云計算中的按需服務

云計算為計算系統軟硬件基礎設施的設計和部署及用戶對信息系統的規劃和使用提供了一種新的模式。方便、靈活的方式，高效、價格低廉和保障質量的服務是云計算模式的典型特征。文章從服務的角度提出一個云計算中按需服務系統的架構，并基于架構探討云計算中的按需服務問題，包括分布式服務資源的組織管理與監控、情境感知的按需服務建模、大規模網絡環境中的按需服務組合，以及基于復雜系統理論的服務系統。文章還以地球空間信息系統中的連續運行參考站網為例，用云計算的視點分析了其系統的體系結構，并對其服務中出現的問題進行了探討。

[關鍵詞]云計算;服務組合;情境建模;按需服務

Abstract: Cloud computing provides a new model not only of hardware and software infrastructure design and deployment， but also of user planning and usage of information systems. Flexible， convenient， efficient， inexpensive， and high quality service are typical features of the cloud computing model. This paper analyzes on-demand system architecture in cloud computing from the perspective of service， and explores on-demand service issues. These issues include managing and monitoring of distributed service resources， context-aware on-demand service modeling， on-demand automated service composition in large-scale networks， and service system analysis based on complex systems. Taking the continuously operating reference station network of a geo-spatial information system as an example， this paper examines its architecture from the perspective of cloud computing and also explores some fundamental questions about its service.

Key words: cloud computing; service composition; situation modeling; on-demand service

云計算作為一種新的計算模式，力圖改變傳統的計算系統的占有和使用方式。云計算以網絡化的方式組織和聚合計算與通信資源，以虛擬化的方式為用戶提供可以縮減或擴展規模的計算資源，增加了用戶對于計算系統的規劃、購置、占有和使用的靈活性[1-3]。在云計算中，用戶所關心的核心問題不再是計算資源本身，而是他所能獲得的服務。從這個角度出發，可以認為服務問題(服務的提供和使用)是云計算中的核心和關鍵問題。

云計算通過管理、調度與整合分布在網絡上的各種資源，以統一的界面為大量用戶提供服務。例如，借助云計算，用戶的應用程序可以在很短時間內處理TB級甚至PB級的信息內容，實現和超級計算機同樣強大的效能。用戶則按需計量地使用這些服務，從而實現將計算、存儲、軟件等各種資源作為一種公用設施來提供的夢想。云計算涉及兩層內容:云計算基礎設施(硬件、平臺、軟件等)以及建立在基礎設施上的信息服務——云應用。

實現云計算按需服務具有重要的意義。除了基礎設施服務(如Amazon的基礎設施服務、Google的App Engine服務、微軟Windows Azure服務平臺等)外，分布式數據存儲與處理平臺(如開源的Hadoop[4])為海量數據的存儲和處理提供了可水平擴展的基礎服務。同時，越來越多的應用開發人員可以開始在云計算平臺上開發、并部署各類服務和應用。可以預見的是，互聯網上各種可用的服務資源將越來越多，因此云計算中如何實現按需的個性化服務具有重要的意義。云計算中的服務問題既涉及用戶所期望達到的要求，又涉及云計算服務的提供者所能提供的功能和性能。從云應用的用戶——服務消費者來看，用戶希望獲得滿足其個性化需求的云服務，這些云服務將利用“云”中的領域知識和用戶端的狀態信息來提供情境感知的服務，以極大的提高用戶體驗。另一方面，從云平臺的維護者來看，按需服務的另一層含義是，如何根據云端的可用資源情況、用戶的情境需求，來更加高效地滿足盡可能多的大量用戶的服務需求，以提高平臺的使用效率。

地球空間信息系統是重要的信息基礎設施，涉及地表及近地空間內對位置、時間和地理等有關信息的集成與應用，主要使用的技術有全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感(RS)技術。連續運行參考站網(CORS)則是地球空間信息系統重要的組成部分，是一種提供定位基準和定時服務的基礎設施，以此可以建立各類GIS和RS應用系統。典型的CORS是由分散于某區域的、具有精確位置坐標的、連續采集衛星信號的參考站，用于計算和向用戶提供定位服務的數據中心，由實時數據傳輸的廣域網絡以及用戶終端組成。從云計算的角度可以認為，CORS建立起了一個資源(參考站軟硬件、數據等)管理和調度平臺，并向用戶提供關于空間位置和時間等信息的服務。

1 云計算中按需服務的應用架構

一個基于云計算的按需服務的應用架構如圖1所示，具體包括:

(1)云基礎設施層

支持多個云中心的模式，不僅有來自內部可控云，還有來自外部的、滿足相應的服務水平協議的第三方云資源。云平臺將綜合這些資源為上層系統模塊和應用提供統一的云服務。云基礎設施支持多樣化的資源類型，既有硬件資源、也有網絡資源、結構和非結構化數據存儲資源以及其他基礎軟件資源等。

(2)服務資源管理與監控層

云基礎設施層提供的各類資源，以及面向具體業務應用的服務資源，包括來自第三方的云服務資源，都可以統一注冊到服務資源管理中，以服務的形態統一對外提供服務。該層主要解決大規模分布式環境下的資源管理屬性的動態監測與控制，為上層資源調度和按需服務提供資源管理屬性和狀態的支持。可根據不同種類的資源管理與監測需求，定義相應的資源模型、管理屬性以及相應的監測策略等，來實現可擴展的資源管理與監測。

(3)云服務的編程框架及運行引擎層

該層提供在基礎平臺和服務資源之上的云服務編程支持，以及云服務運行時的引擎支持。云計算在諸多行業領域的進一步應用，將使基于云的應用編程接口(API)與服務的數量迅猛增長。一個具體的應用需求往往涉及多個服務資源，為此需要多種形式的服務資源的組合編程環境及運行引擎支持，包括:預定義服務模板，可視化的人工服務組合，面向大規模、動態環境的按需自動服務組合，實現大并發情況下的高效、可靠的組合應用運行等。

(4)個性化按需服務層

針對不同的云服務需求，如何為用戶提供“即時按需”的個性化云服務是本層要解決的問題。主要涉及兩個方面:(1)如何支持用戶對需求進行準確且方便的描述，從而實現根據用戶需求進行服務資源的發現、匹配與推薦。(2)如何實現對云計算中可用資源的狀態、用戶的情境等信息進行感知，從而提供能夠主動適應這些狀態信息變化的云服務。

2 云計算中按需服務的關鍵技術

2.1 資源的分布式管理與狀態監測

技術

云計算不僅僅實現硬件資源、存儲資源、網絡資源等的虛擬化，還包括在此基礎上的各種軟件資源的虛擬化，關注于如何實現“軟件即服務”。在一個統一的云平臺上，注冊、管理著互聯網上大量不同種類的資源，如何對它們進行有效的動態監測以及管理與控制，是實現高質量的軟件即服務的保障。解決大規模分布式環境下的異構資源管理屬性的高效的動態監測及其有效管理問題，涉及的關鍵問題包括:如何滿足不同種類的資源管理與監測需求，實現資源類型及其管理屬性的動態配制;如何實現可方便擴展的監測架構支持;如何實現高效且靈活的資源監測策略，以盡量少的資源開銷實現盡量有效的資源監測與狀態預測;基于智能管理事件的資源狀態管理技術，如何更加有效的主動監測資源的狀態，并及時發現、診斷資源的故障，為提供高質量服務提供基本支撐。如文獻[5]提出了一個基于市場機制、服務等級協議(SLA)進行資源分配的云計算架構。而實現按SLA進行資源分配的基礎之一是如何對多個資源提供者的資源進行監測。文獻[6]給出了一個面向大規模、分布式的異構資源管理與監測平臺C3 ServiceManagement，通過該平臺實現了資源的注冊、管理以及資源狀態的主動監測。

2.2 情境感知的按需服務建模技術

當云平臺上可用的服務資源越來越豐富時，為用戶提供情境感知的按需服務成為提高用戶體驗的關鍵。具體需要解決以下關鍵技術:

(1)領域需求驅動的用戶需求建模

領域需求模型可以為用戶的個性化需求建模提供基礎和參照，用戶可以在此基礎上進行其個性化需求的建模與定制。面向服務的語義互操作技術，包括領域知識/規范、需求模型等技術為用戶需求的準確描述與匹配提供了互操作的語義基礎，為以用戶為中心需求建模以及自動服務組合提供了底層支持。文獻[7]提出了基于多個交互、活動間沖突，來發現跨組織的多個業務過程間沖突的方法，以及基于獨立修改區域的沖突修正計劃，用來輔助/校驗用戶的業務過程需求建模。

(2)支持不確定性的需求建模技術

對用戶需求準確建模的另一個主要挑戰是，用戶的需求經常是具有不確定性，面臨“說不清、說不準、說不全”的情況，如何對這種不確定性需求進行準確的刻畫及推理是用戶需求建模的關鍵。此外，對服務的建模、評價也存在不確定性，在進行服務和需求的匹配時，需要進行不確定性的推理。為此，需要綜合采用各種不確定性建模與推理技術(如概率邏輯、模糊邏輯和云模型等)。

(3)用戶和情境建模

在需求準確建模基礎上，一個關鍵問題是:如何對用戶及當前情境信息進行感知，從而提供能夠主動適應這些狀態變化的按需服務。針對不確定性的情境建模需求，文獻[8]提出了一種基于有概率約束的模糊邏輯情境建模及其推理方法。不同于一般情境感知計算所關注的問題，云應用中需要面對的是大規模資源狀態、用戶情境的感知與推理計算問題，主要是要解決大規模情況下的情境識別、情境推理問題，效率是關鍵。單個情境的識別及推理邏輯不會太復雜，但需要針對大規模的識別及推理效率需求設計高效的算法。

2.3 按需自動服務組合技術

隨著云計算技術的飛速發展，以GFS、MapReduce為代表的云文件系統和并發處理模型逐漸成熟，大規模數據庫服務也在不斷完善，形成了一系列開源或商業系統，為基于云的應用程序以及服務的開發奠定了堅實的基礎。當前面向服務的體系結構(SOA)技術中的服務組合建模以及運行模式能夠提供實現靈活的組合應用建模，并能夠利用各種流程引擎提供組合應用的運行時支撐環境，但卻無法適應云計算環境中海量服務管理與大并發的執行請求。一方面，在海量的服務資源中，對傳統人工選擇可互操作的服務進行組合流程建模的方法無法延續，難以支撐服務組合應用的開發;另一方面，集中式的執行引擎也無法支撐數以十萬計的并發流程，無法滿足海量用戶的監控需求。面對云計算這種挑戰，服務組合的按需構造以及按需運行就成為亟待解決的關鍵問題。

(1)服務組合應用的自動按需構造

服務組合的按需構造服務于云服務的開發者，其目的是按照用戶粗粒度的需求和上下文，自動或者半自動地查找、組織服務資源，并提供靈活易用的導航機制，協助用戶快速構造復雜組合應用程序。其關鍵技術包括基于自動服務組合的多模式快速應用建模方法。Amazon和SAP分別從網站復雜WS-BEPL程序的生成以及流程建模的輔助工具等方面，探討了自動服務組合技術在建模方面的應用[9-10]。為了有效服務于云計算環境中大量的應用程序開發者，不僅需要研究降低應用構造時間復雜度的高效算法[11-12]，還需要研究采用合理的并發模式以及分布式處理方法，以提高系統的并發處理能力，提高按需構造應用的效率。

(2)服務組合應用的按需部署與運行

服務組合應用的按需部署與運行要根據用戶的服務等級協議(SLA)以及可用計算、存儲、網絡資源的狀態，優化服務運行時的任務調度，從而最大程度地利用分布式資源，提高云服務環境的整體運行效果。其關鍵技術包括SLA及情境感知的服務/路徑動態選取。根據服務提供者與用戶簽訂的SLA，或者用戶的情境，在服務組合運行的過程中動態選取最優服務質量(QoS)的副本，以實現服務組合的局部以及全局優化[13-14]。在服務組合的按需部署與運行中，需要根據資源利用情況以及SLA約束，在完全分散運行、分片運行等多種結構之間進行靈活轉換，從而避免單點性能“瓶頸”，實現服務組合任務的按需部署和高效運行[15-16]。

2.4 基于復雜適應系統理論的按需

服務

云計算“生態系統”是一個典型的復雜適應系統。云計算系統通過各組成部分之間、各組成部分與網絡化的云計算環境之間的交互，形成復雜適應系統。在復雜的云計算網絡環境下，云計算系統通過自組織形成具有特定時空結構的有序狀態(模態或社團結構)，在復雜網絡環境的影響下能夠自組織、自學習、自適應，不斷演化，進而生存、繁衍和發展。如果云計算或其不同組成部分的適應能力趕不上網絡環境的變化，它們就會很快被消費者淘汰。所以，云計算必須適應按需服務。云計算系統不斷地根據環境和用戶需求的變化調整自己的運行機制，不斷地適應環境。云計算系統通過自身各部分以及各部分與環境之間的交互，實現整個云計算系統的互聯、互通、互操作，進而最終實現按需服務。云計算系統具有典型的自組織、自適應、開源、開放特性。與傳統的計算相比較，網絡化云計算組成單元更自主，可按需服務、按需演變，耦合更松散，規模可伸縮。從復雜適應系統的角度研究網絡化的云計算系統的行為特性，對于系統管理、資源組織和調度等具有重要意義[17]。

3 按需服務的云計算框架在連續運行參考站網絡中的應用

3.1 連續運行參考站網絡概述

典型的連續運行參考站(CORS)網絡系統是由參考站、數據中心、通信網絡、用戶等組成的實時通信和服務系統。各參考站具有精確、統一的三維坐標。其將衛星的觀測數據實時發送到數據中心，由數據中心統一進行設備管理和數據計算，并向用戶提供實時或快速的定位服務。CORS系統結構如圖2所示。

3.2 連續運行參考站網絡的應用與

服務

在中國，CORS的應用多在國土測繪、城市規劃、交通物流、水利電力等領域開展。CORS服務主要包括空間坐標基準服務、空間位置服務、源數據服務、時間服務等內容。各種服務中，源數據、空間坐標基準和時間服務是系統向外部提供的基本服務。空間位置服務、衛星軌道服務、氣象服務、地球動力學參數服務等需要與其他信息系統所提供的服務進行聚合，屬于高級服務。其中，衛星軌道服務是源數據服務的聚合體，氣象服務是源數據與氣象技術結合后形成的跨領域服務，大氣環境監測也屬于等跨領域高級服務。以上服務的響應時間、內容如表1所示。

3.3 按需服務的云計算結構下的連續

運行參考站網絡體系結構分析

在網絡的視點下，可以建立物理層、數據層和應用層的3層CORS體系結構，分別對應于物理互聯、數據組織與調度以及計算與服務3個層次[18]。在按需服務的云計算視點下，CORS結構有所細化，主要是在數據層細分為兩點:一是參考站等資源的管理與監控，二是參考站數據組織與監控。圖3所示為云計算視點下的CORS的層次結構。

3.4 云計算模型在連續運行參考站

網絡中應用的關鍵

應用云計算的計算模式構造和使用CORS系統，需要解決兩個基本問題:一是，大規模資源的調度與監控技術。相對于一般的云計算基礎設施，CORS的資源相對單一，物理設備主要包括參考站硬件設備、數據中心的服務器、通信網絡資源等等，數據資源主要包括參考站的原始數據、坐標、系統生成的服務數據、注冊用戶信息等等。主要難點在于如何構建統一的云數據與服務平臺;基于智能管理事件的資源狀態管理技術，如何更加有效的主動監測資源的狀態，并及時發現、診斷資源的故障等等。二是，大規模用戶的按需服務技術。CORS對用戶的服務內容單一，且語義和語法明確，多采用用戶概略位置作為檢索來進行迭代式的精密定位。主要難點是構建與現有系統結構兼容的云計算平臺，建立統一的系統接入和用戶登陸接口，對實時和事后用戶需求進行服務挖掘和重定向。

4 結束語

云計算系統既包含提供計算能力的底層基礎設施，也包含其上的服務軟件，還包含接受這些服務的用戶。云計算研究和開發中的一個核心問題是服務。本文從云計算中服務的角度提出了一個云計算中按需服務系統的架構，討論了云計算系統中服務的建模、大規模的自動組合和分布式服務資源的管理與檢測技術，使得云計算系統的開發者可針對不同的層次設計相應的硬件和軟件架構，以及實現服務資源的部署、管理、調度策略，為云計算使用者提供了靈活和高效的服務系統。本文以地球空間信息系統中的連續運行參考站網應用為例，分析了服務需求的實例，討論了云計算系統架構和系統構造中滿足高效服務的兩個基本問題。

致謝:感謝劉志勇研究員、呂金虎教授指導并參加本文涉及的研究工作及寫作!

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收稿日期:2010-05-08

熊錦華，中國科學院計算技術研究所博士畢業;現為中科院計算所網絡重點實驗室副研究員，曾任中科院計算所網格與服務計算研究中心副主任;長期從事分布式計算、服務計算、互聯網服務等方向科研工作，2005年曾在德國從事情境感知計算研究;已發表論文20余篇。

虎嵩林，北京航空航天大學博士畢業，現為中國科學院計算技術研究所副研究員，CCF高級會員，開放系統專委會委員;長期從事分布式系統與中間件、服務計算、事件計算等方向的科研工作;已發表學術論著30余篇。

劉暉，武漢大學工學博士畢業，武漢大學衛星導航定位技術研究中心副教授，從事衛星導航與定位、連續運行參考站網絡等方向的科研工作，已發表論文20余篇。