云計算服務質量評價研究綜述

李攀攀　張宏莉

摘 要：云計算以其低成本的方式提供高可靠、高可用和規(guī)模可伸縮的個性化服務等諸多優(yōu)勢得到了飛速的發(fā)展，并日益受到學術界和工業(yè)界越來越多的關注。針對云計算服務質量評價問題，本文綜述了最新的研究進展，并提出了云計算服務質量評價領域未來的熱點研究方向。

關鍵詞：云計算；服務質量評價；服務質量等級

中圖分類號：TP393 文獻標志碼： A 文章編號：2095-2163（2015）05-

Survey on Cloud Computing Service Level Agreement Evaluation

LI Panpan， ZHANG Hongli

（School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： Cloud computing has achieved great development due to a serious of significant advantages， such as high reliability， high availability， high scalability， low cost customized service and so on. Hence， there are growing concerns about the cloud computing in academia and industry. In this paper， the recent research developments of cloud service level evaluation technologies are investigated. And then hot topics and future research trends of cloud service level evaluation are also presented.

Keywords： Cloud Computing； Service Level Evaluation； Service Level Agreement

0 引 言

云計算的概念可以追溯到上個世紀60年代，計算機科學家約翰·麥卡錫即已提出“計算有可能在未來成為一種公共設施”的科學預言[1]。時光邁入2006年，Google則首次提出了云計算的概念。近年來，作為物聯(lián)網、大數據等領域的核心支撐技術，云計算依靠其可定制服務、高度服務擴展性、強大的計算能力、海量的存儲能力和相對低廉的價格等諸多顯著優(yōu)勢取得了迅猛的發(fā)展[1-2]，并引起了學術界和工業(yè)界越來越多的關注。

1 云計算體系結構與關鍵特征

云計算是分布式計算、并行計算、網格計算和虛擬化等技術綜合發(fā)展而成的，基于互聯(lián)網進行服務交付、自主使用的服務模式。按照服務層次，云平臺可劃分為基礎設施即服務（Infrastructure as a Service， IaaS），平臺即服務（Platform as a Service， PaaS）和軟件即服務（Software as a Service， SaaS）三個層次，為云用戶提供了不同程度的資源共享和服務交付模式[3]，如圖1所示。在此，針對云平臺的三個劃分層次給出如下相關的綜合論述。

（1）IaaS是最底層的云計算系統(tǒng)服務，接近物理硬件資源，是為云用戶提供的一個虛擬化資源（計算、存儲和通信等）。基礎設施的規(guī)模可以按需動態(tài)變化，提供可靠性高、可定制性強、規(guī)模可擴展的IaaS層服務，以精確地滿足云用戶的現(xiàn)實需求；

（2）PaaS是在基礎設施之上的平臺層，是云計算系統(tǒng)的核心層，主要包括并行程序設計和開發(fā)環(huán)境、結構化海量數據的分布式存儲管理系統(tǒng)、海量數據分布式文件系統(tǒng)以及實現(xiàn)云計算的其它系統(tǒng)管理工具，如云計算的系統(tǒng)中資源的部署、分配、監(jiān)控管理、安全管理和分布式并發(fā)控制等。PaaS層主要為應用程序開發(fā)者特別組織而設計，開發(fā)者不再考慮應用運行時所需要的資源，PaaS層已經提供了應用程序運行及維護所需要的一切平臺資源；

（3）SaaS層中通常以應用軟件以及交互接口作為服務，在瀏覽器中提供給終端用戶，因而節(jié)省了用戶的軟件部署和維護開支。

圖1 云計算體系結構

Fig.1 Cloud Computing Architecture

廣義上講，云計算是由分布式計算、網格計算、并行處理、效用計算、網絡存儲、虛擬化和負載均衡等傳統(tǒng)計算機技術和網絡技術發(fā)展融合所產生的一種商業(yè)服務模式[3]。但云計算也有著自身的關鍵性特征，分析起來可總結如下[1， 4]：

（1）資源高度虛擬化。 虛擬化是云計算平臺的核心支撐技術之一，即將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的關鍵技術。虛擬化是表示計算機資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源，隱藏資源屬性和操作之間的差異，并使得云服務具有硬件無關性，且允許通過通用的方式來使用資源；

（2）動態(tài)彈性服務。 動態(tài)彈性服務能力是云計算的重要特性之一，而且也是保證云計算服務能否成功實施的關鍵因素。云平臺管理系統(tǒng)將會系統(tǒng)整合云平臺的各種IT資源，同時使用多重負載均衡策略，即可可以根據用戶使用資源的具體情況對資源靈活的配置、增加和釋放；

（3）廣泛的網絡接入。 云計算通過網絡提供服務，云用戶可以利用各種終端設備隨時隨地通過互聯(lián)網訪問云計算服務；

（4）按需付費。按需服務并付費是目前各類云服務中不可或缺的重要部分。對用戶而言，省去購買大量軟硬件設備以及人員開銷的費用，而且還能根據自身業(yè)務成長的需要選擇相應的云服務；

（5）資源可測量。云中的IT資源是可以精確測量的，一方面可以了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，另一方面可為服務計費提供度量手段；

（6）多租戶技術。云平臺的多租戶技術將使得大量的租戶能夠共享同一堆棧的軟、硬件資源，每個租戶都能夠按需使用資源，能夠對軟件服務進行客戶化配置，而且不影響其他租戶的使用。此外，更能提供諸如數據隔離、客戶化配置、架構擴展和性能定制等多重實用功能；

（7）規(guī)模化經濟。云計算平臺的規(guī)模通常較大，云服務提供商（Cloud Service Provider，CSP）可以使用多種技術來提高系統(tǒng)資源利用率從而降低使用成本，同時還可以通過通風、制冷、供電、網絡接入的統(tǒng)籌規(guī)劃降低維護成本，從而實現(xiàn)規(guī)模化經濟，為用戶提供價格低廉的服務。

總之，云計算是一種以提高資源利用率、降低IT設備總擁有成本為驅動的服務模式，其核心是以虛擬化和互聯(lián)網技術為基礎支撐，對基于網絡連接的各種資源統(tǒng)一進行管理和調度，由此即構成一個可以動態(tài)地配置、靈活擴展和自動化管理的IT資源池[4]。

2 云計算服務質量評測技術的挑戰(zhàn)

云計算平臺廣泛使用的虛擬化技術、動態(tài)資源分配等技術給服務質量評測帶來了多方面的挑戰(zhàn)。綜合來講，主要來自三個方面：

（1）物理IT資源視圖對云用戶的不可見性。云計算廣泛使用的虛擬化技術屏蔽了云用戶對云平臺的物理硬件視圖，使得云計算服務過程和服務內容等脫離了云用戶物理上的控制權，由此導致了如何確定云計算平臺是否按照約定提供可信服務就隨即成為云用戶選擇使用云計算平臺的首要考慮因素。出于經濟利益或聲譽的考慮可知，云計算服務提供商單方面聲稱服務質量的服務等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）可靠性并不具有充分的可觀保障度。因此，如何評測云計算服務質量便應運而生，成為亟待突破的重要問題，其重要性與緊迫性日益突顯。

（2）云用戶需求的多樣性。不同云平臺提供不同的服務內容，如面向數據存儲云服務、面向高性能計算的云服務和面向網絡應用云服務等，諸多的云平臺有著不同類型的服務內容和形式，云用戶對這些云服務均有著不同的業(yè)務需求，也就使得云服務質量評測更要滿足用戶服務內容多樣性需求。

（3）云用戶對服務目標多樣性要求。云用戶應用需求的表現(xiàn)是多方面的，例如云平臺高性能計算、安全可靠分布式存儲、網絡帶寬、網絡延遲、云服務即時響應能力的要求。基于此，CSP則提供了不同的云體系結構滿足這種云用戶多樣性的需求。不同的云服務所對應的服務質量的定義在維度上往往都是各有不同的，這也就要求已經推出的各類云服務質量評測技術能夠與之相互匹配與對應。

因此，為了更好地評估云平臺的服務質量SLA的合規(guī)性，針對特定服務內容以及綜合考慮各服務要素構建SLA合規(guī)性的評測方法是具有客觀的現(xiàn)實必要性及重要性的。

3 云計算服務質量評測技術研究新進展

云平臺資源使用度量是從云用戶或第三方的角度來進行評估云平臺資源服務能力的實效評估，到目前已有眾多的代表性研究成果，歸納起來主要有以下三類，現(xiàn)分別對其進行系統(tǒng)闡述和介紹。

3.1 資源服務能力監(jiān)控與度量

云平臺的結構復雜，資源服務能力的監(jiān)控與度量是服務質量SLA評估的基礎。GMonE[5]是一個層次化的云平臺監(jiān)控架構，GMonE使用并定義了云監(jiān)控等級和云監(jiān)控視圖這兩個核心指標對云平臺的監(jiān)控方案進行甄別分類。文獻[6]提出了面向云用戶的自適應模塊化監(jiān)控方案，監(jiān)控設計者可以根據需求擴展現(xiàn)有模塊，設計可視化視圖，以滿足不同云用戶個性化的資源監(jiān)控需求。RMCM[7]是云平臺運行時環(huán)境高靈活的可擴展性服務質量的監(jiān)控系統(tǒng)，RMCM系統(tǒng)綜合利用本地資源監(jiān)控庫、JVM Agent、事件攔截器、JMX（Java Management Extensions）技術、服務取證等技術抓取云平臺系統(tǒng)中的原始監(jiān)控數據，進行服務質量的事后分析。SmartSLA[8]是面向計算密集型虛擬資源管理系統(tǒng)，主要包含系統(tǒng)建模模塊和資源分配模塊兩個單元，系統(tǒng)建模模塊是個學習模型，使用機器學習方法預測每個云用戶在不同資源分配情況下的SLA懲罰成本，資源分配模塊通過權衡潛在的SLA懲罰成本和基礎設施成本進行動態(tài)調整資源分配。

靈活、可靠地檢測云平臺的服務質量也是目前云平臺服務質量評價的研究熱點之一。MELA[9]是云平臺彈性化服務的建模和分析方案，MELA允許云服務開發(fā)者使用特定接口獲取云彈性服務一些關鍵特征的相關數據，通過聚合監(jiān)控數據對云計算的彈性服務能力的參數進行分析以評估云服務質量。MonPaaS系統(tǒng)[10]分別從CSP資源視角和云用戶資源視角兩個維度對IT資源進行度量，并允許云用戶靈活、具體地自定義監(jiān)控指標和監(jiān)控方案。

3.2基于可信第三方的服務質量評估

可信第三方擁有較高的資源訪問權限，能有效地解決CSP和云用戶權利不對等所引發(fā)的評測結果不可靠等問題。DMI（Dynamic Monitoring Interval）是一個輕量級的云服務質量監(jiān)控方案[11]，服務質量SLA描述方案保存于可信方，部署在云平臺內部的監(jiān)控引擎自主采集云平臺運行時的環(huán)境相關信息，并由可信方根據預設規(guī)則分析監(jiān)控信息，以評估云服務質量SLA的合規(guī)性。CASViD[12]是適用于云計算平臺應用層的一個高效監(jiān)控和SLA違約檢測框架，其核心組件是一個應用級的監(jiān)視器，監(jiān)視器通過采集云用戶的應用在云平臺上運行時環(huán)境的資源消耗參數和性能，來判斷云平臺是否滿足SLA的要求。面向云平臺特定服務內容SLA合規(guī)性評估研究中，Houlihan等人[13]的方案中則由可信第三方使用一個CPU密集型測試用例，隨機檢測CSP的CPU的性能是否符合SLA的約定。CSP對云平臺的IT資源擁有絕對控制權，對CPU服務能力的檢測就不應被CSP所感知，以阻止CSP進行有目的性的防檢測，為此，Huang等人[14]在此基礎上進一步提出一個輕量級的隨機CPU資源耗盡策略評估CPU服務能力的SLA合規(guī)性，因而有效地避免了CSP有目的性的反評估。

3.3 服務SLA建模語言

在傳統(tǒng)研究領域中，已出現(xiàn)一些SLA描述的語言模型，如WSLA[15]，WS-Agreement[16]，其中，WSLA是由IBM統(tǒng)一研發(fā)，可用來定義和監(jiān)控Web服務SLAs機器可讀格式的規(guī)范，并包含SLA的擔保和約束的相關定義，WSLA是一個SLA驅動的Web生命周期管理框架。同樣，WS-Agreement也是最重要的規(guī)范之一，提供了定義服務供求雙方服務協(xié)調以及管理SLA的相關協(xié)議。其它的SLA定義的規(guī)范，諸如SLAng[17]和WSOL[18]都是基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language， XML）定義的面向Web服務的QoS約束機制的規(guī)范，其與Web服務技術和標準緊密相關，但與上述方法類似，這兩個規(guī)范僅僅定義了服務質量的建模方法，卻未涉及服務生命周期管理及SLA評估。除以上的重點推介外，時下學界還已研發(fā)有基于RuleML規(guī)則建模語言拓展而成的RBSLA[19]SLA建模語言。

綜上可知，SLA描述方法也是云計算服務質量SLA評估的重要研究領域。云計算服務質量SLA評估領域誕生之初主要側重于SLA協(xié)商與監(jiān)控的方法研究，如WS-Policy[20]、WS-Negotiation[21]、SWRL[22]和CSLA[23]等。Garcia等人[24]開啟了對云服務進行通用的規(guī)范化表示方法的設計研究進程，使用WS-Agreemen規(guī)范對服務過程中SLA各要素實施統(tǒng)一管理，并且，SLA合成算法又全面整合了服務過程中各服務要素的SLA描述碎片，由此構建了SLA驅動的云平臺架構。類似的研究方案還有，SLA感知即服務（SLA-aware as a Service. SLAaaS， SLAaaS）的云模型[23]將有效的SLA描述機制融入到面向QoS的云服務中，通過云服務等級協(xié)議（Cloud Service Level Agreement，CSLA）語言定義了SLA以及處理SLA的違規(guī)案例。另一突出成果就是：文獻[25]提出了一個基于SLA的按需服務虛擬化服務提供方案，首次嘗試將基于SLA的資源協(xié)商虛擬機用于提供按需服務，而且又一并提出了SLA感知的云計算系統(tǒng)。

還有一些方案則是從SLA協(xié)商、建立、監(jiān)測、評估等生命周期內的關鍵步驟管理入手，來相應評估服務質量SLA的合規(guī)性。在此，給出重點研究成果，即如，F(xiàn)arokhi在文獻[26]中提出面向多云計算環(huán)境的服務分配框架，主要包含三個階段，分別是：SLA協(xié)商建設、服務選擇和違反SLA監(jiān)測和檢測，該模型更多地是從交付的角度對多云平臺的SLA合規(guī)性實現(xiàn)評測，具體就是在SLA合規(guī)性的約束下，利用最優(yōu)化算法將服務均衡地分配到不同的云基礎設施上，因而在獲取CSP經濟效益最大化的同時，也保證了云用戶的SLA合規(guī)性。CSP使用公共SLA模板時，若發(fā)布一個新的SLA模板，那么就必須按照一定的預設規(guī)則映射到所有的公共SLA模板上。與此同時，還有一些面向多云環(huán)境的服務質量SLA評測也頗受各方關注。在云平臺的多用戶應用環(huán)境中，不同云用戶的不同業(yè)務流程中，也往往約定著不同的服務等級目標，最重要的設計目標是要確保多SLA模板參數的一致性，同時也支持動態(tài)SLA協(xié)商、多層次SLA檢測等。為了解決這一問題，能夠支持云間相互遷移的SLA模板[27]設計方案便應運而生，從而在多云平臺環(huán)境下擴展了SLA規(guī)范的描述方式。

4 結束語

云計算可信服務SLA和云計算可信服務標準的缺失，導致可信服務測評的支撐點要素缺乏廣泛的認可。服務評測技術指標是一個龐大的系統(tǒng)工程，現(xiàn)在云計算可信服務評測技術沒有統(tǒng)一的標準，各種技術和手段對評測技術的可用性、有效性等指標的認定相互孤立，不同的技術和手段之間缺乏統(tǒng)一的指標去對比或量化優(yōu)劣。因此，建立一個多技術手段，相互協(xié)同的云計算SLA評測體系即已成為未來研究領域的熱點。

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