拟解决的关键科学问题和主要研究内容

拟解决的关键科学问和主要研究内容 来源:973国家重点科研项目点击率:3829 发布时间:2007-08-31 15:43 1. 关键科学问题 计算系统的资源规模不断扩展、处理能力快速增强、资源种类日益丰富,但是计算能力的快速增长并未带来计算资源利用效率和灵活性的提升,计算系统也越来越复杂,软件支撑环境类型多、版本多,管理配置困难,使用不方便,计算资源难以有效利用。计算系统日趋强大的计算能力和相对落后的计算模式之间的矛盾不断加剧,寻求新型的计算机理与模式,有效组织现存的和正在发展的计算设施和信息资源,在快速发展的硬件系统、多种类型和版本的软件支撑、复杂多变的应用需求之间寻找新的平衡点,对外提供高效、透明、普适、安全的服务,已成为信息技术领域面临的重大挑战。 计算系统虚拟化为该问题的解决提供了一个良好的契机,它能够动态组织多种计算资源,隔离具体的硬件体系结构和软件系统之间的紧密依赖关系,实现透明化的可伸缩计算系统架构,从而灵活构建满足多种应用需求的计算环境,提高计算资源的使用效率,发挥计算资源的聚合效能,并为用户提供个性化和普适化的计算资源使用环境。虚拟计算系统可以更加充分合理地利用计算资源,满足日益多样的计算需求,使人们能够透明、高效、可定制地使用计算资源,从而真正实现灵活构建、按需计算的理念。 传统理论与难以描述计算系统虚拟化所体现的计算资源的优化、体系结构的透明化、应用的个性化、计算结果的可视化和可信化等基本特征。本项目将运用系统科学的相关理论,探索计算系统虚拟化内在的基本规律,面向计算系统虚拟化这样一个新的研究对象,以计算系统的高效性、透明性、自组织性、协同普适性为目标,创建一套新型的理论、方法和技术体系。为适应新型计算系统的发展需求,针对国内外计算系统的多核化发展趋势,本项围绕下列三个重要科学问题对计算系统虚拟化的基础理论与方法展开研究: 科学问题一:计算系统的动态构建 为解决计算系统体系结构的紧耦合特性与多粒度资源使用需求之间的矛盾,应从系统结构的角度,按照应用任务的需求,将资源进行共享和动态划分,以便于动态建立起基于多核的虚拟计算机或者基于分布式计算资源的虚拟计算环境。 现有计算系统受固定性限制,难以满足人们对计算系统不断增长以及不断变化的个性需求。现有的虚拟化技术能够在一定程度上实现虚拟计算系统,但更多的是针对特定硬件体系结构进行虚拟化,其技术和算法以及应用方法难以广泛适用,并且缺少理论和技术体系上的支撑。虚拟计算系统应具有兼容性、动态性、高效性、透明性、安全性以及高可用性等特征,这需要我们在现代计算机体系结构下,探讨新的物理计算资源虚拟化方法,从硬件资源、操作系统、虚拟机管理器的特征分析与抽象,以及相互之间的特征交互体系等方面,来研究新型系统级虚拟化架构和虚拟计算系统动态构建理论及优化方法。为实现虚拟计算系统中资源的按需定制,需要按照应用任务的需求将资源进行动态配置。因此,如何使计算系统虚拟化成为一种具有“动态构建”能力的新型计算模式,以应对计算系统体系结构的紧耦合特性与多粒度资源使用需求之间的矛盾,是本课题面临的首要科学问题。 科学问题二:计算资源使用的高效透明 为解决计算系统资源环境的复杂性特征和任务执行的高效透明需求之间的矛盾,应从计算资源组织和管理的角度,屏蔽异构的硬件设备、复杂的软件环境以及计算资源的广泛分布特性,以使计算系统保持高效率、透明化的运转方式。随着计算技术的快速发展,计算系统日趋复杂,具有异构特征的计算资源广泛分布于互联网环境中。如何有效组织和管理计算资源,以应对计算系统资源环境的复杂性特征和任务执行的高效透明需求之间的矛盾,是虚拟计算系统需要面对的重要科学问题。现有各种计算技术的研究目前还无法为大量任务执行提供高效、透明的资源组织管理与使用手段。透明性主要体现在两个方面:针对实际应用部署的透明性,虚拟计算系统应屏蔽底层计算单元的异构性,并根据实际应用的多样化需求组织资源,形成适合任务高效透明执行的计算环境;针对实际应用开发人员,现有应用不需要修改或只需要少量修改就能运行于虚拟计算系统之上。高效性主要体现在三个层次:根据实际应用需求合理地对资源 进行组织和管理,保证资源利用的高效性;运行于虚拟计算系统的应用可获得比现有运行环境更高的计算效益;虚拟计算系统上的应用开发具有更高的效率。 科学问题三:计算环境的协同普适 为解决计算系统使用环境的复杂性特征与应用的个性化需求之间的矛盾,应从用户使用环境的角度,建立可移植、可重构、按需定制的可视化用户使用环境和程序执行的自动配置环境,以适应软硬件环境和任务需求的变化,协调分布呈现的计算资源,建立任务执行的协同计算环境。 计算系统使用环境的复杂性和用户需求的多样性、个性化使得新型计算模式应该具备普适化、协同化的特征。所谓普适特性,是指用户使用环境能够普遍适应于复杂的软硬件环境和多变的任务需求,透明实现动态迁移、无缝重构及按需配置。其中,普适化用户使用环境所具有的迁移重构能力是指计算系统能够为用户创建一种可迁移、可重构的使用环境,方便用户异地重构历史操作环境镜像,无缝重现用户操作状态,使用户任务可跨越异地连续完成;而按需配置能力则是指计算系统能够根据软件安装、维护及运行时需求的变化,动态配置用户操作环境和程序执行环境。而协同特性则是指在用户使用环境之间为应用任务建立一个分布协作的执行体系,从而提高用户交互性任务的执行效率,为以大规模协作为主要特征的应用提供高效执行的可靠保障。协同与普适特性反映了以用户为中心的新型计算系统使用模式的典型特征。因此,为了应对上述矛盾,如何为用户提供一个具备动态迁移、无缝重构及按需配置能力的可视化使用环境,并支持任务的协作执行,是虚拟计算系统面对的一个重要科学问题。 2. 主要研究内容 围绕上述的三个关键科学问题,我们将计算系统虚拟化研究的主要内容分解为任务执行环境、资源使用环境、用户操作环境以及性能评测和应用示范,以下将从上述四个主要方面说明主要研究内容。 2.1 任务执行环境动态构建研究 计算任务执行环境动态构建主要分四个方面的子研究内容:物理资源的可变粒度虚拟化模型、动态演化理论与自适应模型、计算系统动态构建机制和虚拟机安全隔离机制。1) 物理资源的可变粒度虚拟化模型,主要研究物理计算资源的粒度划分及其优化策略、可变粒度虚拟化方法及其管理技术等,从而针对用户的任务需求提供最优性价比的物理资源,提高资源利用的效率和灵活性,并且为虚拟计算系统的动态演化理论与自适应模型提供基础。2)虚拟计算系统的动态演化理论和自适应模型,主要研究在上层用户的计算任务经常发生变化和下层物理资源发生更改的情况下,虚拟计算系统的组织结构和组织形式如何随之动态调整,以适应上述变化并更好地完成计算任务。研究内容包括:基础构件空间理论与机制、基于基础构件空间的动态演化推理机制及规约、动态演化过程中的波及效应模型等。3)计算系统动态构建机制,在物理资源可变粒度虚拟化模型和虚拟计算系统动态演化理论和自适应模型的基础上,研究针对不同计算规模、不同计算特征、多种计算形式混合要求下,快速灵活构建计算系统的方法和理论,研究包括对大量多样计算任务特征的快速分析方法、灵活的计算系统构建机制以其评估分析模型和调优策略等。4)虚拟机安全隔离机制,主要研究同一宿主机上多用户/多虚拟机的安全隔离机制、虚拟机对恶意攻击的安全隔离机制、虚拟机的故障隔离机制、虚拟机的安全访问机制等。 2.2 资源使用环境高效透明研究 资源使用环境高效透明研究包含四个方面的子研究内容:虚拟计算系统透明性体系结构、计算系统任务环境的快速部署、多物理结点融合方法和虚拟资源使用环境协同安全机制。1)虚拟计算系统的透明性体系结构,研究内容包括动态可扩展的虚拟计算系统体系结构及自维护机制、面向虚拟计算系统的处理器体系结构优化、支持虚拟化的基础硬件体系结构优化设计方法、基于软硬件协同设计的高效能虚拟化方法、虚拟化系统跨硬件体系结构的动态二进制翻译方法和优化算法、分布异构环境下多虚拟系统协同的体系结构等。2)计算系统任务环境的快速部署,主要研究如何将复杂多变的计算任务快速部署到异构多态的物理资源环境中,实现部署过程的透明化、简易化和高效化。复杂的资源环境可能包括各种异构的硬件资源和软件资源,使用一种快速有效的方法将用户操作环境生成的计算任务部署到底层的任务执行环境中是一项重要研究内容。3)多物理结点融合方法,主要研究多计算系统资源的细粒度融合方法,将多计算系统中的硬件资源和软件资源及网络资源用统一的方式描述,为多个物理结点提供统一的操作系统映像,用户可以透明地访问多计算系统中的处理器核、内存、I/O等底层的细粒度资源,从而为多种应用程序提供良好的支持,用户 无需更改应用程序就可以获得更高的性能。4)虚拟资源使用环境协同安全机制,主要研究在虚拟计算环境下对各虚拟资源的安全,在多个任务对同一虚拟资源有使用需求时的协同机制,研究重点是对这些虚拟资源的使用策略,既要保证虚拟资源安全稳定地运行,又要保证资源的利用协同高效。 2.3 用户操作环境协同普适研究 用户操作环境协同普适研究主要包括四个方面的研究内容:以“数据”为中心的运行环境模型、用户使用环境的协同机制、程序运行环境的动态按需配置机制和用户环境的迁移、重构机制。1)以“数据”为中心的运行环境模型,把分布异构环境下各种应用相关的软件、编程模型和数据集等视为“数据”,实现不同种类、功能各异的操作环境迁移象传统数据迁移一样方便,即形成以广义“数据”为中心的运行环境模型,为用户操作环境的迁移重构提供理论基础。2)用户使用环境的协同机制,针对目前程序执行的配置环境繁杂、用户使用的操作环境不可迁移、协作交互困难等问题,研制普适化、协同化的虚拟化运行环境。3)程序运行环境的动态按需配置机制,主要研究软件与其运行环境(或者部分运行环境)结合在一起进行独立分发的方法,从而改变现有的软件发布以及维护模式――将繁琐的软件安装、升级、维护转变为数据的分发与更新;为扩大用户运行环境对以协作为主要特征的应用任务的支持,研究用户使用环境之间的协同机制,包括使用环境之间的拓扑组织策略、决策支持算法等。4)用户环境的迁移、重构机制,主要研究用户可以在不同地点,不同时间完成同一个工作或同一种工作的方法,这项研究的重点是用户操作环境随时间、空间可以方便迁移的虚拟计算方法以及计算环境方便快捷的重构策略。 2.4 性能评测、验证与应用示范研究 性能评测、验证与应用示范研究主要有三个方面的研究内容:虚拟计算系统性能评测机制、基于高效能计算机的虚拟化技术和虚拟化仿真系统应用。1)虚拟计算系统性能评测机制,主要研究在虚拟化环境下的性能评测方法。计算资源的虚拟化和计算资源聚合的动态化使传统计算系统的评测研究方法不能完全适应于虚拟系统的评测,需要面向计算资源虚拟化和动态构建特征,探索虚拟计算系统评测理论与方法。主要研究内容包括:性能比较及调优策略,针对不同计算性质的任务模式,应用测量方法和统计分析技术,研究典型虚拟机不同技术途径在性能上的表现特征及性能瓶颈,分析提高性能的调优策略;性能评价模型,包括虚拟计算资源的性能度量及特性模型、面向计算资源聚合方式的性能分析模型,以及相应的性能评价方法;系统可用性评测方法,计算资源的仿真方法和技术体系,并由此建立虚拟计算系统的有效性、可靠性等可用性评测方法和验证体系。2)基于高效能计算机的虚拟化技术,主要研究如何虚拟化高效能计算机系统的资源,建立高效能计算系统虚拟化相关和接口,研究虚拟化的并行计算模型及编译技术、虚拟化资源管理机制,为用户提供一个透明高效的虚拟化高效能计算环境,并在百万亿次规模系统中进行验证。3)虚拟化仿真系统应用研究围绕前面的研究成果,开展虚拟计算系统的应用示范研究。主要研究基于虚拟计算系统的复杂仿真应用系统体系结构、系统集成技术、相关应用模式、和标准等,以及基于虚拟计算系统的复杂仿真应用中资源安全、动态共享、协同互操作的若干关键技术,研究内容包括基于虚拟计算系统的高效仿真调度算法、仿真资源透明应用与容错迁移技术、仿真资源的动态构建与自组织协同技术、仿真资源自动化部署和维护技术等。