王 游，溫艷琪，寧晨耕，裴慶祺

(西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安 710071)

云計算誕生于2007年，之后在學術(shù)界和商業(yè)界產(chǎn)生了較大反響，云計算主要包括IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務)、PaaS(平臺即服務)、SaaS(軟件即服務)，其中SaaS［1］云計算中最影響用戶體驗的部分。用戶使用電腦的本質(zhì)是使用電腦上的軟件，對于廣大用戶而言，軟件所提供的服務才是他們對電腦的需求，SaaS的發(fā)展將直接影響云計算的普及。

SaaS體系［2］建立在IaaS層之上，建立標準化、高成熟度的SaaS的首要條件是可擴展、高自由度的IaaS的建立，在 IaaS建設(shè)方面，OpenStack［3］發(fā)展迅速，大批企業(yè)都開始使用和支持OpenStack，早在2010年10月，微軟表示支持OpenStack與Windows Server 2008 R2的整合，近日，IBM宣布推出基于OpenStack的私有云方案。在此之前，包括惠普、VMware等企業(yè)也均發(fā)起推出OpenStack的解決方案或者提供支持。OpenStack項目是由OpenStack基金會管理的一套開源的云平臺搭建工具包，包括 Keystone、Nova、Glance、Horizon、Swift、Cinder、和Quantum這7個組件，OpenStack正成為事實上的行業(yè)標準，因此，本文基于OpenStack搭建IaaS層。

結(jié)合SaaS的發(fā)展與成熟度模型進行研究，本項目建立了基于OpenSatck第四級成熟度模型的SaaS平臺，基于軟件實例的擴展服務，滿足用戶的各種需求。為高成熟度SaaS平臺的建設(shè)提供重要參考價值。

1 方案設(shè)計

1.1 SaaS模式分析

當前國內(nèi)SaaS模式的代表性產(chǎn)品是金蝶和Salesforce的CRM(客戶關(guān)系管理系統(tǒng))［4］。這類系統(tǒng)屬于第三級成熟度SaaS模式，其特點是一次開發(fā)一次部署，這類產(chǎn)品僅是具備第三級成熟度SaaS的特征，能滿足用戶數(shù)量的伸縮性，并不能滿足軟件類型的可擴展性。

本文所建立的SaaS系統(tǒng)中的服務由軟件實例提供，用戶不僅可以定制使用軟件中的特定模塊，也可以更換、增加或減少軟件實例的類別，屬于第四成熟度的SaaS體系。通過這種模式，用戶無需下載和安裝軟件，既節(jié)約了硬盤又避免了程序兼容性問題，實現(xiàn)了項目中所有軟件“隨時隨地跨平臺使用”，與當前市場上面向特定用戶的僅具備SaaS特點的產(chǎn)品有著本質(zhì)區(qū)別。

1.2 OpenStack簡介

SaaS 平臺的性能一定程度上取決于其所依賴的IaaS，OpenStack是專業(yè) IaaS平臺搭建工具包，Nova(OpenStack Compute)是運行在主機操作系統(tǒng)上潛在的虛擬化機制交互的驅(qū)動，并提供基于Web的API功能［5］。Swift(OpenStack Object Storage)提供可擴展的對象存儲系統(tǒng)，可以用來創(chuàng)建基于云的彈性存儲。Glance(Image Service)是虛擬機鏡像的存儲、查詢和檢索系統(tǒng)。Keystone(OpenStack Identity)是服務認證組件，為運行OpenStack Compute上的OpenStack云提供了管理員認證和OpenStack服務注冊等服務。Horizon(OpenStack Dashboard UI)是OpenStack的Web管理控制臺，可以通過Web界面訪問的方式來操作管理網(wǎng)絡和虛擬機實例等。Quantum提供了虛擬機集群網(wǎng)絡組建和IP地址管理服務［6］。

1.3 架構(gòu)設(shè)計

本文所提出SaaS平臺通過B/S架構(gòu)提供服務，用戶打開網(wǎng)頁注冊賬號后在存儲層中生成用戶資并分配存儲空間。

高成熟度SaaS模式要求無限擴展、能夠滿足用戶的變動，因此本項目采用層次化的設(shè)計理念設(shè)計架構(gòu)，項目包括提供操作界面的服務層、提供軟件運行環(huán)境的設(shè)施層以及存儲虛擬機鏡像信息的存儲層，本文采用Web 2.0技術(shù)構(gòu)造服務層，基于 OpenStack中的Nova建設(shè)設(shè)施層，存儲層則使用OpenStack中的Switf進行搭建，項目架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于OpenStack的高成熟度SaaS架構(gòu)

用戶通過瀏覽器登錄賬戶后，向服務端發(fā)送服務請求，服務端打開設(shè)施層中虛擬機上的軟件實例并建立用戶與軟件實例對應的Agent映射，從而提供服務。

在軟件的使用中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)鏡像將存儲到存儲層中，采用Swift進行搭建的存儲層具有高擴展性，Glance組件能夠檢索虛擬機鏡像，從而設(shè)施層能夠快速讀取用戶所需的軟件服務所在的虛擬機。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

2.1 基于Nova的設(shè)施層

設(shè)施層的建設(shè)需要部署Keystone、Nova和Quantum用于虛擬機的管理以及網(wǎng)絡組建。本文采用軟件包方式安裝Keystone與Nova。設(shè)施層搭建步驟如下:

(1)Keystone部署流程。在部署0penStack過程中，首先要安裝Keystone并在Keystone中注冊 Nova、Swift和Glance服務，使得各項服務可以被授權(quán)和使用。Keystone的部署流程如圖2所示。

圖2 Keystone部署流程

(2)Nova部署流程。Nova的安裝包括nova-compute、nova-network、nova-scheduler、nova-api和 novavolume等子部件。Nova的部署還包括配置時間同步與創(chuàng)建并同步Nova數(shù)據(jù)庫。圖3為Nova的部署流程。

圖3 Nova部署流程

2.2 基于Web 2.0的服務層

2.2.1 前臺設(shè)計

項目采用網(wǎng)頁界面與軟件界面關(guān)系映射的方式進行交互，具備網(wǎng)頁交互的速度。網(wǎng)頁界面相比于軟件實例的界面更具備表現(xiàn)靈活性，更方便添加信息。網(wǎng)頁界面采用HTML5與CSS3進行設(shè)計，與軟件實例的界面保持一致，在功能上定義映射關(guān)系。用戶對網(wǎng)頁界面的操作由Agent代理轉(zhuǎn)化為用戶對軟件實例的操作。

采用Ajax技術(shù)，網(wǎng)頁客戶端能夠與云端進行無刷新交互，有效增強用戶的體驗效果，同時，Ajax是一種獨立于Web服務器軟件的Web瀏覽器技術(shù)，不受硬件設(shè)備的影響。

2.2.2 Agent代理

項目采用Agent代理技術(shù)處理客戶端網(wǎng)頁界面對虛擬機中軟件實例的操作，這種方式能夠避免用戶直接操作虛擬機及軟件實例，有效保證了SaaS體系的安全性。利用多線程技術(shù)，一個Agent維持多個映射，Agent運行時序如圖4所示。

圖4 Agent代理時序圖

網(wǎng)頁界面的操作請求和數(shù)據(jù)發(fā)送到對應的Agent，再由Agent根據(jù)用戶與軟件實例的映射關(guān)系、操作類型以及數(shù)據(jù)生成操作指令發(fā)送到相應的軟件實例上，操作指令觸發(fā)對應的控件進而軟件實例運行相應的服務，Agent感應軟件實例的狀態(tài)并將狀態(tài)與結(jié)果反饋給網(wǎng)頁界面，從而完成用戶對軟件實例的操作。

2.2.3 資源調(diào)度

在云計算中，資源調(diào)度模型直接影響云計算平臺的資源利用率和可擴展性，本項目設(shè)計基于資源占用率的檢測程序，用戶請求新的軟件實例或釋放軟件實例都將觸發(fā)檢測程序，檢測程序在運行過程中進行進程保護，以避免異常［7-8］。

定義 正在運行的虛擬機實例全體由集合{VM}表示，虛擬機資源占用包括內(nèi)存與CPU占用，內(nèi)存由m表示，CPU由c表示，為保證用戶體驗效果，虛擬機資源占用由虛擬機中軟件實例的最大需求決定。軟件實例的最大資源需求用p表示，其中max表示虛擬機中軟件實例的個數(shù)

資源調(diào)度算法流程如下:

(1)增加軟件實例。1)用戶打開響應網(wǎng)頁界面時，服務端的檢測程序被觸發(fā)。2)檢測程序按照資源剩余量遞減的方式排序虛擬機集合，得到棧VM［n］。3)判斷剩余量最小的虛擬機VM［max］能否容納新增軟件實例的資源需求。判斷成功則轉(zhuǎn)向4);失敗則轉(zhuǎn)向5)。4)在虛擬機VM［max］中開啟新的軟件實例，轉(zhuǎn)向步驟7)。5)max＞0則自減，轉(zhuǎn)向步驟3);max等于0則轉(zhuǎn)向步驟6)。6)開啟新的虛擬機，壓入棧VM［n］中，轉(zhuǎn)向步驟4)。7)更新Agent代理中的映射列表，檢測程序掛起。

(2)減少軟件實例。1)當用戶關(guān)閉網(wǎng)頁界面時，界面所映射的虛擬機中軟件實例被關(guān)閉，觸發(fā)檢測程序。2)檢測程序按照資源剩余量遞減的方式排序虛擬機集合，得到棧VM［n］。3)判斷VM［max-1］中資源剩余量能否滿足VM［max］中的軟件實例需求，滿足轉(zhuǎn)向步驟4)，不滿足則轉(zhuǎn)向5)。4)在VM［max-1］中開啟軟件實例，遷移VM［max］中的用戶數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)遷移成功后關(guān)閉虛擬機并彈出VM［max］，max自減并轉(zhuǎn)至步驟3)。5)更新Agent代理中的映射列表，檢測程序掛起。

2.3 基于Swift的存儲層

存儲層的建設(shè)需要部署Swift以及相應的鏡像檢索引擎組件Glance。Swift與Glance采用軟件包方式安裝。存儲層的安裝、配置的步驟如下:

(1)Swift部署流程。

Swift組件的配置流程如圖5所示。

圖5 Swift部署流程

首先需要配置代理服務器(pmxy server)，對于每一個請求，代理服務器將在環(huán)(ring)中查找用戶(account)、容器(container)或者對象名(object)，將請求對應到相應的服務器上。對代理服務器的配置主要有代理服務器的綁定地址和端口以及Keystone對應的地址和端口。完成代理服務起的配置后，需要創(chuàng)建環(huán)(ring)文件并配置存儲節(jié)點。

(2)Glance部署過程。

Glance組件用于檢索存儲層所存儲的虛擬機鏡像，其安裝過程如圖6所示。

圖6 Glance部署流程

3 系統(tǒng)測試與優(yōu)勢分析

3.1 系統(tǒng)測試

基于Openstack的高成熟度SaaS平臺能具備良好的性能與可擴展性。平臺上已部署VC++6.0，Dopdf，Matlab等軟件，操作流暢，可以滿足用戶對軟件的需求。

以本項目中VC++6.0軟件為例進行測試，用戶只需打開瀏覽器即可使用VC++6.0軟件進行編程。經(jīng)谷歌插件測試，本系統(tǒng)客戶端網(wǎng)頁的內(nèi)存使用和百度、QQ郵箱等網(wǎng)頁內(nèi)存占用率如表1所示，能夠滿足用戶體驗。

表1 網(wǎng)站測試數(shù)據(jù)表 單位:kB

圖7中，百度和天貓等網(wǎng)站的內(nèi)存占用在30 000 kB以上，VC++6.0網(wǎng)頁(本系統(tǒng)的客戶端)的內(nèi)存占用是28 772 kB，本平臺的使用并不占用較大內(nèi)存。本平臺軟件完全可以取代PC機上安裝的VC++6.0軟件，圖7是內(nèi)存測試圖。

圖7 內(nèi)存測試圖

3.2 優(yōu)勢分析

本項目屬于第四級成熟度模型SaaS體系，具備可伸縮的多租戶架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次開發(fā)無限擴展。在用戶數(shù)量大增的情況下，無需更改架構(gòu)，只需要增加硬件設(shè)備便可以滿足需求。

相比于金蝶的CRM，本項目能夠?qū)崿F(xiàn)應用程序級的擴展，并不局限于CRM，在靈活度與市場生命力上具有較大的優(yōu)勢［9］。

在當前網(wǎng)速條件下，圖像傳輸速率遠不及網(wǎng)頁標簽的更改速率，相對于一些在線Office產(chǎn)品所采用圖像傳輸?shù)慕换シ绞?，本項目所采用網(wǎng)頁界面與軟件實例界面映射的交互方式具備更好的用戶體驗。

4 結(jié)束語

本文分析SaaS模式并設(shè)計了第四級成熟度模型的SaaS平臺，層次化的架構(gòu)有效提升了性能與可擴展性，采用網(wǎng)頁界面與軟件界面功能映射的交互方式能夠有效降低了平臺對網(wǎng)速的需求，增加了用戶體驗。在用戶大量增長的情況下，僅需要增加硬件設(shè)備，并不需要更改架構(gòu)，維護簡單?；贠penStack搭建的IaaS具備更好的系統(tǒng)兼容性，能夠運行各類虛擬機，OpenStack提供了完善的IaaS建設(shè)與管理工具，使得SaaS平臺的搭建與管理簡單可行。本項目不僅能夠滿足多租戶的要求，而且更夠擴展軟件類型，突破了傳統(tǒng)SaaS產(chǎn)品的局限性。

［1］許四平.SaaS軟件即服務模型研究［J］.硅谷，2009(4):9.

［2］金珊，吳國芳.基于SaaS模式的SOA服務分析與設(shè)計［J］.信息系統(tǒng)工程，2009(7):115-118.

［3］李小寧，李磊，金連文，黎德生.基于OpenStack構(gòu)建私有云計算平臺［J］.電信科技，2012(9):1-8.

［4］齊少磊，林惠蘋.一種適應SaaS多租戶模式的數(shù)據(jù)遷移方法［J］.計算機工程與應用，2011(32):65-70.

［5］李知杰，趙健飛.OpenStack開源云計算平臺［J］.軟件導刊，2012，11(12):10-12.

［6］李曉娟.OpenStack能否引領(lǐng)云革命［J］.金融科技時代，2012(11):47-49.

［7］董鑫.開源云計算技術(shù)應用［J］.計算機光盤軟件與應用，2011(16):17.

［8］鄧紅，王東興.基于開源云平臺OpenStack的存儲分析［J］.黑龍江科技信息，2012(32):134.

［9］劉堯.高成熟度SaaS模型及其在CRM系統(tǒng)中的應用研究［D］.濟南:山東大學，2010.