclipse主程序，在Eclipse主界面上选择File→New→Project命令，打开“New Project”窗口
新建一个工程
（2）选择“Java Project”，单击“Next”，创建一个Java工程
（3）填写Java工程的名称，取消选择复选框“Use default location”，浏览CloudSim包（含源代码）所在的目录，并选定该目录
（4）单击“Next”按钮，显示Java工程的配置界面，该界面的选项卡包括源代码、工程和库等信息
（5）单击“Finish”按钮完成创建Java工程的工作
F在Eclipse的主界面上，选中一个实例的源代码，然后选中，右键运行程序
l 应用场景
l 扩展CloudSim的DataCenterBroker类中绑定任务到虚拟机的方法，实现两种策略：简单绑定、贪心绑定。在云平台配置、任务参数相同的情况下，比较设计的两种绑定策略的性能(完成任务的时间)。
l 相对简化的任务绑定策略实现
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幻灯片16
3.1实例呈现
l 主要步骤
l 0.编程环境准备:JDK6,CloudSim3.0,flanagan.jar(运行例子),eclipse
l 1.初始化CloudSim库
l 2.创建数据中心：创建处理单元，创建物理主机，创建数据中心特征对象
l 3.创建数据中心代理
l 4.创建虚拟机
l 5.创建云任务
l 6.指定任务到虚拟机的分配策略
l 7.启动仿真
l 8.结束仿真，统计、输出结果
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幻灯片17
3.1实例呈现
l 分析
l 对模型、策略的性能评估参数：耗时，CPU、RAM、带宽占用率及变化率
l 简单绑定策略VS贪心绑定策略
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数据中心 |
物理机配置 |
虚拟机配置 |
任务配置 |
|
3台物理机， 9台虚拟机 |
CPU：2400*4MIPS |
CPU：1000*1MIPS |
CPU：单核 |
|
内存：10000MB |
内存：2048MB |
长度：17000-82000MI |
|
|
带宽：1000000Mbps |
带宽：1000Mbps |
输入大小：350 bytes |
|
|
硬盘：1000000MB |
镜像：10000MB |
输出大小：300 bytes |
|
|
VM调度策略：TimeShared |
任务调度策略：SpaceShared |
绑定策略：简单绑定或贪心绑定 |
|
|
VMM类型：Xen |
数量：15 |
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幻灯片18
3.2典型应用扩展
l 利用CloudSim的仿真引擎进行应用订制与扩展
l CloudReport:提供云计算环境的可视化模拟，能生成网页报告，支持插件式的扩展。
l CloudAnalyst:研究跨地区的大规模社交网站如facebook对用户群需求的优化调度。
l RealCloudSim：基于CloudSim,NS2的虚拟机分配模拟器，能读取BRITE格式的网络拓扑并可视化呈现。
l CloudAuction：扩展CloudSim以支持基于拍卖的服务机制
l 典型应用扩展演示
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幻灯片19
提纲
l 概况
l 原理与功能
l 云平台组件模拟
l 云平台行为模拟
l 云平台策略模拟
l 例子与扩展
l 相关研究文献
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幻灯片20
4.基于CloudSim的研究文献
l CloudSim发布时间不长，但得到不少认可与应用，是学术界很流行的云平台仿真框架
l 抽取云计算特点，简化平台的构建，效率高；理论模型
(截至2013-04-09)：
|
数据库 |
数量 |
备注(检索于2013-04-09) |
|
EI |
60+ |
较多是专业的集群、云与网格计算会议 |
|
IEEE |
25+ |
|
|
CNKI |
80+ |
学位论文，核心期刊 |
|
Google Scholar |
600+ |
2013年近90篇 |
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幻灯片21
4.基于CloudSim的研究文献
l 主要应用思路：提出或改进某个模型(算法),扩展CloudSim相关接口，进行性能验证或比较(耗时、资源占用率与变化率）
l 资源分配策略
l 任务调度算法
l 虚拟机部署、迁移策略
l 资源负载均衡
l 节能模型
l 动态信任模型
l 数据加密模型
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幻灯片22
相关资源
l CloudSim主页：www.cloudbus.org/cloudsim
l CloudSim代码托管:code.google.com/p/cloudsim(源码分析)
l CloudSim讨论组：groups.google.com/forum/?fromgroups#!forum/cloudsim
l 深入介绍：CloudSim– A Toolkit for Modeling and Simulation of Cloud Computing Environments and Evaluation of Resource Provisioning Algorithms(Citations-223)
l 3.0加入的算法说明：Optimal Online Deterministic Algorithms and Adaptive Heuristics for Energy and Performance Efficient Dynamic Consolidation of Virtual Machines in Cloud Data Centers,2012
l 刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社,2011.
l Florian Fittkau. Simulating Cloud Deployment Options for Software migration support[D].Germany：University of Kiel,2012
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幻灯片23
云计算仿真框架CloudSim介绍
谢谢!
云计算仿真软件汇总：
名称 |
平台类型或语言 |
虚拟化建模 |
网络建模 |
物理环境建模 |
应用建模 |
通信建模 |
图形界面 |
代码许可 |
开发人员 |
备注 |
|
CloudSim |
Java lib/API |
支持 |
支持 |
简单：耗能 |
计算，数据传输 |
简单 |
无 |
开源 |
墨尔本大学 |
扩展性较好；发布较早较成熟；常用作其它模拟器的参照 |
|
CReST |
Java App |
支持 |
支持 |
简单：温度，耗能 |
简单 |
简单 |
有 |
开源 |
Bristol大学 |
|
|
FLE |
App |
不支持 |
不支持 |
支持：基于流体力学的温度、空调模拟 |
简单 |
简单 |
有 |
公司所有 |
富士实验室 |
|
|
CoolSim |
SaaS |
不支持 |
不支持 |
支持：基于流体力学的温度、空调模拟 |
简单 |
不支持 |
有 |
商业 |
Applied Math Modelling Inc. |
|
|
SimGrid |
C lib/API |
支持 |
支持 |
不支持 |
简单 | 不支持 |
无 |
开源 |
INRIA, Sci. & Tech. Institute |
|
|
VirtualCloud |
Java App |
支持 |
不支持 |
不支持 |
简单 |
无 |
学院所有 |
Indian Institute of Technology, Bombay |
||
|
Greencloud |
NS2,C++ |
简单 |
全面 |
支持耗能建模 |
简单计算，数据传输 |
复杂 |
有限 |
开源 |
University of Luxembourg |
|
|
iCanCloud |
C++,基于OMNET++与INET框架 |
支持 |
简单 |
不支持 |
简单 |
完善 |
有 |
开源 |
Universidad Complutense de Madrid |
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