專利名稱：一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的云計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)負(fù)載預(yù)測(cè)方法，具體涉及一種云計(jì)算平臺(tái)中物理機(jī)或虛擬 機(jī)的負(fù)載預(yù)測(cè)，屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了提高整個(gè)云計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)資源利用率，需要對(duì)各個(gè)物理機(jī)上運(yùn)行的虛擬機(jī) 進(jìn)行調(diào)度。但是，通過(guò)查看物理機(jī)與虛擬機(jī)信息的方法，只能得到現(xiàn)有時(shí)刻的負(fù)載狀況。因 此，應(yīng)當(dāng)建立適當(dāng)模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)在未來(lái)時(shí)刻的負(fù)載需求，從而實(shí)現(xiàn)有效合理的調(diào)度。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載預(yù)測(cè)有兩個(gè)目標(biāo)i.預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差盡可能??；ii.預(yù) 測(cè)值大于實(shí)際值。后者是出于以下想法對(duì)于每個(gè)虛擬機(jī)，寧可多分配系統(tǒng)資源，以避免因 系統(tǒng)資源不足造成應(yīng)用無(wú)法正常執(zhí)行。而在實(shí)際的模型中，這兩點(diǎn)往往需要做出權(quán)衡。Roberts T 1959 ρ^ Exponentially Weighted Moving Average (
稱EWMA)方法目前被應(yīng)用于諸多計(jì)算機(jī)領(lǐng)域(ROBERTS，S. W. (1959). Control chart tests based on geometric moving average. Technometrics 1239-250)。這是一個(gè)短期預(yù)測(cè)模 型，其形式如下E(t) = α E(t-l) + (l-a )0(t)其中E(t)表示在時(shí)刻t的預(yù)測(cè)值，0(t)表示在時(shí)刻t的實(shí)際觀察值，α是一個(gè)固 定的權(quán)重，在0到1之間取值。EWMA方法存在的問(wèn)題包括當(dāng)負(fù)載序列呈上升趨勢(shì)時(shí)，預(yù)測(cè)值將始終位于歷史數(shù) 據(jù)與實(shí)際值之間，無(wú)法滿足目標(biāo)ii ； α的值是固定的，需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，且不能適應(yīng)不同 階段的負(fù)載特征；EWMA只能對(duì)負(fù)載進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，無(wú)法刻畫負(fù)載的周期性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
為便于說(shuō)明，本文約定t表示時(shí)刻，T表示一個(gè)負(fù)載周期；0(t)表示時(shí)刻t的系統(tǒng) 負(fù)載實(shí)際值，在每個(gè)時(shí)刻t由系統(tǒng)給出；E(t)表示在時(shí)刻t對(duì)時(shí)刻t+Ι系統(tǒng)負(fù)載的短期預(yù) 測(cè)值；ET(t)表示在時(shí)刻t對(duì)時(shí)刻t+T系統(tǒng)負(fù)載的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)值；a (t)表示用于求E (t)的參 數(shù)；a τ⑴表示用于求 Et(t)的參數(shù)；E(0) ,E(I) · · . · · E(t_l)、0(0)、0(1) · · . · · 0(t_l)統(tǒng)稱 為歷史數(shù)據(jù)。本發(fā)明的目的是提供一種參數(shù)實(shí)時(shí)更新機(jī)制，用以解決EWMA中固定參數(shù)造成的 預(yù)測(cè)精度下降；通過(guò)將參數(shù)的取值范圍擴(kuò)大到[_1，1]區(qū)間上，以達(dá)到預(yù)測(cè)值略大于實(shí)際值 的目的；將方法推廣至長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，反映負(fù)載的周期性；將長(zhǎng)期預(yù)測(cè)與短期預(yù)測(cè)相結(jié)合。本發(fā)明的原理是在每個(gè)時(shí)刻t，先通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用得到當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載 0(t)；接著在執(zhí)行短期預(yù)測(cè)時(shí)，利用0(t)值與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算a (t)與E(t)；在執(zhí)行長(zhǎng)期預(yù) 測(cè)時(shí)，利用0(t)與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算aT(t) %ET(t)；最后取E(t-l) %ET(t-T)中的較大值作 為時(shí)刻t的輸出值。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下
方案1 一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的云計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下 步驟(流程參見圖1)A.在時(shí)刻t，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算得到時(shí)刻t的系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載0(t)；B.執(zhí)行短期預(yù)測(cè)利用0(t)值與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算α (t)與E(t)；C.執(zhí)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)利用0(t)與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算α T(t)與Et (t)；D.綜合短期預(yù)測(cè)與長(zhǎng)期預(yù)測(cè)當(dāng)t < T時(shí)，輸出0(t)，轉(zhuǎn)步驟E ；否則，取E(t-l)， ET(t-T) 二者的最大值或者平均值作為時(shí)刻t的輸出；E.更新歷史數(shù)據(jù)，等待時(shí)刻t+Ι，轉(zhuǎn)步驟A。方案2:為方案1的一種優(yōu)選方案，其特征在于，步驟A中的系統(tǒng)調(diào)用為調(diào)用虛擬 機(jī)管理器提供的應(yīng)用程序接口，或者抽樣查看虛擬機(jī)內(nèi)存頁(yè)，或者調(diào)用用戶自定義的方法。方案3 為方案2的一種優(yōu)選方案，其特征在于，獲取系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載0(t)的方法 為對(duì)于每個(gè)虛擬機(jī)，隨機(jī)抽樣選取一個(gè)工作集，通過(guò)統(tǒng)計(jì)工作集的負(fù)載得到整個(gè)虛擬機(jī)的 負(fù)載狀況。方案4 為方案1的一種優(yōu)選方案，其特征在于，步驟B的實(shí)現(xiàn)方法為Bi.初始情況下，即t = 0時(shí)，取E(t) = 0(t)，轉(zhuǎn)入步驟C;否則，轉(zhuǎn)入步驟B2 ；B2.上一次短期預(yù)測(cè)的平方誤差為f [a (t) ] = [Ε (t_l) _0 (t) ]2，將經(jīng)典EWMA公 式E(t) = α (t)E(t-l) + [l-a (t) ] 0 (t)代入，展開，利用保存的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)造誤差多項(xiàng)式 f[a (t)] = {[E(t-3)-0(t_2)]*a (t) 2+
* a (t)+
}2，這是 一個(gè)關(guān)于a (t)的多項(xiàng)式函數(shù)；B3.對(duì)誤差多項(xiàng)式f[a (t)]求導(dǎo)，得到導(dǎo)函數(shù)f’ [a (t)]，解出它在[_1，1]區(qū)間 上的所有解；若誤差多項(xiàng)式不存在或f’ [a (t)]在[_1，1]上無(wú)解，取a (t) = -1，轉(zhuǎn)入步 驟B5;否則，由于f[a (t)]次數(shù)不超過(guò)四次，因此f’ [a (t)]在[_1，1]上的解數(shù)不超過(guò)3 個(gè)，將解集記為S，轉(zhuǎn)入步驟B4 ；B4.求誤差多項(xiàng)式f[a (t)]對(duì)S U {-1,1}里所有元素的函數(shù)值，比較它們的大 小，選取它們中最小的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的自變量值為a (t)；若有多個(gè)最小的函數(shù)值，取最小的 那個(gè)自變量作為a (t)；B5.計(jì)算 E(t) = a (t) E (t_l) + [1_ a (t)]0(t)。方案5 為方案4的一種優(yōu)選方案，其特征在于，步驟C的實(shí)現(xiàn)方法為Cl.初始情況下，即t < T時(shí)，Et(t) = 0(t)，轉(zhuǎn)入步驟D ；否則，轉(zhuǎn)入步驟C2 ；C2.上一次長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的平方誤差*fT[aT(t)] = [ET (t_T) _0 (t) ]2，將經(jīng)典EWMA公 式的周期性推廣形式Et (t) = aT(t)ET(t-T) + [l-aT(t)]0⑴代入，展開，利用保存的歷史 數(shù)據(jù)，構(gòu)造誤差多項(xiàng)式 fT [ a T (t) ] = {[ET (t-3T) -0 (t-2T) ] * a T (t)2+
* a T(t) +
}2，這是一個(gè)關(guān)于aT(t)的多項(xiàng)式函數(shù)；C3.對(duì)上述誤差多項(xiàng)式fT[aT(t)]求導(dǎo)，得到導(dǎo)函數(shù)f/ [aT(t)]，解出它在[_1， 1]區(qū)間上的所有解；若誤差多項(xiàng)式不存在或fT'[aT (t)]在[-1，1]上無(wú)解，取a τ⑴=-1， 轉(zhuǎn)入步驟C5;否則，由于fT[aT(t)]次數(shù)不超過(guò)四次，因此f/ [aT(t)]在[_1，1]上的解 數(shù)不超過(guò)3個(gè)，將解集記為ST，轉(zhuǎn)入步驟C4 ；C4.求誤差多項(xiàng)式fT[ ciT(t)]對(duì)St U {_1，1}里所有元素的函數(shù)值，比較它們的大 小，選取它們中最小的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的自變量值為aT(t)；若有多個(gè)最小的函數(shù)值，取最小的那個(gè)自變量作為aT(t)；C5.計(jì)算 ET(t) = α T(t)ET(t-T) + [l-a T(t)]0(t)。方案6 為方案4的一種優(yōu)選方案，其特征在于，步驟B3中求解集S的方法為1)對(duì)于三次函數(shù)，利用卡丹公式求得所有三個(gè)復(fù)數(shù)根；對(duì)于二次函數(shù)，利用求根 公式求得所有兩個(gè)復(fù)數(shù)根；對(duì)于一次函數(shù)，直接利用斜率與偏移求得唯一實(shí)數(shù)根；2)所有復(fù)數(shù)根只保留其實(shí)部；3)刪去所有不在[-1，1]中的根，剩下的構(gòu)成解集S。本發(fā)明通過(guò)誤差函數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算a (t)與a T(t)，提高了經(jīng)典EWMA的預(yù)測(cè)精度；通 過(guò)將a (t)與aT(t)擴(kuò)充到[_1，1]區(qū)間上，使得預(yù)測(cè)值能滿足略大于實(shí)際值的需求；通過(guò) 引入長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模塊，提高了預(yù)測(cè)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)負(fù)載周期性的反應(yīng)能力。


圖1主框架流程。圖2為實(shí)施例中導(dǎo)函數(shù)求解集方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。設(shè)方法開始后將遇到的實(shí)際負(fù)載序列為50，42，35，31，26，22，21，周期T = 2。t = 0時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)方法得到0(0) = 50 ；在執(zhí)行執(zhí)行短期預(yù)測(cè)時(shí)時(shí)，由于t = 0， 所以E(O) =50;在執(zhí)行執(zhí)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)時(shí)時(shí)，由于t<T，所以Et(O) =50;綜合時(shí)，由于t < T，所以輸出50 ；此時(shí)的歷史數(shù)據(jù)有
權(quán)利要求
1.一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的云計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟A.在時(shí)刻t，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算得到時(shí)刻t的系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載0(t)；B.執(zhí)行短期預(yù)測(cè)利用0(t)值與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算α(t)與E(t)；C.執(zhí)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)利用0(t)與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算aT(t)與&(0；D.綜合短期預(yù)測(cè)與長(zhǎng)期預(yù)測(cè)當(dāng)t< !“時(shí)，輸出0(t)，轉(zhuǎn)步驟E;否則，取E(t-l)， ET(t-T) 二者的最大值或者平均值作為時(shí)刻t的輸出；E.更新歷史數(shù)據(jù)，等待時(shí)刻t+Ι，轉(zhuǎn)步驟A。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A中的系統(tǒng)調(diào)用為調(diào)用虛擬機(jī)管理器 提供的應(yīng)用程序接口，或者抽樣查看虛擬機(jī)內(nèi)存頁(yè)，或者調(diào)用用戶自定義的方法。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，獲取系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載0(t)的方法為對(duì)于每 個(gè)虛擬機(jī)，隨機(jī)抽樣選取一個(gè)工作集，通過(guò)統(tǒng)計(jì)工作集的負(fù)載得到整個(gè)虛擬機(jī)的負(fù)載狀況。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟B的實(shí)現(xiàn)方法為Bi.初始情況下，即t = 0時(shí)，取E(t) =0(0，轉(zhuǎn)入步驟(；否則，轉(zhuǎn)入步驟82;B2.上一次短期預(yù)測(cè)的平方誤差為f[a (t)] = [E(t-l)-0(t)]2，將經(jīng)典EWMA公式 E(t) = α (t)E(t-l) + [l-a (t)]0(t)代入，展開，利用保存的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)造誤差多項(xiàng)式 f[a (t)] = {[E(t-3)-0(t_2)]*a (t) 2+
* a (t)+
}2 ；B3.對(duì)誤差多項(xiàng)式f[a (t)]求導(dǎo)，得到導(dǎo)函數(shù)f’ [a (t)]，解出它在[_1，1]區(qū)間上的 所有解；若誤差多項(xiàng)式不存在或f’[ a (t)]在[_1，1]上無(wú)解，取a (t) =_1，轉(zhuǎn)入步驟85 ； 否則，由于f[a (t)]次數(shù)不超過(guò)四次，因此f’ [a (t)]在[_1，1]上的解數(shù)不超過(guò)3個(gè)，將 解集記為S，轉(zhuǎn)入步驟B4;B4.求誤差多項(xiàng)式f[a (t)]對(duì)S U {-1,1}里所有元素的函數(shù)值，比較它們的大小，選 取它們中最小的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的自變量值為a (t)；若有多個(gè)最小的函數(shù)值，取最小的那個(gè) 自變量作為a (t)；B5.計(jì)算 E(t) = a (t)E(t-l) + [l-a (t)]0(t)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟C的實(shí)現(xiàn)方法為Cl.初始情況下，即t<T時(shí)，ET(t) = 0(t)，轉(zhuǎn)入步驟D ；否則，轉(zhuǎn)入步驟C2 ；C2.上一次長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的平方誤差*fT[aT(t)] = [ET(t-T)-0(t)]2，將經(jīng)典EWMA公式的 周期性推廣形式&(0 = aT(t)4(t-T) + [l-aT(t)]0(t)代入，展開，利用保存的歷史數(shù)據(jù)， 構(gòu)造誤差多項(xiàng)式 fT [ a T (t) ] = {[ET (t-3T) -0 (t-2T) ] * a T (t)2+
* a T (t) + [ 0(t-T)-0(t)]}2；C3.對(duì)上述誤差多項(xiàng)式fT[aT(t)]求導(dǎo)，得到導(dǎo)函數(shù)f/ [aT(t)]，解出它在[-1,1]區(qū) 間上的所有解；若誤差多項(xiàng)式不存在或f/ [aT(t)]在[_1，1]上無(wú)解，取aT(t) =_1，轉(zhuǎn) 入步驟C5;否則，由于fT[aT(t)]次數(shù)不超過(guò)四次，因此f/ [aT(t)]在[_1，1]上的解數(shù) 不超過(guò)3個(gè)，將解集記為&，轉(zhuǎn)入步驟C4 ；C4.求誤差多項(xiàng)式fT[aT(t)]對(duì)& U {-1,1}里所有元素的函數(shù)值，比較它們的大小， 選取它們中最小的一個(gè)所對(duì)應(yīng)的自變量值為aT(t)；若有多個(gè)最小的函數(shù)值，取最小的那 個(gè)自變量作為aT(t)；C5.計(jì)算 ET(t) = a T_T(t-T) + [l-a T(t)]0(t)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟B3中求解集S的方法為1)對(duì)于三次函數(shù)，利用卡丹公式求得所有三個(gè)復(fù)數(shù)根；對(duì)于二次函數(shù)，利用求根公式 求得所有兩個(gè)復(fù)數(shù)根；對(duì)于一次函數(shù)，直接利用斜率與偏移求得唯一實(shí)數(shù)根；2)所有復(fù)數(shù)根只保留其實(shí)部；3)刪去所有不在[_1，1]中的根，剩下的構(gòu)成解集S。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的云計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載預(yù)測(cè)方法。包括在時(shí)刻t，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算得到時(shí)刻t的系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載O(t)；執(zhí)行短期預(yù)測(cè)利用O(t)值與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算α(t)與E(t)；執(zhí)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)利用O(t)與歷史數(shù)據(jù)計(jì)算αT(t)與ET(t)；綜合短期預(yù)測(cè)與長(zhǎng)期預(yù)測(cè)當(dāng)t＜T時(shí)，輸出O(t)，轉(zhuǎn)下一步；否則，取E(t-1)，ET(t-T)二者的最大值或者平均值作為時(shí)刻t的輸出；更新歷史數(shù)據(jù)，等待時(shí)刻t+1，轉(zhuǎn)第一步。本發(fā)明通過(guò)誤差函數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算α(t)與αT(t)，提高了經(jīng)典EWMA的預(yù)測(cè)精度；通過(guò)將α(t)與αT(t)擴(kuò)充到[-1，1]區(qū)間上，使得預(yù)測(cè)值能滿足略大于實(shí)際值的需求；通過(guò)引入長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模塊，提高了預(yù)測(cè)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)負(fù)載周期性的反應(yīng)能力。
文檔編號(hào)G06F9/50GK102135914SQ20111008433
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者宋維佳, 肖臻, 黃群 申請(qǐng)人:北京大學(xué)