基于云計算和面向服務架構的混合電子政務框架

張 華

（陜西省委黨校陜西行政學院，西安710068）

信息和通信技術（ICT）的增長對社會提供服務的方式產生了重大影響。由于廣大人民群眾的互聯網意識在不斷發展，在線公共服務需求迅速增長。電子政務已被用于簡化和促進政府的運作，方便群眾使用重要改革舉措［1，2］。諸多研究表明［3，4］，電子政務不僅可以提高公共行政的效率，而且可以提高公共管理的效率，例如增加透明度、減少行政腐敗、改善服務、增強公民權能和改善政府財政。電子政務項目也面臨許多困難和瓶頸，包括人力資源、基礎設施成本、適應新技術的可擴展性以及提供服務的透明方式，部分問題可以通過應用面向服務架構（SOA）來解決。

云計算和SOA是共存、互補和相互支持的，SOA是一種架構模式，可指導業務解決方案創建、組織和重用其計算組件，而云計算是一組使能技術，可為企業構建SOA解決方案，提供更大、更靈活的平臺。本研究提出了一種基于云計算和面向服務體系結構的電子政務體系結構，使公民能不受時間和地域的限制，輕松、高效地獲得政府服務。

1 方法論

1.1 云計算

云計算是分布式計算的一種，指的是通過網絡“云”將巨大的數據計算處理程序分解成無數個小程序［5，6］，然后，通過多部服務器組成的系統進行處理和分析，并將小程序得到的結果返回給用戶。云計算的核心概念就是以互聯網為中心，在網站上提供快速且安全的云計算服務與數據存儲［7，8］，讓每一個用戶都可以使用網絡上龐大的計算資源與數據中心。美國國家標準技術研究院將云計算定義為一種模型，用于使人們能方便快捷地訪問網絡和應用程序，而通用的可配置計算資源集（例如網絡、服務器、存儲和應用程序）幾乎不會對其產生干擾。云計算的5個關鍵特征是按需自助服務、網絡訪問、資源池、可伸縮性和測量服務。

在云計算中，多組織用戶管理意味著可以輕松地在大量用戶中共享資源和成本［9，10］。其特點為：①將基礎設施集中在成本較低的位置；②峰值負荷容量上升；③對于利用率通常僅為10%～20%的系統，其利用率和效率都有所提高。

1.2 面向服務的架構

面向服務的架構（SOA）的概念是通過將大問題劃分為解決特定問題的較小服務集來實現的。SOA是一種設計模式，它由松散耦合的、可發現的、可重用的服務組成，其中每個服務都遵循明確定義的標準。每個服務都可以根據需要在任何時候綁定或解除綁定。SOA的主要思想是將應用程序的功能作為服務提供，并允許一種簡單的機制通過Web基礎設施訪問此服務。典型的SOA如圖1所示。

圖1 典型的面向服務架構

SOA和云計算是互補的活動，兩者都將在電子政務的IT規劃中扮演重要角色［11，12］。云計算和SOA可以獨立進行，也可以同時進行，其中云計算的平臺和存儲服務產品可以為SOA工作提供增值服務。

2 電子政務架構設計

研究提出了基于云計算和面向服務架構的混合電子政務框架，該框架同時支持SOA和云計算基礎架構，并提供了物理基礎架構，它是一種多組織用戶管理虛擬化基礎架構，將SOA原則和基礎架構組件（例如服務器、網絡設備等）作為構建塊來簡化互聯網上敏捷和可重用的基礎設施。混合電子政務框架是一個分層的體系結構，包括表示層、訪問層、云服務層、物理層、控制層，如圖2所示。

圖2 混合電子政務框架

2.1 表示層

在表示層中，有4個利益相關者在云環境中扮演主要角色，即用戶、監管者、供應商、商業伙伴。云服務用戶將來自世界各地的服務請求提交到數據中心和云環境［13-15］。電子政務包含3個基本用戶：政府、企業和公民。因此，必須在云環境中引入3個關系：政府對政府（G2G）、政府對企業（G2B）和政府對公民（G2C）。監管者監管不同的利益相關者，因此可以通過法規訪問云環境。供應商是提供有關構建電子政務云環境所需的所有要素的外部人員或第三方，負責操作、管理和維護云中的所有服務和系統。政府商業伙伴是在信息和通信技術領域具有較高能力和有效性的國有和私人機構或公司。

2.2 訪問層

通過訪問層，最終用戶可以與政府公共服務進行交互。訪問層由4部分組成，即訪問、設施、SLA（Service Level Agreement，服務水平協議）資源分配器、云訪問安全代理。電子政務框架支持云計算的多組織用戶管理功能。多組織用戶管理指的是一種軟件體系結構，其中單個軟件實例為多個用戶服務。用戶是一組用戶，他們共享對軟件實例具有特權的典型訪問權限。因此，通過訪問層，終端用戶可以通過電子政務門戶或公共門戶與政府公共服務進行交互。該層可以是富客戶端、移動端、門戶或基于Web的層，以調用公共服務，如圖3所示。訪問層提供了更好的訪問工具，包括路由器防火墻、LAN/WAN、Internet訪問和托管中心。

圖3 訪問層

對于任何使用云計算的人來說，服務水平協議（SLA）是需要注意的一個重要方面。SLA包含用戶開始使用云計算時必須同意的條款。SLA資源是數據中心/云服務提供商與外部用戶之間的接口。因此，云計算是一個相對較新的計算模型，對于如何實現各個級別（如網絡、主機、應用程序和數據級別）的安全性，以及如何將應用程序的安全性轉移到云計算，存在很大的不確定性。因此，采用云技術最重要的障礙之一就是安全性，其次是合規性、隱私和法律問題。提出的解決方案稱為云訪問安全代理，是消費者與服務提供者之間的安全實施點，可提供安全控制，例如身份驗證（憑據和密碼），授權入侵預防，惡意軟件過濾，安全日志記錄/審核和加密，可以監視用戶對服務的使用，并可以在用戶訪問云應用程序時執行惡意軟件檢測。它充當網守，允許電子政務擴展其安全策略的范圍。

2.3 云服務層

云服務層是與用戶交互的最外層?；谠频姆胀ㄟ^網絡（特別是Internet）按需交付信息和通信技術（ICT）服務，從而提供共享的計算資源池。云服務為政府提供了實現更高價值、靈活性和可靠性以及改進服務交付預期的機會。

2.3.1 業務流程即服務（BpaaS）BpaaS是SaaS之上的抽象層次，并且被視為一組松散耦合的基本元素，相互連接以形成更高級別功能系統的Web服務。這些服務由不同的企業提供，并在云提供商的基礎架構上運行，如圖4所示。在動態云環境中執行這些服務會導致所提供的服務質量（QoS）發生頻繁變化。在這一層中，異構獨立部門之間的互操作性是通過允許隔離的、獨立的、異構的計算系統進行協作來共享信息。

圖4 業務流程即服務（BpaaS）

2.3.2 軟件即服務（SaaS）在軟件部署模型中，應用程序被提供者授權為按需使用的服務。供應商的應用程序由運行在云基礎架構上的電子政務框架使用，并且可以通過瘦客戶端界面（例如Web瀏覽器）從各種客戶端設備訪問這些應用程序。底層的云基礎架構不受政府機構的控制或管理。在電子政務框架中，SaaS主要包含虛擬桌面、Wiki、核心任務應用程序、辦公自動化、協作應用程序、社交網絡、代理網站托管、舊版應用程序、業務同步應用程序、生產力應用程序和電子郵件等。

2.3.3 平臺即服務（PaaS）PaaS即提供計算平臺和解決方案堆棧作為服務。PaaS使用提供商提供的編程語言和工具（例如Java，Python，.Net）部署到云基礎架構用戶創建的應用程序上。電子政務框架控制已部署的應用程序以及可能的應用程序托管環境配置。在電子政務框架中，PaaS主要包含數據庫測試工具、開發工具、核心任務應用、目錄服務和備份服務。

2.3.4 基礎架構即服務（IaaS）IaaS即提供計算機基礎結構（通常是平臺虛擬化環境）作為服務。IaaS提供了處理、存儲、網絡和其他基礎計算資源。在這些資源中，電子政務框架可以部署和運行任意軟件，這些軟件包括操作系統和應用程序。在電子政務框架中，IaaS主要包括Web服務器、虛擬機、服務器托管、硬件（CPU）服務和服務器托管-DNS。

2.3.5 監管即服務（RaaS）RaaS提供了政府的政策和標準法規。通過這些服務，用戶可以在完成需求后獲得證書和協議，例如公司的營業執照。這些服務根據用戶分為三類：政府機構監管、企業監管及公民監管。此外，這些服務可對電子政務中機構、企業、公民的成熟度（技術就緒）進行等級化，這些服務相當于電子政府中機構、企業、公民的成熟度（技術就緒）。

2.4 物理層

物理層由2部分組成：硬件和虛擬化。硬件是表示云服務提供商所需的所有物理元素/硬件的基礎層，包括服務器、存儲和網絡。虛擬化是一種靈活替代物理資源的結構，該物理資源具有相同的功能和外部接口，但具有不同的屬性，例如大小和效率。這種替代稱為虛擬資源，操作系統通常不知道所做的替代。源虛擬化包括虛擬化文件訪問、虛擬化塊訪問、數據通信網絡虛擬化、計算資源虛擬化。通常，系統虛擬化是通過虛擬機監控程序技術實現的。虛擬機監控程序（與類型無關）是一個多層應用程序，它將硬件與其客戶系統分開，每個客戶操作系統（而不是物理設備）都可以看到虛擬機。

2.5 控制層

云控制以一種安全的方式應用于所有連接的關聯方和業務流程。此外，控制層監視云和服務器的所有性能，并確保云服務器有效運行。

3 案例研究與討論

為了驗證并研究所提出的框架及實施方案，從某大學通信與信息技術中心收集了數據。對該通信與信息技術中心提供的服務和可用的基礎架構進行了廣泛的審查。除了每天有大量請求外，該通信與信息技術中心還擁有大量的學術和行政數據。為了檢查提出的框架，使用了CloudSim模擬器，可以將其定義為一個新的、通用的、可擴展的模擬框架，允許對CloudSim進行無縫建模、模擬和試驗，涉及多個層，從SimJava的最低層到UserCode的最高層（圖5）所示。

根據CloudSim，數據中心由相同或不同配置的主機（服務器）組成，這些主機（服務器）代表框架中的硬件。數據中心的主機按主機ID、RAM、存儲、帶寬、處理能力和處理元素數量進行分類。主機負責處理虛擬機創建、虛擬機遷移、虛擬機銷毀和虛擬機配置。虛擬機表示框架中的虛擬化。虛擬機到主機的分配基于虛擬機供應商采用的分配策略，默認策略為先到先服務，這些策略描述了框架中的QoS。

圖5 分層CloudSim架構

應用程序或CloudLet由虛擬機處理，并在數據中心主機上分配了處理能力和內存共享。在主機上創建的虛擬機數量取決于虛擬機RAM。虛擬機由圖像大小、RAM、處理能力、帶寬和CPU的數量來描述；而CloudLet則由Cloudlet長度、文件輸入大小和文件輸出大小來描述。對于映射到虛擬機的服務或CloudLet，主機利用時間共享或空間共享分配策略。時間是中心執行服務和產生結果的關鍵因素。因此，在本研究中，將CloudLet和虛擬機結合使用可以減少總體執行時間。在這種情況下，研究模擬了一個數據中心（僅物理主機），并在主機和100個CloudLet上創建了15個虛擬機，目的是記錄和比較CloudLet在虛擬機上花費的時間。表1顯示了用于模擬案例研究的虛擬機、CloudLet和主機參數。結果表明，①CPU時間與CloudLet的數量成正比（直線關系）；②CPU時間與虛擬機的數量成反比；③CPU時間從1個虛擬機時每個CloudLet的1 s急劇減少到8個虛擬機時每個CloudLet的約0.128 s，CPU時間保持不變，并且不受虛擬機數量的影響；④虛擬機數量的增加減少了總運行時間；⑤使用虛擬機的數量要比使用CloudLet的數量多。

表1 虛擬機、CloudLet和主機的參數

圖6 關于CloudLet的平均CPU時間

圖6 為使用不同數量的虛擬機（1、5、10和15）關于CloudLet的平均CPU時間。圖7為不同數量的CloudLet（1、5、15、25）關于虛擬機數量的平均CPU時間。圖8為與CloudLet和虛擬機相關的平均CPU時間。

圖7 關于虛擬機數量的平均CPU時間

圖8 關于CloudLet和虛擬機的平均CPU時間

4 小結

服務云平臺可以重構不同區域和結構的各類信息資源的業務流程、集成的業務應用、作為服務的平臺。以往的基于云計算和SOA的電子政務模型無法提供云計算問題的解決方案。擬議的框架是用于電子政務的強大框架，它基于云計算和SOA，通過治理、QoS和管理以及有效的SLA具有強大的控制能力，可以克服業務連續性問題。此外，電子政務框架通過使用SLA和云訪問安全代理來提供安全控制。電子政務框架允許通過使用SOA在不同政府組織之間進行集成、開放標準、信息共享和信息交換。此外，電子政務框架還提供可重用性和發現功能。

對于局限性，CloudSim需要具有Java編程語言的基本背景。而且，它需要編寫一些代碼來使用其庫中的組件，以便模擬所需的方案。對于將來的工作，重要的是重新檢查包含超過數量龐大的Cloud?Let框架，以找出每個虛擬機具有成本效益的數量（服務）。同時，由于CloudSim本身的局限性，需要使用其他云模擬器進行比較。