云计算系统相空间广义热力学参数定义及分析

收稿日期：2012-02-20；修回日期：2012-04-01。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60702075）；广东省科技厅高新技术产业化科技
攻关资助项目（2011B010200007）；成都市科技局创新发展战略研究项目（11RKYB016ZF）。
作者简介：王鹏（1975 － ），男，四川乐山人，教授，博士生导师，主要研究方向：云计算、并行计算、人工智能。
文章编号：1001 － 9081（2012）08 － 2172 － 04 doi：10． 3724 / SP． J． 1087． 2012． 02172
云计算系统相空间广义热力学参数定义及分析
王 鹏
*
( 成都信息工程学院 并行计算实验室，成都610225)
( * 通信作者电子邮箱wp002005@163． com)
摘 要：云计算是由海量节点构成的高耦合系统，通过定义云计算系统在相空间的映射及相应的广义热力学参数：
广义归一化温度、广义绝对温度、广义归一化熵、重心等物理量，将对云计算系统的研究转变为对相空间热力学系统的研
究。云计算系统的相空间广义热力学参数反映了系统的整体工作状态，能对系统当前的外部负载请求情况、负载均衡情
况、节点参数变化情况进行评价。仿真实验证明了这一分析方法在云计算系统分析中的可行性和有效性。
关键词：云计算；相空间；广义热力学参数；热力学；熵
中图分类号：TP393． 027；TP301． 6 文献标志码：A
Definitions and analysis of general thermodynamic
parameters in cloud computing phase space
WANG Peng
*
( Parallel Computing Laboratory， Chengdu University of Information Technology， Chengdu Sichuan 610225， China) )
Abstract: The cloud computing system is a high coupling system consisting of large number of nodes． By defining general
thermodynamic parameters projected in phase space of cloud computing system， i． e． ， physical quantities such as general
normalized temperature， general absolute temperature， general normalized entropy， center of gravity， the analysis of cloud
computing system can be changed into the phase space of thermodynamics system． Thermodynamic parameters in phase space
of the cloud computing system reflect system's whole performance， and realize evaluations on external load request， load
balance， and node parameter change． Meanwhile， the simulation experiment proves that this analytical method is helpful to
analyze the cloud computing system．
Key words: cloud computing; phase space; general thermodynamic parameter; thermodynamics; entropy
0 引言
云计算将海量服务器的计算资源和存储资源整合为一个
弹性化的资源池
［1］
，云计算技术被提出以后数据中心的服务
器数量变得非常巨大，如谷歌的数据中心就拥有百万以上的
服务器节点。传统的数据中心服务器数量较少，而且服务器
之间的关联性较弱。对于传统的数据中心我们更关心单个服
务器节点的工作状态，即使是高性能计算中心服务器之间也
只是简单的负载分配关系，服务器之间的耦合并不强烈。云
计算数据中心是一个协调工作的整体，云计算系统服务器之
间在调度系统的指令下存在大量的计算迁移、存储迁移、节点
失效处理、计算与存储的整合等耦合性非常高的操作，所以云
计算系统是一种具有海量节点的高耦合系统，必须将云计算
系统中的所有服务器作为一个系统来对待和分析
［2 － 4］
。在节
点数量较大时将云计算系统中的服务器映射到相空间后就能
将云计算系统转化为一个热力学系统来对待
［5］
，通过定义广
义热力学参数对云计算系统的整体运行情况进行描述和分
析
［6 － 9］
。热力学为我们提供了一套系统全面的系统分析手段
和方法，将微观分子的运动和宏观气体的特性有机地连接起
来，大大降低了系统分析的难度
［10 － 12］
。
1 云计算系统的相空间定义和投影
云计算系统中每台服务器的工作状态，如 CPU 占用率、
内存占用率、连接数、存储空间、网络通信状况等，在外界资源
请求和内部调度系统的作用下是不断变化的。假设在 t 时刻
某台服务器的CPU 占用率、内存占用率分别为0． 6、0． 5，如果
将CPU 占用率作为横轴坐标 x、内存占用率作为纵轴坐标 y
映射到一个二维的空间上，那么每个时刻的一台服务器状态
就对应着二维空间上的一个点，由于服务器的 CPU 占用率、
内存占用率是随时间不断变化的，状态随时间变化的情况对
应于平面上点的移动。我们把这个空间称作相空间，云计算
系统的相空间可以定义如下。
定义1 在云计算系统中以服务器的 n 个工作状态参数
为坐标轴所形成的n 维空间称为云计算系统的相空间。
这样任意时刻t，一台服务器在相空间上对应于坐标（x
t
，
y
t
），其中x
t
为时刻t 的CPU 占用率，y
t
为时刻 t 的内存占用
率。单台服务器的工作状态就可以用以下公式来表述：
x = f
1
（t）
y = f
2
（t
{
）
从上式可以看出服务器参数的变化在相空间上被转化为
相空间中点的运动。对云计算系统的工作状态的研究在相空
间中就转变为了对相空间中动力学系统运动情况的研究。由
于云计算系统是由大量服务器节点组成的，大量的服务器投影
到相空间所形成的图像呈现出与热力学系统的相似性，热力学
系统中分子间的相互作用也正符合云计算系统高耦合性的特
征，这说明热力学方法能有效地被用于云计算系统的分析。
Journal of Computer Applications
计算机应用，2012，32( 8) : 2172 － 2175
ISSN 1001-9081
CODEN JYIIDU
2012-08-01
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