摘 要：隨著云計算應用范圍的擴展，人們對于云計算可用性的擔憂也與日俱增。由于可用性的內在復雜性，用戶缺乏對云計算平臺進行風險評估的能力。本文通過對云計算進行分層（IaaS，PaaS和SaaS）可用性分析，提出來一種基于分層結構及其層間關系的云計算可用性定量計算模型，并給出了具體的計算和仿真實例。

關鍵詞：云計算；可用性；定量計算

中圖分類號：TP393.08

根據(jù)Gartner的分析報告，云計算市場在2011年到2013年間保持了兩位數(shù)以上的增長[1]。越來越多的企事業(yè)單位考慮將其數(shù)據(jù)和應用遷移到云平臺，隨之而來的是更多對云計算可用性和可靠性的擔憂。UCBerkeley的Michael Armbrust等人提出的云計算必須克服的十大障礙中，可用性保證位列第一[2]。許多知名的云服務提供商，如亞馬遜、微軟等都曾發(fā)生較為嚴重的故障，給用戶帶來了巨大損失[3]。由于可用性的內在復雜性，用戶缺乏對云計算平臺進行風險評估的能力，現(xiàn)實需要一種可對云計算可用性進行定量計算的分析模型。

1 可用性定量計算模型

云計算的可用性可以是一個很寬泛的概念，為避免因涉及過多因素而造成量化計算不可行的問題，本文將首先對其進行較為嚴格的定義，進而提出自己的量化計算模型。

1.1 云計算可用性定義

傳統(tǒng)電信業(yè)對可用性的定義為系統(tǒng)處在可工作狀態(tài)的時間占總時間的比例[4]，如式（1）：

Availability=MTTF/（MTTF+MTTR） （1）

其中Availability為可用性，MTTF（mean time to failure）為平均故障間隔，MTTR（mean time to repair）為平均恢復時間。

但這種簡單的定義無法體現(xiàn)云計算可用性的內在復雜性，根據(jù)目前主流的云計算模型[2]，可將其劃分為三個層面：IaaS（Infrastructure as a Service），PaaS（Platform as a Service），SaaS（Software as-a Service）。云計算可用性應考慮到包括IaaS，PaaS和SaaS的可靠性、延時、網(wǎng)絡攻擊以及三個層面之間的連接故障等可能導致用戶的需求不能滿足的因素，相應的，其整體的可用性可表示為式（2）：

Availability=∏（AvailabilityIaaS，AvailabilityPaaS，AvailabilitySaaS）

（2）

而三個層面單獨的可用性，同樣可用式（1）進行計算，具體的計算方法在下節(jié)進行討論。

1.2 分層結構可用性

本節(jié)將對云計算分層結構的可用性進行具體說明。首先定義幾個同時適用于三層結構的概念：

（1）服務單元SU（Service Unit）。能夠獨立向上一層（IaaS的上一層為其它IaaS、PaaS或用戶，PaaS的上一層為其它PaaS或用戶，SaaS的上一層為其它SaaS或用戶）提供服務的單元。位于同一層的SU相互獨立，單個SU失效不影響其它SU的功能和性能。對IaaS來說，SU可以是RAID（Redundant Array of Independent Disks）陣列[5]中的單塊硬盤或某個數(shù)據(jù)中心；對PaaS來說，SU可以是某個網(wǎng)站鏡像或數(shù)據(jù)庫實例；對SaaS來說，SU可以是某個軟件實例。

（2）服務集合SS（Service Set）。由多個SU和數(shù)個（1個或多個）控制單元（CU，Control Unit）組成，作為一個邏輯整體（SU）向上一層提供服務，其結構如圖1所示。CU用來監(jiān)測組成SS的多個SU的狀態(tài)，控制能夠提供最優(yōu)服務的SU向上一層提供服務。當SS具有多個SU時，本文稱其具有抗單點失效性[6]。為簡單分析，本文將CU作為一個整體考慮，不考慮其單點失效性。

圖1 SS結構邏輯結構

（3）絕對可用性AA（Absolute Availability）。在設定下層可用性為100%的假設下，本級的可用性定義為AA。

（4）實際可用性PA（Practical Availability）。PA需要遞歸定義，設第i-1層的實際可用性為PAi-1，則第i層的PAi=AAi*PAi-1。

對屬于同一層同一個SS的SU來說，有AAsui=AAsuj=Ω，Ω為一個常量（如99%，99.99%等）。

對含有N個SU的SS來說，其AAss=Max（AAsu1，AAsu2，…，AAsuN），即SS的CU會選擇可用性最高的一個AU向上一級提供服務。

在云計算的實際的分層部署中，設第i層的向上一層提供服務的SS實際可用性為PAssi，則第i+1層的SU實際可用性可表示為式（3）：

PAsu（i+1）=AAsu（i+1）*PAssi （3）

同樣的，則第i+1層的SS實際可用性可表示為式（4）：

PAss（i+1）=Max（AAsuk*PAssi） 其中0

即每一層的真實可用性取決于本身的可用性和下一層所提供的可用性。

1.3 部署結構

為對云計算可用性進行量化計算，需要對其部署結構進行明確。本文主要考慮以下三種結構，下文圖2、圖3和圖4中的每個方框代表一個SS。

（1）線型結構。線型結構的部署拓撲如圖2所示，IaaS，PaaS和SaaS均只部署了一個SS依次向上提供服務，該種結構在每一層都存在單點失效的問題，可用性保證能力較差，但其結構簡單、部署維護難度低，加之成本較為低廉，也存在一定比例的實際應用。

圖2 線型結構部署拓撲

（2）單層分支結構。單層分支結構的部署拓撲如圖3所示，圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別表示對IaaS，PaaS和SaaS進行擴展得到的部署拓撲。在實際應用中，往往是選擇可用性較低的一層進行擴展，以提高整個服務的可用性。

圖3 單層分支結構部署拓撲

（3）樹形結構。對于可用性要求高，且可以接受較高開銷的云計算服務，往往采用樹形結構，如圖4所示，該結構可根據(jù)需要對三層結構都進行不同程度的擴展，系統(tǒng)的可用性可得到較高的保證，但其結構復雜，控制困難且開支較大。

圖4 樹形結構部署拓撲

2 基于模型的定量計算與仿真

2.1 定量計算方法

根據(jù)1.3節(jié)給出的部署結構，分別討論其可用性定量計算方法。

（1）線型結構。如圖2所示，該種結構的可用性計算較為簡單，設IaaS節(jié)點的AAIaaS=PAIaaS，則有：

PAPaaS=AAPaaS*PAIaaS

PASaaS=AASaaS*PAPaaS=AASaaS*AAPaaS*PAIaaS

（2）單層分支結構。以圖3（a）給出的部署結構舉例說明。設IaaS節(jié)點的AAIaaSi=PAIaaSi，則有：

PAIaaS=1-（1-AAIaaS1）*（1-AAIaaS2）

PAPaaS=AAPaaS*PAIaaS

PASaaS=AASaaS*PAPaaS=AASaaS*AAPaaS*（1-（1-AAIaaS1）*（1-AAIaaS2））

（3）樹形結構。同樣，對圖4給出的部署結構，設IaaS節(jié)點的AAIaaSi=PAIaaSi，則有：

PAIaaS=（1-（1-AAIaaS1）*（1-AAIaaS2））*（1-（1-AAIaaS3）*（1-AAIaaS4））

PAPaaS=1-（1-PAPaaS1）*（1-PAPaaS2）=1-（1-AAPaaS1*（1-（1-AAIaaS1）*（1-AAIaaS2）））*（1-AAPaaS2*（1-（1-AAIaaS3）*（1-AAIaaS4）））

PASaaS=AASaaS*PAPaaS=AASaaS*（1-（1-PAPaaS1）*（1-PAPaaS2））

2.2 仿真實驗數(shù)據(jù)

基于VS2008平臺，利用C#語言實現(xiàn)了對圖4所示樹形結構可用性的仿真模擬實驗，實驗使用Timer類實現(xiàn)時間推進機制，利用Rand函數(shù)實現(xiàn)可用性的概率設定，利用2.1節(jié)給出的計算方式完成模擬仿真。設各SS的絕對可用性均為99.9%。共進行了5次仿真實驗，每次實驗的時長為10萬個時間單位，PASaaS結果如表1所示，由表1可知，仿真實驗得到的數(shù)據(jù)與理論計算值基本一致，其中的不一致可能來自仿真時間長度有限帶來的偶然因素，說明了可用性量化計算的有效性。

表1 仿真實驗數(shù)據(jù)

序號PASaaS值

實驗199.8989%

實驗299.8996%

實驗399.8969%

實驗499.8899%

實驗599.8939%

理論值99.8999%

3 小結與展望

本文根據(jù)云計算可用性的影響因素，將云計算劃分為3個層次，基于自己定義的SU、SS等概念，給出了一種分層計算的云計算可用性量化計算模型和具體的計算方法，并通過仿真實驗驗證了模型的有效性，可有效支持服務提供商和用戶對云計算可用性評估的需求，但該模型的部署結構還不夠一般化，需要進一步改進，以提高其通用性和易用性。

參考文獻：

[1]Gartner Says Worldwide Public Cloud Services Market to Total $131 Billion.http：//www.gartner.com/resId=2332215

[2]Michael Armbrust，Armando Fox， Rean Griffith，Anthony D.Joseph，Randy Katz，Andy Konwinski，Gunho Lee，David Patterson，Ariel Rabkin，Ion Stoica and Matei Zaharia.Above the Clouds：A Berkeley View of Cloud Computing.Technical Report No.UCB/EECS-2009-28.

[3]馮登國，張敏，張妍.云計算安全研究.軟件學報，2011（01）：71-83.

[4]Federal Standard 1037C.General Services Administration，MIL-STD-188.

[5]Common RAID Disk Drive Format （DDF） standard. SNIA.org.SNIA. Retrieved 2012-08-26.

[6]可靠性維修性保障性術語[Z].中華人民共和國國家軍用標準，2005.

作者簡介：楊志明（1984.06-），男，云南大理人，在讀研究生，研究方向：計算機網(wǎng)絡；張嘉慧（1984.10-），男，甘肅民勤人，在讀研究生，研究方向：計算機網(wǎng)絡。

作者單位：國防科技大學計算機學院，長沙 410073