許 偉 宮立圓

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 萊蕪 271100）

0 引言

云計(jì)算是處理和儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)的一種新興技術(shù)。它基于互聯(lián)網(wǎng)分布式計(jì)算機(jī)協(xié)作，高效處理大量信息，同時(shí)確查詢結(jié)果保快速反饋給用戶。許多云計(jì)算用戶不喜歡使用自己的物理基礎(chǔ)設(shè)施，相反，他們從第三方租用基礎(chǔ)設(shè)施，云平臺(tái)和軟件。這些基礎(chǔ)設(shè)施提供的應(yīng)用服務(wù)被稱為云服務(wù)。[1]

云服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是容錯(cuò)技術(shù)。故障和異常會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量，甚至可用性。Coulouris[2]提出，故障發(fā)生在分布式系統(tǒng)，比如，在云計(jì)算系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程或一個(gè)連接通道偏離其正常或預(yù)期時(shí)，故障就會(huì)發(fā)生。異常不同于故障，它會(huì)部分減弱云計(jì)算系統(tǒng)性能，而不是使其完全失效，它會(huì)影響某節(jié)點(diǎn)的任務(wù)性能，最終影響系統(tǒng)自身。

ISO 15939[3]描述了測試的四個(gè)步驟，如圖1所示。

性能測試框架改進(jìn)了ISO 15939中所描述的前兩個(gè)測試步驟：（1）建立測試文件，（2）規(guī)劃測試過程。這一框架定義了云計(jì)算性能測試的要求，數(shù)據(jù)類型，和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在未來的工作中，云計(jì)算系統(tǒng)測試方法和性能測試模型的設(shè)計(jì)將得到進(jìn)一步發(fā)展。

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能測試方法

系統(tǒng)的性能測試方法中比較熟悉的一個(gè)是由Jain[4]提出的，他認(rèn)為性能研究首先要建立一套性能標(biāo)準(zhǔn)來幫助實(shí)施系統(tǒng)測試過程。如果一個(gè)系統(tǒng)正確執(zhí)行一個(gè)服務(wù)，其性能可通過三方面進(jìn)行測試：（1）響應(yīng)時(shí)間，（2）吞吐量，（3）占用率。并針對(duì)這三點(diǎn)分別提出一個(gè)測試過程。此外，Jain認(rèn)為服務(wù)請(qǐng)求結(jié)果有三類：（1）該服務(wù)被正確執(zhí)行，（2）該服務(wù)被非正確執(zhí)行，（3）該服務(wù)被拒絕執(zhí)行。他還對(duì)影響系統(tǒng)性能的每個(gè)可能結(jié)果，定義了三個(gè)性能：（1）速度，（2）可靠性，（3）可用性。

ISO 25010[5]標(biāo)準(zhǔn)從兩個(gè)角度定義軟件產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量：

（1）使用質(zhì)量模型：即產(chǎn)品在特定使用范圍下相互作用的結(jié)果。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量模型：即軟件的靜態(tài)性能和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

ISO 25010中，兩個(gè)性能決定了基于用戶需求的特定環(huán)境下的產(chǎn)品質(zhì)量。例如，性能效率和可靠性與具體專業(yè)領(lǐng)域用戶相關(guān)，包括信息傳輸、管理、維護(hù)。執(zhí)行效率包括：（1）時(shí)間行為，（2）資源利用，（3）容量?？煽啃园ǎ海?）成熟度，（2）可用性，（3）容錯(cuò)，（4）可恢復(fù)性。

2 云計(jì)算性能指標(biāo)

基于Jain提出的性能概念和ISO25010中定義的產(chǎn)品質(zhì)量特征，我們認(rèn)為云計(jì)算系統(tǒng)的性能取決于對(duì)提供有效和可靠服務(wù)的特點(diǎn)分析，該服務(wù)能夠滿足規(guī)定條件下和最大限度系統(tǒng)參數(shù)范圍內(nèi)的要求。性能相關(guān)的主要指標(biāo)有：

性能效率：規(guī)定條件下使用的資源量，包括軟件產(chǎn)品、軟硬件配置、材料。

時(shí)間行為：響應(yīng)時(shí)間、處理時(shí)間和產(chǎn)品或系統(tǒng)的吞吐率。容量：滿足要求的參數(shù)的最大極限。

資源利用：執(zhí)行其功能時(shí)，產(chǎn)品或系統(tǒng)所需的資源數(shù)量和類型。

可靠性：在特定時(shí)間段特定環(huán)境下，系統(tǒng)或組件執(zhí)行規(guī)定功能的程度。

成熟度：一個(gè)系統(tǒng)在正常運(yùn)行下滿足可靠性要求的程度。

可用性：使用過程中，一個(gè)系統(tǒng)，產(chǎn)品或組件是否能運(yùn)行和被訪問。

容錯(cuò)：盡管存在硬件或軟件錯(cuò)誤，一個(gè)系統(tǒng)，產(chǎn)品或組件正常運(yùn)作的程度。

可恢復(fù)性：產(chǎn)品或系統(tǒng)能夠直接恢復(fù)發(fā)生干擾或失敗事件中的數(shù)據(jù)的程度。

系統(tǒng)性能取決于性能效率和可靠性。性能效率決定一段時(shí)間內(nèi)的資源使用數(shù)額，可靠性決定在相同時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)成功執(zhí)行特定功能的程度。假設(shè)云計(jì)算系統(tǒng)正確執(zhí)行一個(gè)服務(wù)，但是，在其執(zhí)行過程中，服務(wù)失敗，后來又恢復(fù)。雖然服務(wù)最終成功完成，但是系統(tǒng)的可用性受到損害，這影響了云計(jì)算系統(tǒng)性能。

3 云計(jì)算性能測試框架設(shè)計(jì)

3.1 COSMIC測試方法模型

ISO 19761 COSMIC測試方法[6]定義了一個(gè)功能用戶需求的軟件性能模型。功能用戶需求描述了軟件或系統(tǒng)的功能。根據(jù)這一方法，每個(gè)功能用戶需求以一個(gè)或多個(gè)功能過程表示，每個(gè)功能過程分配給一個(gè)軟件來執(zhí)行。反過來，每個(gè)功能過程以子過程表示，即數(shù)據(jù)傳輸類型或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型。

該功能模型中的四種數(shù)據(jù)傳輸類型是輸入，輸出，讀和寫。圖2顯示了通用軟件的COSMIC模型。

COSMIC模型[7]中，如圖2所示的左側(cè)：軟件可以由用戶，硬件設(shè)備或其他軟件通過設(shè)備使用，如鍵盤，打印機(jī)，鼠標(biāo)等。此外圖2右邊，存儲(chǔ)器硬件決定軟件，如硬盤。因此，軟件的功能可以被視為一個(gè)數(shù)據(jù)流的輸入、輸出、讀、寫數(shù)據(jù)。輸入輸出操作允許用戶通過I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，讀取和寫入數(shù)據(jù)操作允許軟件和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2 通用COSMIC模型

3.2 云計(jì)算系統(tǒng)性能測試框架

根據(jù)通用軟件的COSMIC模型和上面提到的抽象算法，我們提出的通用云計(jì)算系統(tǒng)性能測試框架設(shè)計(jì)如圖3所示。左邊表示云計(jì)算系統(tǒng)，輸入云計(jì)算系統(tǒng)的詳細(xì)屬性如內(nèi)存使用，CPU占用率，網(wǎng)絡(luò)連接信息等，以及用戶應(yīng)用程序的屬性，如已完成的任務(wù)，錯(cuò)誤的任務(wù)等。這些屬性通過各種測量函數(shù)來量化效率和可靠性，以滿足功能要求。這些測試函數(shù)將系統(tǒng)屬性轉(zhuǎn)化成表示性能的數(shù)值。屬性測試的理想值表示系統(tǒng)要求即可行性所滿足的值。與測試的實(shí)際值比較就能得到系統(tǒng)的滿意程度。

圖3 通用云計(jì)算系統(tǒng)測試框架

3.3 性能參數(shù)

性能測試框架確定后，下一步是確定各種性能相關(guān)的參數(shù)，并評(píng)估是否滿足系統(tǒng)要求。我們選擇ECSS[9]和ISO 25010[5]標(biāo)準(zhǔn)制定系統(tǒng)要求。確定測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而且這些已包括在框架中。這些性能參數(shù)組成各種函數(shù)，使用組合基礎(chǔ)測試法引導(dǎo)測試過程。而且它們與ISO 25010質(zhì)量體系概念相對(duì)應(yīng)。

3.4 詳細(xì)的性能測試框架

詳細(xì)的云計(jì)算性能測試框架模型如圖4所示。這些功能將通過一個(gè)中間服務(wù)進(jìn)行連接，這個(gè)中間服務(wù)能分享基本的測試，來減少測試計(jì)算。

性能測試框架由七個(gè)質(zhì)量控制組成。使用五個(gè)基本函數(shù)對(duì)每個(gè)概念進(jìn)行衡量，通過中間服務(wù)共享基礎(chǔ)測量。這意味著中間服務(wù)將分享從測量過程的每部分的結(jié)果。測試框架要求前期捕獲所需的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以使用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行收集。

圖4 詳細(xì)的云計(jì)算性能測試框架模型

3.5 測試的可行性

利用該框架，我們可以證明測試的可行性。例如，一個(gè)時(shí)間函數(shù)可以進(jìn)行多種測試，如CPU占用，工作時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。這些測試是通過使用數(shù)據(jù)采集器來獲得所需要的基本測試數(shù)據(jù)。反過來，這些測試數(shù)據(jù)可以輸入到時(shí)間函數(shù)，并計(jì)算出測試結(jié)果。這些測試根據(jù)用戶，開發(fā)人員或維護(hù)人員的期望值組合起來。最后，根據(jù)初始性能要求，通過分析模型來對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

4 總結(jié)

云計(jì)算是一種能高效地處理大量數(shù)據(jù)基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。它的一個(gè)最重要的挑戰(zhàn)是提供一個(gè)高水平的耐故障和異常機(jī)制。本文提出了云計(jì)算系統(tǒng)的一種性能測試框架。這種框架確定了用的軟件質(zhì)量概念衡量集群行為所必要的元素?？蚣艿脑O(shè)計(jì)是基于計(jì)量概念，和軟件質(zhì)量直接相關(guān)的性能概念。我們發(fā)現(xiàn)，性能效率和可靠性與Jain的測試結(jié)果密切相關(guān)。

需要進(jìn)一步研究測試方法和云計(jì)算的應(yīng)用程序性能分析機(jī)制，有助于評(píng)估驗(yàn)證我們提出的測試框架。預(yù)計(jì)未來將提出一種分析模型，能夠檢測可能存在的影響云計(jì)算系統(tǒng)性能的異?，F(xiàn)象。

［1］H.Jin,S.Ibrahim,T.Bell,L.Qi,H.Cao,S.Wu and X.Shi,Tools and Technologies for Building Clouds.Cloud Computing:Principles, Systems and Applications,Computer Communications and Networks, Springer-Verlag,Berlin,2010.

［2］G.Coulouris,J.Dollimore and T.Kindberg.Distributed Systems Concepts and Design.Addison-Wesley,4th Edition,Pearson Education, Edinburgh,2005.

［3］ISO/IEC 15939 Systems and Software Engineering Measure.International Organization for Standardization ement Process,Geneva,2007.

［4］J.Raj.The Art of Computer Systems Performance Analysis:Techniques for Experimental Design,Measurement,Simulation,and Modeling.Wiley-Interscience,New York,1991.

［5］ISO/IEC 25010:2010(E)Systems and Software Engineering-Systems and Software Product Quality Requirements and Evaluation(SQuaRE)-System and Software Quality Models.International Organization for Standardization,Geneva,2010.

［6］ISO/IEC-19761 Software Engineering-COSMIC v 3.0A Functional Size Measurement Method.International Organization for Standardization,Geneva,2003.

［7］A.Abran.Software Metrics and Software Metrology.John Wiley& Sons Interscience and IEEE-CS Press,New York,2010,doi:10.1002/ 9780470606834.

［8］K.Sarayreh,A.Abran and L.Santillo.Measurement of Software Requirements Derived from System Reliability Requirements.Workshop on Advances on Functional Size Measurement and Effort Estimation,24th European Conference on Object Oriented Programming,Maribor,20-22,June,2010.

［9］ECSS-E-ST-10C Space Engineering:System Engineering General Requirements.European Cooperation for Space Standardization,Requirements&Standards Division,Noordwijk,2009.