馬曉亭 （蘭州商學(xué)院信息工程學(xué)院 甘肅蘭州 730020）

陳 臣 （蘭州商學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心 甘肅蘭州 730020）

1 引言

云計算是一種新的數(shù)據(jù)計算、處理與管理模式，是一種多用戶條件下數(shù)據(jù)密集型的超級計算。用戶可根據(jù)云服務(wù)需求，按照“共享、按需、安全、經(jīng)濟、透明、可擴展”的原則從云服務(wù)提供商購買云服務(wù)。Google宣稱，由于使用了云計算技術(shù)，其計算成本僅為競爭對手的1/100，存儲成本僅為競爭對手的1/30。

隨著云計算技術(shù)的發(fā)展與成熟，依靠云計算技術(shù)構(gòu)建數(shù)字圖書館，為用戶提供高效、安全、經(jīng)濟、個性化的云服務(wù)成為必然。在云圖書館建設(shè)中，效率、安全、成本、服務(wù)是決定云圖書館建設(shè)水平的四個關(guān)鍵要素。如何依據(jù)圖書館云用戶數(shù)量和云業(yè)務(wù)需求，提供相應(yīng)的圖書館云服務(wù)風(fēng)險管理，確保云圖書館較高的服務(wù)效率與用戶滿意度的前提下，加強以收益率為核心的云基礎(chǔ)設(shè)施采購、管理、運營、維護建設(shè)，不斷降低云圖書館建設(shè)與運營成本，是關(guān)系到云圖書館未來發(fā)展的重要問題。［1］

2 基于Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)云服務(wù)的云圖書館成本構(gòu)成

基于云計算技術(shù)的數(shù)字圖書館主要經(jīng)歷建設(shè)、運營、維護、更新四個生命周期流程，生命周期流程中的投資主要包括硬件成本、軟件成本、帶寬成本、空間成本、電力成本、以及維護成本。不同云圖書館建設(shè)、運營、服務(wù)規(guī)模與管理理念的差異，導(dǎo)致云圖書館整體收益率不同。結(jié)合云圖書館四個生命周期流程對云圖書館成本構(gòu)成進(jìn)行有效劃分，并依據(jù)收益率最優(yōu)化原則分配資金及制定有效的資源分配及基礎(chǔ)設(shè)施管理策略，是提高云圖書館成本效率、安全及最優(yōu)化運營的保證。

2.1 云計算中心基礎(chǔ)設(shè)施資源租賃成本

為降低云圖書館建設(shè)、管理、運營、維護成本，確保在世界區(qū)域內(nèi)為用戶提供安全、高效、滿意的云服務(wù)，基于云計算的數(shù)字圖書館在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，應(yīng)租賃具備較高信譽度、安全標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)水平的云服務(wù)提供商基礎(chǔ)設(shè)施資源。

世界上具備較高水準(zhǔn)的云服務(wù)供應(yīng)平臺有Google和Amazon的公有云計算平臺和IBM企業(yè)的私有云計算平臺。為確保數(shù)字圖書館云用戶不會因為地域、網(wǎng)絡(luò)接入方式、租賃費用及云個性化服務(wù)要求而影響云服務(wù)質(zhì)量，云圖書館在建設(shè)中主要以租賃公有云基礎(chǔ)設(shè)施資源及云技術(shù)服務(wù)為主，結(jié)合自身云服務(wù)目標(biāo)建設(shè)自己的云圖書館。我們依據(jù)地域最近和價格性能最優(yōu)化原則，選擇Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)云基礎(chǔ)設(shè)施租賃數(shù)據(jù)，分析我國圖書館租賃Amazon云基礎(chǔ)設(shè)施資源建設(shè)云圖書館的成本問題 （Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)云計算基礎(chǔ)設(shè)施資源包租收費情況見表1）。

表1 Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)包租收費表

首先，根據(jù)2008年1月1日實施的《中華人民共和國企業(yè)所得稅稅法》，電子設(shè)備折舊年限最低為3年，因此將自購硬件系統(tǒng)的折舊周期定為3年。其次，由于基礎(chǔ)設(shè)施資源技術(shù)更新、OEM廠商的質(zhì)保年限要求及設(shè)備折舊等因素，Amazon彈性云計算服務(wù)提供了以一至三年為基準(zhǔn)的年度租賃方式。云圖書館可根據(jù)自身云業(yè)務(wù)與用戶云服務(wù)需求，選擇投資、收益比最高的租賃方式。

對表1數(shù)據(jù)分析可得，云計算基礎(chǔ)設(shè)施資源租賃費用是云圖書館建設(shè)、運營投資的主要方面。對租賃成本、效率分析，以年度為單位方式租賃基礎(chǔ)設(shè)施資源，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它租賃方式，且數(shù)字圖書館以3年期為標(biāo)準(zhǔn)租賃方式是最經(jīng)濟、高效的。

云圖書館數(shù)字服務(wù)具有并發(fā)用戶數(shù)海量及云計算高速、即時、準(zhǔn)確的要求，因此，較快的CUP計算速度與較高的內(nèi)存儲容量是云圖書館對云計算服務(wù)特有的要求。在云基礎(chǔ)設(shè)施資源服務(wù)購買上，特別要加強在CUP與內(nèi)存儲容量方面的投資，防止因數(shù)字圖書館云計算速度過慢，而不能應(yīng)對云圖書館數(shù)字用戶并發(fā)訪問數(shù)量過多、云個性化服務(wù)信息處理量過大等問題，導(dǎo)致云服務(wù)瓶頸現(xiàn)象的出現(xiàn)。［2］

2.2 云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬及流量成本

云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響用戶云服務(wù)的關(guān)鍵性因素，在云圖書館建設(shè)、運營投資比例中僅次于基礎(chǔ)設(shè)施資源租賃成本，占有較大的投資比重。即使云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施資源有較高的云計算、存儲、傳輸效能，云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸瓶頸的出現(xiàn)，也會導(dǎo)致用戶方產(chǎn)生云系統(tǒng)運行、應(yīng)答緩慢，個性化云服務(wù)因數(shù)據(jù)傳輸量巨大而出現(xiàn)拒絕服務(wù)的現(xiàn)象。因此，云圖書館網(wǎng)絡(luò)具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬租賃需求與數(shù)據(jù)流量海量特點 （Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)數(shù)據(jù)流入/流出計費標(biāo)準(zhǔn)見表2）。

表2 Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)數(shù)據(jù)流入/流出計費標(biāo)準(zhǔn)

對表2分析得出，Amazon對經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照流入和流出云數(shù)據(jù)中心分別計費，并且流入云數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸費用為零。對于流出云數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的傳輸費用，隨著云用戶租賃數(shù)據(jù)中心每月數(shù)據(jù)流出量的增大，數(shù)據(jù)傳輸投資與傳輸數(shù)據(jù)量之比呈下降趨勢，云網(wǎng)絡(luò)傳輸投資效率呈級數(shù)上升狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)每月數(shù)據(jù)傳輸量高于524TB時，云數(shù)字資源用戶可根據(jù)實際使用量與Amazon協(xié)商獲得更大優(yōu)惠，且優(yōu)惠幅度與數(shù)據(jù)傳輸量呈級數(shù)上升趨勢。因此，云圖書館利用較低的費用增加網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬及數(shù)據(jù)傳輸流量，可大幅提高云圖書館數(shù)據(jù)傳輸性能與云用戶服務(wù)滿意度，有較高的投資收益比。［3］

2.3 Amazon EBS（Elastic Block Store）存儲和彈性 IP 地址的費用

EBS是Amazon EC2（彈性云計算）的一種持久存儲特性，是為用戶在云中提供相當(dāng)大的計算容量的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。利用Amazon EBS，云圖書館可以編程方式創(chuàng)建存儲容量，并附加到Amazon EC2實例上。甚至在需要更高的持久性時，還可以利用快照備份到Amazon簡單服務(wù)存儲上。

Elastic IP（EIP）是為動態(tài)云計算而設(shè)計的靜態(tài)IP。一個EIP地址關(guān)聯(lián)用戶賬號，EIP地址可以通過編程方式重新映射Public IP地址到用戶賬號關(guān)聯(lián)的任何一個實例。因此，允許用戶掩蓋實例或者Availablity Zone的錯誤，而不用重新配置或者替換新的主機。Amazon EC2通過編程方式重新映射用戶EIP地址到一個替換實例，達(dá)到處理實例或軟件問題（Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)EBS存儲與彈性IP地址費用見表3）。

表3 Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)EBS存儲與彈性IP地址費用

對表3數(shù)據(jù)分析可得，云圖書館可根據(jù)用戶彈性云計算的規(guī)模與需求選擇EBS存儲方式。在云計算環(huán)境下，云圖書館為用戶開放了許多高計算能力、大存儲容量的即時個性化云計算服務(wù)，從未來發(fā)展趨勢看，這種個性化云計算服務(wù)模式會成為圖書館云服務(wù)的主流與核心。因此，云圖書館采用以用戶請求次數(shù)作為EBS付費方式可以大幅節(jié)省云存儲成本。［4］

Amazon對正在使用的彈性IP地址不計費，未使用的IP地址每小時收費$0.01，每個月的頭100次IP的RemaP不計費，額外的RemaP每次收費$0.10。

2.4 Amazon云系統(tǒng)監(jiān)測與彈性負(fù)載均衡費用

Amazon云系統(tǒng)監(jiān)測可以對圖書館云資源和運行的云應(yīng)用程序?qū)嵤┍O(jiān)控。圖書館云系統(tǒng)開發(fā)人員和云系統(tǒng)管理員可以通過編程方式檢索監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看采樣數(shù)值圖形并設(shè)置警報點。通過云監(jiān)控系統(tǒng)，圖書館云系統(tǒng)管理員可及時對云系統(tǒng)資源利用率、云應(yīng)用、服務(wù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)傳輸和存儲磁盤使用活動進(jìn)行收集和跟蹤管理，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及時對云系統(tǒng)安全、效率、業(yè)務(wù)參數(shù)進(jìn)行配置，確保圖書館云系統(tǒng)、各項云應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)平穩(wěn)運行。［5］

Amazon云負(fù)載均衡采取資源統(tǒng)一管理與調(diào)度原則，將單個重負(fù)載的運算、存儲分擔(dān)到多臺節(jié)點設(shè)備上并行處理，計算結(jié)點設(shè)備將所得結(jié)果匯總。存儲節(jié)點設(shè)備根據(jù)業(yè)務(wù)繁重程度共同分擔(dān)存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)故障節(jié)點時，存儲任務(wù)均衡遷移到其它正常節(jié)點，確保云系統(tǒng)計算與存儲能力得到大幅度提高。通過彈性云負(fù)載均衡技術(shù)，可以解決圖書館云計算中應(yīng)用系統(tǒng)的可用性和可靠性，提高云計算數(shù)據(jù)的訪問速度。Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)云系統(tǒng)監(jiān)測與彈性負(fù)載均衡費用如表4所示：

表4 Amazon彈性云計算新加坡地區(qū)云系統(tǒng)監(jiān)測與彈性負(fù)載均衡費用

對表4分析可得，為確保云圖書館為用戶提供安全、高效、經(jīng)濟、不間斷的云服務(wù)，在云系統(tǒng)監(jiān)測項目中，必須選擇對圖書館云中心采用較高監(jiān)測頻率的細(xì)節(jié)監(jiān)控方式。監(jiān)控內(nèi)容包括云圖書館站點、服務(wù)器性能、網(wǎng)站安全掃描服務(wù)、故障分析、用戶訪問速度、警告通知等方面，且必須進(jìn)行不間斷高標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控。雖然所采用的監(jiān)控方式為價格最高模式，但有性能與云安全最優(yōu)化的投資收益比。

圖書館提供的云計算數(shù)字服務(wù)以各種編碼方式的海量高速數(shù)據(jù)傳輸為主，數(shù)據(jù)傳輸具有海量、即時、安全、經(jīng)濟的要求。因此，從收益率最大化出發(fā)，在彈性負(fù)載均衡方面應(yīng)選擇以每小時為單位的計費方式。［6］

2.5 其它方面的成本

云圖書館建設(shè)其它方面的成本主要包括機房建設(shè)成本、云應(yīng)用軟件成本、電力及維護成本、人員工資及培訓(xùn)成本等。機房建設(shè)成本與云圖書館建設(shè)規(guī)模和云服務(wù)方式成正比，基礎(chǔ)設(shè)施租用費用一般按照機架支付。軟件成本主要為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service）的應(yīng)用服務(wù)，主要有虛擬化平臺軟件、客戶端操作系統(tǒng)、存儲管理軟件及系統(tǒng)監(jiān)控管理軟件。在云圖書館總體成本中占有較小的比例，但對云用戶服務(wù)滿意度影響較大。因此，對云應(yīng)用軟件較小的投入可得到較高的用戶滿意度收益率。電力及維護成本主要包括數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載、制冷、照明、UPS的耗電成本及維護成本，并隨著季節(jié)、云用戶服務(wù)數(shù)量、服務(wù)器工作效率呈周期性變化。隨著云計算系統(tǒng)集成復(fù)雜度及運營維護、安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，電力及維護成本在未來云圖書館建設(shè)、運營中將逐步提高。人員工資及培訓(xùn)成本在云圖書館建設(shè)投入中所占比例較小，但技術(shù)水平優(yōu)秀的員工對云系統(tǒng)高效、安全運營影響較大，因此，要加強云圖書館人員工資及培訓(xùn)成本的投入。［7］

3 基于云計算的數(shù)字圖書館成本、性能優(yōu)化方法

基于云計算的數(shù)字圖書館與傳統(tǒng)圖書館在建設(shè)、管理、運營、維護模式上相比，最大的優(yōu)勢在于大幅度降低能源消耗和有較低的成本效用，在確保低碳運營前提下提高了用戶滿意度與市場競爭力。如何加強云圖書館業(yè)務(wù)與規(guī)模建設(shè)，在提高云服務(wù)質(zhì)量與效率前提下降低能源消耗，關(guān)系到未來云圖書館的發(fā)展與社會責(zé)任。

3.1 利用虛擬化技術(shù)加強云基礎(chǔ)設(shè)施資源整合

對表1云圖書館基礎(chǔ)設(shè)施租賃情況分析可得出，在云數(shù)據(jù)中心規(guī)模小、用戶數(shù)少、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單的情況下，利用虛擬化技術(shù)對云圖書館進(jìn)行整合，會得到較小甚至負(fù)面的投資收益。當(dāng)云數(shù)據(jù)中心規(guī)模較大、服務(wù)用戶數(shù)較多、云服務(wù)資源環(huán)境要求高、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜和數(shù)據(jù)存儲管理難度大的情況下，合理的虛擬化資源管理策略會提高系統(tǒng)投資收益率，并降低運營成本。

首先，要提高基礎(chǔ)設(shè)施（主要為計算與存儲服務(wù)器）資源虛擬化的規(guī)模、程度和所占基礎(chǔ)設(shè)施資源設(shè)備的比例，實現(xiàn)虛擬化和物理基礎(chǔ)設(shè)施資源管理的高度可視化和可管控性。其次，通過虛擬化技術(shù)對計算和存儲資源進(jìn)行整合，提升服務(wù)器資源的利用效率。根據(jù)圖書館云用戶需求動態(tài)分配云系統(tǒng)資源，提高云計算速度和成本效率，通過降低電力等能耗降低云圖書館運營成本。［8］

3.2 整合圖書館云應(yīng)用程序

為了提高圖書館用戶云個性化服務(wù)水平，云圖書館應(yīng)基于云租賃商基礎(chǔ)設(shè)施平臺，自主或與第三方合作開發(fā)各種云用戶滿意的個性化應(yīng)用程序。圖書館云應(yīng)用程序的可操作性、個性化、便捷性、經(jīng)濟性是影響用戶滿意度的關(guān)鍵因素。因此，在圖書館云應(yīng)用軟件系統(tǒng)建設(shè)中，要以圖書館云用戶個性化服務(wù)需求為指導(dǎo)，加強云圖書館應(yīng)用程序與云租賃商云系統(tǒng)的融合，提高圖書館云系統(tǒng)內(nèi)不同云應(yīng)用程序間的整合。同時，應(yīng)提高云圖書館自主或與第三方共同開發(fā)、運營云應(yīng)用程序的效率，提升圖書館個性化云應(yīng)用系統(tǒng)的可操作性與服務(wù)水平，降低程序開發(fā)成本與周期。［9］

3.3 采用集群技術(shù)與負(fù)載均衡技術(shù)降低云圖書館運營成本

由于云圖書館基礎(chǔ)設(shè)施具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，集群內(nèi)部設(shè)備的性能、管理模式和系統(tǒng)資源利用率性能差異較大，會出現(xiàn)云系統(tǒng)不能將用戶提出的服務(wù)請求均衡交付服務(wù)器的情況，造成服務(wù)器有的過載有的空閑，最終導(dǎo)致云集群系統(tǒng)整體性能大幅下降。因此，必須采用科學(xué)、有效的負(fù)載均衡算法，將云圖書館用戶服務(wù)請求合理、均衡地分配給后臺各個服務(wù)器，當(dāng)個別設(shè)備發(fā)生軟、硬件故障時，通過負(fù)載遷移確保云服務(wù)的不間斷性。

對云圖書館基礎(chǔ)設(shè)施租賃成本分析得出，云圖書館系統(tǒng)規(guī)模與集成化程度與投資收效率、云用戶服務(wù)滿意度成正比關(guān)系，與云系統(tǒng)維護成本、資源損耗收益率成反比關(guān)系。因此，在云圖書館建設(shè)中，要租賃大規(guī)模、高安全性的云服務(wù)提供商云系統(tǒng)服務(wù)，并選擇以3年為周期的租賃方式。在云系統(tǒng)集成中，即要考慮目前云用戶服務(wù)需求與高峰時期云系統(tǒng)負(fù)載量，同時又要兼顧未來圖書館系統(tǒng)云服務(wù)的可擴展性，確保在云服務(wù)租賃模式上有適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施資源冗余度。［10］

3.4 加強云圖書館系統(tǒng)資源精細(xì)管理

在世界上不同的地域、季節(jié)與一天內(nèi)不同時段，云圖書館數(shù)字用戶訪問量及服務(wù)負(fù)載有較大不同。云圖書館在云服務(wù)高峰期有較高的資源占用率和能源損耗，在云服務(wù)低峰值階段，如果不采取有效的云系統(tǒng)資源管理策略，則會造成不必要的云基礎(chǔ)設(shè)施資源及能源（云中心能耗以服務(wù)器及空調(diào)設(shè)備耗電為主）損耗。通過云系統(tǒng)資源精細(xì)管理策略，利用云系統(tǒng)軟件或者人工方法設(shè)置功耗管理的智能邏輯，可對服務(wù)器資源池進(jìn)行合理調(diào)配。通過設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)將空閑服務(wù)器關(guān)機或者休眠，對冗余的云服務(wù)器資源暫時關(guān)機斷電，使其成本效用達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)，在降低功耗基礎(chǔ)上提升云資源的可管理性。

3.5 確保云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬與基礎(chǔ)設(shè)施資源使用效率匹配

對表2數(shù)據(jù)分析可得，網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響云圖書館運營成本與服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬較小不能滿足用戶個性化云服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸高速、安全、即時、準(zhǔn)確的要求，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于云系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，降低了云基礎(chǔ)設(shè)施資源利用效率。網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬過高甚至超過云系統(tǒng)接收、發(fā)送與數(shù)據(jù)處理能力，會導(dǎo)致較高的網(wǎng)絡(luò)租賃費用而增加云圖書館運營成本。因此，為確保云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬與云基礎(chǔ)設(shè)施資源使用效率達(dá)到最優(yōu)化均衡，必須認(rèn)真分析云圖書館用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬需求與云系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源接收、處理能力，通過最優(yōu)化均衡策略確保云圖書館網(wǎng)絡(luò)帶寬與基礎(chǔ)設(shè)施資源數(shù)據(jù)處理、存儲能力均衡。

影響云圖書館網(wǎng)絡(luò)使用用戶滿意度的幾個主要因素為云用戶連接數(shù)、云系統(tǒng)響應(yīng)時間、數(shù)據(jù)傳輸量、傳輸穩(wěn)定性。決定基礎(chǔ)設(shè)施資源使用效率的因素為云計算能力、云系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的速度、網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。云系統(tǒng)應(yīng)針對不同圖書館云應(yīng)用、SLA（云計算服務(wù)級別協(xié)議）或者數(shù)字用戶云服務(wù)需求，將提升網(wǎng)絡(luò)帶寬與基礎(chǔ)設(shè)施資源使用效率均衡相結(jié)合，提升云網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬與基礎(chǔ)設(shè)施資源租賃的成本綜合效用。［11］

4 結(jié)語

云計算技術(shù)在數(shù)字圖書館建設(shè)、運營、管理、維護中的應(yīng)用，實現(xiàn)了云數(shù)字圖書館對信息系統(tǒng)資源與效率的自主可控管理。通過云基礎(chǔ)設(shè)施資源的智能化管理與按照云用戶需求智能化分配云系統(tǒng)資源，在降低能耗的基礎(chǔ)上大幅提高了數(shù)字圖書館云IT資源利用率。隨著未來云計算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，云計算成本必將大幅降低。只有堅持以數(shù)字圖書館云用戶滿意度為目標(biāo)，以高效投資收效率為指導(dǎo)，不斷加強基礎(chǔ)設(shè)施資源的虛擬化管理與云系統(tǒng)整合，才能建設(shè)用戶滿意的高效、經(jīng)濟、安全、低碳的云數(shù)字圖書館。［12］

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