摘  要： 在高性能計算集群中,，優(yōu)秀的作業(yè)調度軟件和作業(yè)調度策略對系統(tǒng)的高效運行起著至關重要的作用，目前針對作業(yè)調度策略的研究多集中在單個策略的深入挖掘,，少有整合多個策略考慮的文章,。針對集群作業(yè)的運行特點，提出了一種基于節(jié)點負載情況自定義優(yōu)先級回填的調度策略,，可以有效提高性能和計算集群的運行效率,。

　　關鍵詞： 作業(yè)調度；自定義優(yōu)先級,；回填策略,；Torque FCFS

0 引言

　　集群的使用在高性能計算中并不鮮見。在高性能計算中,，大部分是并行批處理作業(yè),，對于集群的高效運轉，優(yōu)良的作業(yè)調度軟件以及調度策略顯得至關重要[1-2],。目前已有很多集群作業(yè)管理系統(tǒng),，具有代表性的有Wisconsin-Madison大學的Cordor、IBM公司的Platform LSF,、Altair公司的PBS pro以及開源軟件Torque,，其中，Cordor是科研項目,，LSF和PBS pro是商業(yè)軟件,，而Torque是開源項目。它們各有特點[3],，Cordor比較全面地實現了檢查點的操作,；LSF和PBS pro雖然較為完備，但是使用它們需要購買昂貴的license,；而Torque由于是開源項目,，正如Linux系統(tǒng)一樣，有全球數量眾多的Linux系統(tǒng)愛好者的強大支持,，并且它提供靈活的作業(yè)調度策略和用戶身份認證機制,，所以本文采用Torque作為作業(yè)調度軟件來研究。與此同時,，由于文中的測試作業(yè)對運行時間和IO吞吐率有較高的要求,，因此還需要對Torque進行二次開發(fā)，加入新提出的調度策略,，并通過與自帶的調度策略進行對比,，體現該調度策略的優(yōu)越性。

1 Torque的基本架構和工作原理

　　Torque原名為PBS（Portable Batch System），是由美國國家宇航局（NASA）Ames研究中心,、勞倫斯利物莫國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）以及墨綠信息解決公司（Veridian Information Solutions,，Inc）牽頭發(fā)起的一項針對高并發(fā)、大數據量作業(yè)調度的科研項目[4],。該作業(yè)調度軟件自帶FIFO類型的作業(yè)調度器pbs_sched,，同時也支持其他調度器，本文就是采用目前較為流行的Maui調度器,。目前PBS分為兩部分：由Altair公司經營的商業(yè)版PBS pro和由Adapting Computing公司運營的Torque,，后者開源，并支持使用其他調度器替換自帶的pbs_sched,，更適宜用來研究,，而且也支持復雜的自定義調度策略，能滿足本課題的需求,。

　　1.1 Torque的體系結構

　　如圖1所示,，Torque使用一個主主機、任意多的執(zhí)行主機以及作業(yè)提交主機,，主主機是Torque集群的中央管理者,。一臺主機既可以被設置成主主機，也可以被設置成執(zhí)行主機,。通常情況下將提交主機與主主機合并,。

　　1.2 Torque的工作原理

　　Torque能正常調度作業(yè)，需要啟動pbs_server,、psb_mom和pbs_sched（本文采用Maui調度器mauid）三個守護進程,。

　　1.2.1 pbs_server進程

　　psb_server是在主主機上執(zhí)行的進程，是批處理系統(tǒng)的核心,，在集群中只有一個,，它的主要功能有：提供一些基本的批處理服務,，接收/創(chuàng)建一個批處理作業(yè),、修改作業(yè)，在系統(tǒng)崩潰時保護作業(yè),，將用戶請求送達pbs_mom進程并進行交互等,。

　　1.2.2 pbs_mom進程

　　pbs_mom是在執(zhí)行主機上運行的進程，如果需要主主機也進行計算操作,，則主主機上也需要運行該進程,，它負責收集執(zhí)行主機上的系統(tǒng)資源。pbs_mom的主要作用是在pbs_server進程的指令下啟動,、監(jiān)控和終止作業(yè),。

　　1.2.3 pbs_sched進程

　　pbs_sched運行在主主機上，它的作用是決定什么時候在什么地方運行作業(yè)。它從psb_server進程請求作業(yè)狀態(tài)信息,，從pbs_mom進程請求資源狀態(tài)信息,，然后決定如何調度作業(yè)。Maui調度器的進程mauid與pbs_sched類似,，不再贅述,。

　　1.2.4 Torque處理批作業(yè)的過程

　　在Torque中，三個進程分工明確,，三者通過Socket彼此通信,，一方面能使主主機快速將用戶作業(yè)需求分派下去，另一方面也能實時監(jiān)控集群系統(tǒng)信息,。圖2展示了Torque的內部結構原理,。

　　整個作業(yè)調度的過程分析如下：

　　（1）用戶提交作業(yè)請求到Torque的Server端,；

　?。?）Server端根據作業(yè)需求向調度器Scheduler發(fā)起詢問；

　?。?）調度器通過Socket與執(zhí)行器Mom通信以獲取節(jié)點資源信息,；

　　（4）執(zhí)行器中的首節(jié)點Mom Superior向Scheduler返回集群節(jié)點資源信息,，包括可用內存量,、CPU負載信息等；

　?。?）Scheduler檢查作業(yè)隊列并為作業(yè)分配資源,，同時將作業(yè)ID傳遞給Server；

　?。?）Server通過Socket通知首節(jié)點Mom Superior去執(zhí)行批處理作業(yè)腳本的命令,；

　　（7）作業(yè)執(zhí)行完成后,，Mom將結果信息返回給Server端,；

　　（8）Server端根據預先設定的方法將作業(yè)結果返回給用戶,。

2 Torque默認的調度器

　　Torque自身集成一個簡單的基于C語言的FIFO調度器,，并且提供源代碼，實際應用當中Torque大都另外集成了別的調度器,，本文采用的是常用的Maui調度器,。

　　Torque自帶調度器調度流程圖如圖3所示。Torque自帶的FIFO調度器其實并不是真正意義上的先進先出,，它是追求CPU的最大利用率[5],。實際上它的原理與FirstFit策略類似，即掃描作業(yè)請求，執(zhí)行集群現有資源能滿足的第一個作業(yè)[6],。該策略可能會使大作業(yè)（需求資源較多）遲遲得不到運行,，因此會產生饑餓現象。為了克服此問題,，FIFO引入了饑餓作業(yè)調度方法,，當某一作業(yè)在隊列中等待時間超過一定閾值（默認是24小時）時，會對所需資源進行預約,，故能解決大作業(yè)的饑餓等待,。但同時出現一個問題，被預約的資源不能被別的作業(yè)使用,，這樣就喪失了集群的整體公平性,，作業(yè)間的時間空隙沒有得到有效利用?？梢?，Torque自帶的調度器功能有限，因此,，集成其他更優(yōu)秀的調度器以及采用更為優(yōu)化的調度策略顯得尤為重要,。

3 基于節(jié)點負載情況自定義優(yōu)先級回填策略

　　給提交的作業(yè)預先設定優(yōu)先級，并根據優(yōu)先級對提交的作業(yè)進行排隊,，然后再按照隊列中的作業(yè)順序依據FCFS的方式執(zhí)行作業(yè)[1],。這種方法有一個弊端，即優(yōu)先級在作業(yè)提交時就已經被設定了,，如果high priority的作業(yè)的需求資源遠高于集群現有可用資源,，該作業(yè)就會長時間處于等待狀態(tài)。為解決此問題,，提出了新的策略約定,，當某一大作業(yè)的等待時間超過預設的閾值時，就對需求資源進行預約,，同時,，計算出多個預約作業(yè)之間的時間空隙，將隊列中一些資源需求小的作業(yè)插入到其中執(zhí)行,。該策略總體的執(zhí)行過程如圖4所示,。

　　3.1 節(jié)點負載情況的計算

　　節(jié)點的負載情況很大程度上影響作業(yè)調度系統(tǒng)對資源的選取，負載大的節(jié)點計算出的資源評估值應該較小,，表示越不容易被選中執(zhí)行作業(yè)。資源選擇是一個作業(yè)從資源列表（Rselected）中選擇資源的過程,，因此,，就需要給出一個算法，幫助調度系統(tǒng)選擇執(zhí)行某一作業(yè)的最優(yōu)資源。資源選擇所使用的算法應能從目前的資源狀態(tài)考慮,，并能根據一定的計算公式來算出最適宜的資源,。由于現實中選擇作業(yè)運行資源最關注的往往是CPU和內存的利用率，因此本文提出的選擇資源的算法主要考慮節(jié)點的CPU和RAM,，計算公式定義如下：

　　其中,，WCPU代表分配給CPU速率的權重，CPUload代表目前CPU的負載,，CPUspeed代表CPU的實際速率,，CPUmin是CPU的速率最小值，WRAM是分配給RAM的權重,，RAMusage是當前RAM使用率,，RAMsize是RAM的原始容量，RAMmin是最小的RAM值,。

　　下面給出一個實際的例子,，根據上面給出的負載計算公式從三組候選的資源中選擇一種資源，假設每種資源的相關參數如表1所示,。

　　假設該算法中整個權重為10,，其中CPU權重為6，RAM的權重為4,。設定CPU速率最小值為1 GHz,，RAM最小值為1 024 MB，將值代入式（1）~（3）,，可得資源負載估計值如下：

　　從負載估計值來看,，資源3為最優(yōu)執(zhí)行資源。

　　3.2 作業(yè)優(yōu)先級的確定

　　提交作業(yè)的優(yōu)先級不僅與作業(yè)類型,、作業(yè)所需資源類型及多少有關,，還與作業(yè)提交后等待執(zhí)行所花的時間有關，等待時間越長,，作業(yè)在隊列中的優(yōu)先級應該越高,，表示該作業(yè)越易被執(zhí)行。當然,，還需要設定一個優(yōu)先級閾值,，當優(yōu)先級超過這個閾值后，系統(tǒng)將對該作業(yè)所需資源進行預約,。

　　定義 提交作業(yè)的優(yōu)先級公式為：

　　其中,，Y是提交者與管理員共同商議的作業(yè)預設優(yōu)先級，k為常數權重因子,，twait為作業(yè)等待的時間（以min計）,，Eresource為資源負載情況,，Pth為預設優(yōu)先級閾值。由式（4）可知,，等待時間越長,，負載估值越大，作業(yè)優(yōu)先級越大,，表示該作業(yè)越易被執(zhí)行,。作業(yè)的實際優(yōu)先級需要將式（4）中前半部分與預設的優(yōu)先級進行比較，取較小者,，如果計算值大于閾值,，則系統(tǒng)對所需資源進行預約。

　　假設目前集群中可用資源為資源1,，現在有作業(yè)1,、作業(yè)2、作業(yè)3共三個作業(yè)提交,，預設優(yōu)先級為10,、15、8,，預設的優(yōu)先級閾值為55,，權重因子k=1，等待時間為120 s,、100 s,、238 s，根據式（4）可計算出三個作業(yè)的優(yōu)先級分別為P1=12.500,，P2=17.083,，P3=12.958，三者均小于預設優(yōu)先級閾值,，不需對資源進行預約,，故根據前述定義可知，三個作業(yè)的執(zhí)行順序為作業(yè)2→作業(yè)3→作業(yè)1,。

　 3.3 回填策略的設計

　　上節(jié)提到的案例中,，三個作業(yè)經過計算得出的優(yōu)先級都沒有超過優(yōu)先級閾值，故沒有對資源進行預約,。如果超過了閾值,，就需要對集群資源進行預約，被預約的資源不能再分配給別的作業(yè)使用,，這種要求就容易造成多個作業(yè)間時間空隙被浪費的現象,，而通過引入回填策略，就能很好地解決這個問題,，這里主要介紹一下回填策略的設計,。

　　假設集群里的資源（處理器數目）有限,，目前有三個大小不等的作業(yè)在運行,，隊列中還有兩個作業(yè)在排隊,，默認的FCFS策略，排隊的作業(yè)會等待前三個作業(yè)都運行結束后再進入集群執(zhí)行,，但如果引入了回填策略,，則系統(tǒng)會先掃描集群中運行的作業(yè)之間是否存在時間間隙，然后再據排隊作業(yè)所需資源的多少和預估時間,，將排隊的作業(yè)插到空閑周期中運行,，這樣能充分利用資源，提高集群吞吐率,。具體過程示意圖如圖5所示,。

　　由圖5可知，加入回填策略后,，當作業(yè)等待時間超過一定值（可以設定一個等待時間閾值）后,，系統(tǒng)會掃描全部隊列，選擇作業(yè)預估時間小于空閑周期時間的作業(yè)插入空閑周期執(zhí)行,，充分利用了集群的空閑周期,，減少作業(yè)等待時間。

　　3.4 新型調度策略與默認調度策略對比

　　上文已經提過,，Torque自帶的FIFO調度器實際上原理與FirstFit策略類似,，即在隊列中選擇當前系統(tǒng)資源能滿足的第一個作業(yè)執(zhí)行。測試集群環(huán)境為4臺IBM PureFlex X240刀片式服務器,，1臺作為主主機,，其他3臺作為執(zhí)行主機，所有機器上都裝好了Torque和Maui,，在Maui的配置文件maui.cfg中添加新策略設置,。對比測試中，將作業(yè)響應時間作為衡量指標,，它代表從作業(yè)提交到作業(yè)開始執(zhí)行所花時間,。測試時，構建了三個測試作業(yè)集,，分別有1 000,、1 500、2 000個作業(yè),，為了方便,，統(tǒng)一設定預設優(yōu)先級為0，常數權重因子為1,，預設優(yōu)先級閾值為55,。不同策略的作業(yè)響應時間對比如圖6所示,。因為基于節(jié)點負載情況自定義優(yōu)先級回填策略兼顧了公平性和高效性，既有優(yōu)先級設置,，也有回填策略考慮,，所以相比于FirstFit的調度策略，在排隊作業(yè)較多時,，作業(yè)響應時間有明顯的提升,，由圖6可知，作業(yè)數目為1 000,、1 500,、2 000時，作業(yè)響應時間分別減少了26.1%,、13.2%和12.5%,。

4 結論

　　本文提出了一種基于節(jié)點負載自定義優(yōu)先級回填策略，它能根據節(jié)點負載計算出資源評估參數,，結合作業(yè)的預設優(yōu)先級及等待時間,，得出相應優(yōu)先級參數，將各作業(yè)按照此優(yōu)先級排序,，逐個執(zhí)行,。當作業(yè)優(yōu)先級超過閾值時，系統(tǒng)將對作業(yè)所需資源進行預約,，在預約過程中,，已運行的作業(yè)之間可能會產生時間空隙，這時根據回填策略設置,，系統(tǒng)掃描作業(yè)間隙,，將作業(yè)預估時間小于時間間隙的作業(yè)投入到集群中執(zhí)行，以達到充分利用集群資源,、增大集群吞吐率的目的,。通過作業(yè)響應時間的對比可以看到，基于節(jié)點負載情況自定義優(yōu)先級回填策略比默認的調度策略在作業(yè)響應時間上有較好的提升,。

參考文獻

　　[1] 劉萍.作業(yè)調度算法研究[J].現代計算機,，2012，10（1）：15-17.

　　[2] 蘭文富,，羅江華,，程克非.集群系統(tǒng)的資源調度管理實現[J].科技創(chuàng)新導報，2011,，24（4）：43-44.

　　[3] 童瑞,，董小社，李紀云,，等.基于OpenPBS的機群作業(yè)管理系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機工程與應用,，2004,，13（2）：123-125.

　　[4] 張麗曉，袁立強,，徐煒民.基于任務類型的集群調度策略[J].計算機工程,，2004，7（30）：63-64.

　　[5] BRIM M,，GEIST A,， LUETHKE B,， et al. M3C： managing and monitoring multiple cluster[C]. Proceedings of the First IEEE/ACM International Symposium on Cluster Computing and the Grid,， 2001：386-393.

　　[6] 王陽，周智力,，盧康.高性能計算集群調度策略優(yōu)化及應用程序并行效率研究[J].高科技產品研發(fā),，2013，20（2）：31-32.