股票市場上的投資者往往依賴金融風(fēng)險理論來幫助他們獲得最大化投資回報，同時又能將市場波動造成的金融損失降至最小。這些理論幫助投資者保持一個平衡的投資組合，以確保他們在任何時候都不會損失超過他們愿意放棄的錢。
受這些理論的啟發(fā)，MIT計算機科學(xué)與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員與微軟合作開發(fā)了一個“風(fēng)險意識”數(shù)學(xué)模型，可以提高全球云計算網(wǎng)絡(luò)的性能。畢竟，云計算的基礎(chǔ)設(shè)施極其昂貴，消耗了世界上大量的能源。
數(shù)據(jù)連接失敗概率，類比股價的波動
他們的模型考慮了全球數(shù)據(jù)中心之間鏈接失敗的概率——類似于預(yù)測股票的波動性。然后，它運行一個優(yōu)化引擎，通過最佳路徑分配流量，以最小化損失，同時最大化網(wǎng)絡(luò)的整體利用率。
該模型可以幫助市面上的主要云服務(wù)提供商——如微軟、亞馬遜和谷歌——更好地利用其基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)方法是保持鏈路空閑，以處理鏈路故障導(dǎo)致的意外流量轉(zhuǎn)移，這是對能量、帶寬和其他資源的浪費。
另一方面，這個名為TeaVar的新模型保證了在一定的目標(biāo)時間百分比內(nèi)(比如99.9%)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)能夠處理所有數(shù)據(jù)流量，因此沒有必要保持任何鏈接空閑。在那0.1%的例外時間內(nèi)，模型也會將數(shù)據(jù)中斷的可能性保持得越低越好。
在基于真實數(shù)據(jù)的實驗中，該模型支持的流量是傳統(tǒng)方式的三倍，同時保持了相同高的網(wǎng)絡(luò)可用性。一篇描述模型和結(jié)果的論文將在本周的ACM SIGCOMM會議上發(fā)表。
麻省理工學(xué)院電子工程和計算機科學(xué)系TIBCO職業(yè)發(fā)展助理教授、該研究的合著者M(jìn)anya Ghobadi說，更好地利用網(wǎng)絡(luò)可以為服務(wù)提供商節(jié)省數(shù)百萬美元，這些好處同時也會惠及到消費者身上。
Ghobadi說:“更好地利用基礎(chǔ)設(shè)施不僅對云服務(wù)有好處，對世界也有好處。企業(yè)不需要購買那么多基礎(chǔ)設(shè)施來向客戶銷售服務(wù)。此外，能夠有效地利用數(shù)據(jù)中心資源可以節(jié)省云基礎(chǔ)設(shè)施的大量能源消耗。所以，這對用戶和環(huán)境都是好的。”
Ghobadi的論文作者中包括她的學(xué)生Jeremy Bogle和Nikhil Bhatia，他們都是CSAIL的學(xué)生；微軟研究院的Ishai Menache和Nikolaj Bjorner，以及希伯來大學(xué)的Asaf Valadarsky和Michael Schapira。
權(quán)衡可用性和利用率，成本最小化
云服務(wù)提供商使用運行在地下的光纖電纜網(wǎng)絡(luò)，連接不同城市的數(shù)據(jù)中心。為了路由流量，提供商依賴于“流量工程”( traffic engineering ，TE)軟件，該軟件可以通過所有網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化分配數(shù)據(jù)帶寬(一次可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量)。
其目標(biāo)是確保世界各地的用戶獲得最大的可用性。但是，當(dāng)一些連接可能意外失敗時，這就很有挑戰(zhàn)性了，比如斷電時導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，或者施工造成的線路中斷等因素。為了減輕這些意外事故帶來的影響，供應(yīng)商將許多鏈接的利用率保持在非常低的水平，只是在那里等著在需要時從被迫關(guān)閉的鏈接中承受全部數(shù)據(jù)負(fù)載。
因此，在網(wǎng)絡(luò)可用性和利用率之間，這是一個微妙的權(quán)衡，這將實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。研究人員說，這就是傳統(tǒng)TE方法失敗的地方。他們基于各種因素找到最佳路徑，卻不量化鏈路的可靠性。Bogle說:“他們不會說，‘這條鏈路啟動和運行的概率更高，所以這意味著你應(yīng)該在這里發(fā)送更多的流’。”網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)鏈路利用率都很低，發(fā)送的流量也沒有達(dá)到預(yù)期的水平。"
于是，研究人員設(shè)計了一個TE模型，該模型采用了核心數(shù)學(xué)中的“風(fēng)險條件價值”， 這是一種量化平均資金損失的風(fēng)險評估方法。在投資股票時，如果你今天99%的條件價值風(fēng)險為50美元，那么你當(dāng)天最壞情況1%的預(yù)期損失就是50美元。但99%的情況下，你會做得更好。這一指標(biāo)用于投資股市，而股市是出了名的難以預(yù)測。
“但數(shù)學(xué)實際上更適合我們的云基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置，” Ghobadi說。“大多數(shù)情況下，鏈路故障是由于設(shè)備老化造成的，因此故障概率不會隨著時間的推移發(fā)生很大變化。這意味著與股市相比，我們的概率更可靠。”
風(fēng)險意識模型
在網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)帶寬份額類似于投入的“錢”，具有不同故障概率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是“股票”及其股價變化的不確定性。利用這些基本公式，研究人員設(shè)計了一個“風(fēng)險意識”模型，與金融模型一樣，該模型保證數(shù)據(jù)在99.9%的時間內(nèi)到達(dá)目的地，但在0.1%的最壞情況下，流量損失最小。這幫助了云提供商調(diào)優(yōu)可用性和利用率之間的權(quán)衡。
研究人員將微軟連接其數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)三年的網(wǎng)絡(luò)信號強度映射到鏈路故障的概率分布上。輸入是圖形中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shù)據(jù)源-目的地數(shù)據(jù)流通過線路(鏈路)和節(jié)點(城市)連接，每條鏈路分配一個帶寬。
每隔15分鐘對每個環(huán)節(jié)的信號質(zhì)量進(jìn)行檢測，得到故障概率。如果信號質(zhì)量低于接收閾值，他們認(rèn)為這是鏈路故障。高于接收閾值即意味著鏈接已經(jīng)啟動并運行。在此基礎(chǔ)上，該模型生成了每個鏈接上升或下降的平均時間，并計算了每個鏈接在每個15分鐘時間窗口的失敗概率(或“風(fēng)險”)。從這些數(shù)據(jù)中，它能夠預(yù)測在任何給定的時間段內(nèi)，風(fēng)險鏈接什么時候會失效。
研究人員將該模型與其他TE軟件進(jìn)行了測試，測試對象是通過遍布全球的谷歌、IBM、ATT和其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的模擬流量。研究人員根據(jù)故障發(fā)生的概率創(chuàng)建了各種故障場景。然后，他們通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模擬的和真實的數(shù)據(jù)需求，并提示他們的模型開始分配帶寬。
研究人員的模型將相對可靠的鏈接保持在接近滿負(fù)荷的狀態(tài)，同時引導(dǎo)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離風(fēng)險更高的鏈接。與傳統(tǒng)方法相比，他們的模型通過網(wǎng)絡(luò)運行的數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)方法的三倍，同時仍然確保所有數(shù)據(jù)都到達(dá)目的地。
