[发明专利]一种基于能量模型的可分负荷调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及并行和分布式计算领域的可分负荷调度方法。

背景技术

随着网络技术的发展和普及，并行和分布式计算的应用也越来越广泛，包括并行集群、计算网格、P2P系统、无线传感器网络和云计算等。并行和分布式计算已经成为了网络时代的主流和发展趋势。

在并行和分布式计算领域，作业调度是计算的重点和难点问题。不合适的调度算法将会导致资源的浪费和系统性能的大幅下降。作业调度问题不仅与作业负荷的特性有关，也与承担计算的参与者(即计算资源)有关，而且不同的目标函数，也会产生不同的作业调度算法。

可分负荷，是作业调度中一种特殊的负荷，它可以分割成任意大小的独立负荷，并分布给不同的计算资源执行。在许多科学和工程领域，可分负荷得到了广泛应用，如计算网格，信号、传感器和工程实验等数据处理，数据密集型计算和数据并行计算等。可分负荷不仅可以应用于很多科学和工程领域的分布式计算，如图像处理、数据库、线性代数和多媒体广播等。同时，可分负荷也可以应用于大规模并行和分布式计算系统，如计算网格、并行集群、无线传感器网络和云计算等。由于可分负荷的典型性和广泛性，形成了系统的可分负荷理论(DLT:Divisible Load Theory)。DLT理论提供了在各种类型的网络平台上，作业调度的分析结果和优化算法，如总线网络、树型网络、星型网络和线性网络等。

迄今为止，很多文献研究了不同场景的可分负荷调度问题，包括不同的网络环境、不同的调度方式、不同的系统结构、以及不同的应用领域等。虽然不同场景的调度算法不一样，但算法调度的目标都是优化某个时间值或与时间相关的值，如响应时间等。但是，随着电子芯片技术的发展，计算机硬件的成本已经大幅下降，而单一计算机的计算性能却得到了很大的提升，各类并行和分布式计算系统的处理能力也随之得到了大幅提高，可以在规定的时间内完成各类作业负荷。与此同时，规模化的并行和分布式计算系统，虽然计算性能得到大幅提升，硬件成本也大幅下降，但能量消耗却越来越大，其在总成本中所占的比重，也越来越显著。计算网格、并行集群和云计算等，在一年之中消耗的能量，非常惊人。不仅如此，由于计算性能的提高，系统闲置的计算时间也比较多。这样，在这种情况下，单纯以时间为优化目标的调度算法就越来越显得不合时宜了，技术的发展，调度算法需要更多地考虑能量消耗，从而提高能量利用率，这不仅对于电源有限的设备(如无线传感器网络的节点、嵌入式设备等)很重要，而且对于大规模的集群计算系统(如高性能计算、并行集群、计算网格和云计算等)也相当重要。

在计算机的处理器层面，动态电压调节（DVS:Dynamic Voltage Scaling）技术是一种行之有效的节能技术。它可以调整处理器的供电电压和频率，动态改变处理器速度，以适应负荷变化的需要，从而降低处理器功耗，减少能量消耗，提高能量利用率。目前，DVS优化技术已得到大量使用，如Intel公司的XScale处理器，Motorola公司的Motorola6805等。

同样，在上层操作系统应用层面，也可以利用DVS技术，合理地调度和分配作业负荷，提高整个系统的能量利用率。国内外有不少学者研究如何利用DVS技术，以提高能量利用率，但大部分的研究都主要侧重于研究非可分负荷，很少有研究可分负荷的能量调度问题，而且主要是研究单一的处理器系统的能耗问题，特别是嵌入式系统中的能耗问题，并没有考虑大规模的并行和分布式系统的能耗问题。为此，基于能量模型的可分负荷调度算法，在总线型网络环境下，以特定的能量消耗模型的基础上，利用DVS技术，以最小能量消耗为目标，对可分负荷进行合理调度。

发明内容

针对规模化的并行和分布式计算系统，为了克服现有的可分负荷调度方法的能量消耗较大、能量利用率较低的不足，本发明提供一种能减少日益增长的能量消耗，提高计算系统的能量利用率的基于能量模型的可分负荷调度方法，在DVS技术的基础上，根据特定的能量模型，以最小化能量消耗为目标，在给定的时间内，对总线型网络环境下的可分负荷进行了合理的调度，不需要重复迭代，不存在计算时间复杂度问题和计算收敛问题。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：