民航云計算環境下的SLA保證策略研究

沈 強，楊 健，王家亮

(1.中國民航信息網絡股份有限公司，北京 100105; 2.中國民航大學 計算機科學與技術學院，天津 300300)

民航云計算環境下的SLA保證策略研究

沈 強1，楊 健1，王家亮2

(1.中國民航信息網絡股份有限公司，北京 100105; 2.中國民航大學 計算機科學與技術學院，天津 300300)

為了營造民航業應用云計算的環境，讓航空公司、機場等用戶將關鍵的業務遷移到云計算平臺，細化服務品質，實現服務協議的精細化愈加重要。云計算資源的池化對信息系統底層資源的管理提出了更高要求，基于云計算的高效負載、服務等級的資源調度策略將有助于交付更符合民航業云用戶需求的平臺。為此，設計并建立了以業務系統為核心，以業務系統SLA定義與監控、業務系統資源和服務使用、業務系統自動化容量管理和資源調配為主要功能的資源管理體系，設計了動態負載均衡策略和資源調度策略并實現了面向SLA的業務管理系統。實際生產運行結果表明，所建立的虛擬機動態遷移技術實現了負載均衡，保證了SLA的動態資源分配過程建模及所實現的業務系統自動化管理均具有較好的應用效果。

云計算；民航；服務；資源;服務等級協議；負載均衡；動態遷移

0 引 言

隨著社會經濟的迅速發展和民航信息服務市場容量的擴大，民航服務產業不斷拓展，民航系統也逐步向更集中、更統一、更簡便的云計算平臺轉變。隨著公有云服務的快速發展，云提供商日益增多，這也給用戶選擇云服務時帶來諸如安全、隱私以及可靠等方面的挑戰。相比過去傳統的集中緊耦合的大型主機系統，云平臺在帶來靈活性的同時也帶來了系統高穩定性、大規模密集交易性能的挑戰，研究云提供商所保證服務的質量、滿足民航云用戶的需求是關鍵問題[1]。文中將針對云計算環境下航空業信息化服務水平的技術保證手段進行探討。

為了保障云消費者所獲得服務的質量，同時提升云計算提供商的信譽，達到維護云用戶和云服務提供商雙方權益的目的，需要云消費者和云計算服務提供商簽訂關于服務質量的協議來約定細節，這個合同稱為服務等級協議(Service Level Agreement,SLA)。目前云計算提供商主要依靠兩種處理方式：一種是基于云用戶需求優化配置[2]現有資源；另一種是通過增加、擴展現有資源的方式來保障SLA[3]。其中，優化配置現有資源基礎又存在兩種形式：一是基于多租戶服務請求的優先級調度；二是云服務的部署優化和應用遷移。

民航業信息系統向來以大規模、高性能、高穩定著稱，面對云計算這種帶有規模大、集群式架構特性的服務器部署模式，云計算服務器等異構的基礎設施和服務類型的多樣性容易造成系統中業務承載不均衡，重載節點響應速度急劇下降導致系統無法提供服務，容易造成SLA違約。同時在云計算環境下，數據中心的服務基礎資源的位置，主機的資源可用性、響應能力等因素容易使云數據中心在不同位置的服務資源提供服務的成本有較大區別[4-5]。因此部署高效的負載均衡策略和資源調度策略對于保障云計算SLA至關重要。

在動態資源管理框架及相應的調度策略基礎上[6-7]，針對民航信息系統的特征，基于選擇適合民航云計算服務的遷移集合及如何實施遷移兩個維度，優化改進了最小遷移次數(Minimization of Migrations,MM)策略，保證了云計算平臺服務運行過程中的SLA，同時又降低了因遷移帶來的額外能源消耗。

1 基于虛擬機動態遷移技術的負載均衡策略

云計算平臺中往往利用虛擬化技術實現計算資源、網絡資源等資源管理的便捷性。虛擬化技術的最新發展趨勢是支持虛擬機的動態遷移，而不影響運行于其上的應用程序。因此，在服務繁忙時，將資源利用率超過上限閾值物理機上的部分虛擬機遷出，以確保不違反云用戶和云計算服務提供商簽訂的SLA。但是，關于虛擬機的具體遷移實施，需要合理的策略，否則，很容易產生額外的能耗，甚至會造成違反服務的SLA。

動態遷移(Live Migration)，是指在保證虛擬機中各服務正常運行的同時，將虛擬機系統從一臺宿主物理主機移動到另一臺宿主物理主機的過程[8]。

虛擬機運行所需的鏡像文件和相關配置文件都存放在共享存儲中，如SAN(Storage Area Network)或NAS(Network Attached Storage)[9]。在遷移過程中，只需將虛擬機內存執行狀態遷移到宿主物理主機中即可完成遷移。通過共享存儲，可以確保不對云用戶業務造成影響，基于虛擬機的動態遷移技術實現零宕機條件下的服務器維護。方便系統管理員能夠動態、靈活地利用云計算平臺的計算能力。在HA中支持網絡及存儲雙路心跳，在發生HA時，支持被隔離服務器的自動重啟提供服務。

設計虛擬機動態遷移策略的關鍵是處理好與虛擬機遷移相關的服務器內存、CPU運行狀態、網絡連接和虛擬設備狀態、存儲設備等物理基礎資源[10-12]。目前比較常見的虛擬機動態遷移算法是內存預拷貝(pre copy)遷移算法。最具代表性的是VMWare和XenSource分別推出的VMotion[13]遷移以及Xen Motion[14]遷移。這兩種遷移方式都適用于局域網并且有相似的方案用于內存和網絡連接的遷移。其中，預拷貝遷移的主要工作過程如下：虛擬機監控器將所有內存頁標記為臟頁面并拷貝到目的主機上；然后迭代拷貝。這里迭代是指采用幾輪增量同步，上一輪傳輸過程中被修改過的頁面在本次遷移。當需要傳輸的內存小于閾值或者迭代次數超過設置的最大迭代次數時停止迭代。最后，掛起源主機上的虛擬機，拷貝CPU狀態和最后一輪產生的臟頁面到目的主機，恢復目的主機上的虛擬機。民航公共云平臺動態遷移方案里實現了預拷貝遷移方法。如果目的主機出現故障，則終止遷移過程，繼續在源主機上運行虛擬機。

預拷貝遷移的主要目的在于實現了虛擬機的動態遷移，同時可以確保民航公共云服務平臺的高可靠性，保證民航云用戶的服務等級。

2 保證SLA資源調度的動態資源分配過程建模

云計算環境中的資源調度是指請求任務在多個數據中心尋找滿足目標的資源。根據資源調度時間的不同分為在線調度和批調度。在線調度是指根據任務到達情況，實時尋找合適的可利用資源，如果無法找到，就等待或者拒絕。目前的云計算環境中,基于在線調度策略的研究主要集中在以滿足用戶的各種資源請求為目的,卻較少關注云計算服務提供商的利益。需要從在線調度的方向研究有效的任務調度算法，使得在滿足用戶SLA的前提下，實現云計算資源提供商的收益最大化。對于LaaS層的調度，需要考慮的是，云計算環境中因服務器的位置、計算等資源的可用性等客觀因素會造成不同資源提供的成本存在較大差異。面對接踵而至的任務,不同的任務SLA規定的QoS指標也不相同，LaaS層的調度策略既要考慮滿足任務的SLA，又要確保接收任務所獲得的收益是最大的。

在云環境下，將云用戶的動態需求表示成用戶請求，采用過程化模擬方法，將云計算資源提供服務的過程模擬成虛擬機的分配過程，確保云計算服務供應商在遵循SLA協議的前提下達到利潤最大化，增強云計算服務提供商的競爭力。其中，云計算資源分配過程如下：

云環境中可以對虛擬化技術抽象后的計算、網絡、存儲等基礎設施資源進行統一集中化管理。實現了邏輯計算資源、邏輯存儲資源以及邏輯網絡資源的監控功能、管理功能和調度功能，提高了云計算平臺中邏輯資源的自動化管理水平。

鑒于用戶對云計算平臺中的計算資源和存儲資源的需要差異大、變化大，所以需要預先建立標準的計算資源模板和存儲資源模板。在云計算環境中，可以通過虛擬化技術，實時動態地分配、更改用戶云主機的邏輯計算資源和邏輯存儲資源。

云計算環境內，可以為不同的用戶或者用戶內的不同部門之間分配安全的邏輯隔離網絡，實現邏輯網絡資源分配的靈活性。通過云平臺的網絡組件agent，實現對用戶內部不同網絡之間的策略控制和對外部的策略控制。

而資源分配與高可用模塊分配的最大目的是要準確地計算和分布業務系統所需要的各種資源，包括硬件資源和軟件資源，以保證業務系統所依賴的整個IT基礎架構鏈條盡量冗余，且冗余組件間完全沒有相互影響。其冗余設計如圖1所示。在進行分布策略設計時，主要考慮如下：

(1)任何一個軟硬件組件都是不可靠的，均可能會出現故障。

圖1 冗余設計圖

(2)任何兩個組件只要存在聯系，即有可能發生故障傳染。

(3)在特定業務場景下，如要求嚴格事物一致性的業務場景，對無法實現完全冗余的資源(如數據庫集群組件本身)必須經過嚴格的可靠性評估，選擇經過長時間運行檢驗，可靠性可以達到99.99%的組件；對其中涉及的組件，還需進行運行管理加強設計，即在不配運維資源時(如監控資源)，運維資源也要做到冗余設計，以保證可以迅速發現和修復故障。

資源分配與高可用保證模塊的一個理想分配結果如圖2所示。一個業務系統將運行在兩個完全隔離的IT基礎架構之上，可見，任何一個架構中的任何一個組件的故障都不會影響業務系統的正常運行。

圖2 資源分配圖

同時，資源分配與高可用保證模塊還負責實現業務系統對資源分布的一些其他要求，如統一業務系統的資源盡可能集中等。因此，在具體實現上，資源分配模塊如圖2所示，主要由定位和分布兩部分功能構成。定位是根據用戶的各種輸入，獲得滿足用戶要求的各種資源，作為用戶最終使用資源的備選；而分布則是根據多個分配策略，確定用戶最終將使用哪幾個具體的底層資源。但無論選擇何種分布策略，資源分配均將首先保證用戶所使用的一組資源必須分布在不用的底層資源上，從而保證了任何一個底層資源的失效不會對用戶整體的服務質量產生影響。

對傳統云計算中心的資源調度策略進行分析,提出了云平臺管理系統的模型及系統實現，以保證SLA的服務水平。

3 面向SLA的業務管理系統實現

為更加靈活地管理業務系統，適應不同的業務系統分類場景，業務系統采用多級結構，分為“產品線”-“模塊”-“業務系統”三個維護級別，并為各個級別的維護定義簡單高效的維護流程，具體業務管理流程體系如圖3所示。

流程的基本原則為：

(1)每個企業的超級管理員為整個業務系統管理體系負責，控制所有的業務系統架構及屬性變更。

(2)每個級別的業務對象均需定義若干不同功能的管理角色，負責該業務對象不同方面的維護和管理工作，如：總體負責、維護工作等。同時，為支持簡單的管理體系，不同的角色可以由同一個人來擔任。

(3)上級業務結構的管理者可以定義下級業務的結構和屬性，但其定義的變更需要超級管理員審批，以減少業務定義的隨意性，保證業務系統的精簡和相對穩定。

圖3 在線用戶管理

如圖3所示，產品線中的企業超級管理員負責產品線結構的增刪改以及屬性的變更；模塊中的企業超級管理員和產品線經理同時負責模塊結構的增刪改，同時企業超級管理員還負責變更的審核；業務系統中，企業超級管理員和產品線經理也共同負責模塊結構的增刪改，同時企業超級管理員還負責變更的審核。

通過虛擬機動態遷移技術實現負載均衡，以及對保證SLA資源調度的動態資源分配過程進行優化建模，實現面向SLA的業務管理系統。

4 結束語

民航云計算環境下的SLA保證策略非常重要，通過研究設計動態負載均衡策略和資源調度策略并實現面向SLA的業務管理系統，各個在線企業可以很容易地梳理自己的應用系統，提高了用戶標準化管理各個業務系統的SLA水平，實現了對平臺所提供的各種資源的高效、有序管理，降低了管理和資源使用成本，提升了資源使用效率。

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Research on SLA Assurance Strategy for Cloud Computing Environment of Civil Aviation

SHEN Qiang1,YANG Jian1,WANG Jia-liang2

(1.China TravelSky Holding Company,Beijing 100105,China; 2.College of Computer Science and Technology,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

In order to create the cloud computing environment for the aviation industry,making the key business of airlines,airports and other users moved to cloud computing platform,it becomes more and more important to implement the refinement of service agreements.The higher request has been proposed for cloud computing resource pooling to the underlying resource management of information system.A reasonable resource scheduling strategy based on cloud computation with efficient workloads and high service grade is helpful to deliver the platform more suitable to the requests of civil aviation cloud users.Therefore,a resource management system has been designed and established which considers business system as key and takes SLA definition of business system and its monitoring,automatic management of the system capacity and resource allocation as its functions.The dynamic load balancing strategy and resource scheduling strategy has been designed and thus the business management system for SLA has been implemented.The results of practical production operations show that balancing load has been realized with the virtual machine live migration technology to guarantee the better effects for both the modeling of dynamic resource allocation process and the realized automatic management of business system.

cloud computing;civil aviation;services;resources;SLA;load balancing;live migration

2016-05-24

2016-09-07 網絡出版時間：2017-04-28

國家發改委云計算工程(發改辦高技[2014]1799)

沈 強(1974-)，男，研究方向為新技術在民航信息系統的應用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170428.1702.014.html

TP391

A

1673-629X(2017)06-0156-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.06.032