劉 鋒 ， 李淑芝

(1.江西理工大學信息工程學院，江西 贛州341000；2.廣東昆侖信息科技有限公司，廣東 韶關512123)

0 引 言

隨著云計算技術[1]的日益發(fā)展與成熟，建設云環(huán)境下的IT運維管理與服務平臺，是主動適應信息技術的發(fā)展，并做出積極應對從而轉變管理和服務模式，提高管理工作效率、降低運維服務成本、建設服務型運維系統(tǒng)的必然要求.因此，該研究將有助于促進云環(huán)境下的IT運維管理與服務模式的創(chuàng)新，實現(xiàn)IT運維服務的“業(yè)務自助化、操作可視化、資源可控化、監(jiān)控自動化、管理智能化、耗能低碳化”.

在云環(huán)境中所有的設備、服務器、網絡、存儲都會變得更為集中，設備的大集中會使云環(huán)境變得非常復雜.并且云環(huán)境中大量使用虛擬化的技術，虛擬化的使用首先是帶來需要管理目標的增加，另外就是系統(tǒng)架構會隨著業(yè)務的變化而不斷的發(fā)生動態(tài)的變更.這些給運維管理帶來一些新的需求，而運維管理為了適應這一需求會發(fā)生動態(tài)變化、虛擬化的環(huán)境，必須做出相應的調整.

在云計算市場的上下游產業(yè)鏈中，運維市場是其中必不可少的部分，據IDC咨詢公司預測云計算與運維服務的支出在IT支出中的比例將由目前的5%提高到10%.隨著云計算數據中心的快速增加，云環(huán)境下的IT運維管理與服務的需求勢必也快速增長，為了滿足現(xiàn)有的IT運維市場及發(fā)展趨勢需要出發(fā)，該研究提出了基于云計算的IT運維管理與服務模式創(chuàng)新的研究.

1 研發(fā)原理與架構設計

該研究采用SOA架構[2]，結合ITIL V3.0的框架和方法論，并運用基于用戶偏好的Web服務選擇的研究方法及Web服務技術實現(xiàn)云環(huán)境下的IT運維管理與服務平臺的開發(fā).解決了云環(huán)境下的服務目錄系統(tǒng)的建立與維護、云服務的自動分配、云服務資源的管理(如發(fā)現(xiàn)、調度、遷移等操作)、云環(huán)境的日常運維管理等問題.對服務中心、資源中心和運維中心進行無縫銜接，實現(xiàn)服務的可視智能化，最終形成云環(huán)境下的IT運維體系.三大基礎組件關系圖如圖1所示.

圖1 三大基礎技術組件關系

云服務管理系統(tǒng)向用戶開放服務，并使運營管理人員擁有運營管理的性能，它由門戶應用、業(yè)務運維、資源管理以及數據和接口等模塊組成.云服務運營平臺主要負責對虛擬化數據中心(Virtual Data Center，VDC)的各種資源進行管理，并把資源封裝成模板，定義IaaS服務，滿足VDC各類業(yè)務的運營.云服務運營系統(tǒng)作為一個對外服務的平臺，通過接口層與現(xiàn)有的各種應用與管理系統(tǒng)組合在一起，如資源池系統(tǒng)管理接口、認證與授權系統(tǒng)、審批系統(tǒng)、財務/CRM、網管系統(tǒng)等相連接；云服務運營平臺在內部業(yè)務邏輯和流程不變的前提下，與外部業(yè)務系統(tǒng)組合起來，進而完成資源的整合、管理與交付等功能.

借用與資源管理模塊間的管理接口傳達執(zhí)行命令，資源池模塊接收并執(zhí)行來自運營平臺的指行命令后，按照命令實現(xiàn)資源的部署、操作等工作，并向運營管理平臺上報資源使用情況.通過與短信模塊的接口，運營管理平臺能夠向用戶及運營管理人員發(fā)送短信通知，也能夠通過網絡管理接口把運營管理平臺的設置、性能和告警監(jiān)控發(fā)送給網絡管理模塊，監(jiān)控保障VDC的各種資源、管理平臺正常運行.云服務運營管理平臺技術架構如圖2所示.

圖2 技術架構設計圖

2 技術路線

2.1 云服務資源的自動發(fā)現(xiàn)與部署技術

云服務資源的自動發(fā)現(xiàn)、部署與監(jiān)控，是云服務運維管理最基本的要求，它是實現(xiàn)云服務中心的一項核心技術[3].在云環(huán)境下，云服務資源的發(fā)現(xiàn)、配置、部署、遷移、卸載等一系列工作必須由部署在IT運維與服務平臺上的資源管理工具根據業(yè)務應用的需求自動完成.研究中要解決的問題是，將發(fā)現(xiàn)引擎找到的資源進行預處理，然后將它們置于一個分類的服務目錄體系結構中，這些預處理包括了對服務資源的分類、過濾、合并等工作.

該研究采用“自組織的動態(tài)的云資源網絡結構技術”和“自組織的云計算資源分類和標識技術”來處理云環(huán)境下的計算資源自動配置與部署方面的問題[1].對網絡架構進行部署，應用開發(fā)和測試，并最終安裝運行，減少了大量的開銷時間和人工費用，有利于用戶快捷的部署服務應用以及對業(yè)務的開拓，完成了用戶使用的自助化與自動化.

在此研究中，各模塊數據采用ESB（Enterprise Service Bus）方式，對數據進行統(tǒng)一的動態(tài)要求管理.組件組裝模型的過程如圖3所示.

圖3 組件組裝模型過程

研究中，各模塊采用組件技術進行封裝，利于后續(xù)系統(tǒng)的維護和完善.系統(tǒng)消息通信采用基于XML的ESB總線設計，通過XML完成對數據總線、系統(tǒng)控制總線和組裝總線的設計，完成模塊間快速的形成數據流和業(yè)務規(guī)則等基礎應用的資源集成和元信息描述，創(chuàng)建以組裝服務為核心的SOA架構[4].

基于XML技術的ESB組裝總線主要是用來表達各類系統(tǒng)數據模型和業(yè)務規(guī)則，將技術實現(xiàn)與業(yè)務需求相分隔，快速的完成各類業(yè)務需求[5].通過控制總線的基本設計思路，就能夠將企業(yè)已實施的規(guī)則與商務邏輯分離出來，形成一個相對獨立的個體再以組件的形式進行整合[6].

2.2 可自組織的云資源分類與標識技術

對資源的分類和標識是云服務資源的核心技術.如果該系統(tǒng)只是概念性地分類，云資源是沒有辦法運維的，該研究只有把服務資源的顆粒度細化到一個服務組件的時候，才能夠完成對服務的組合.

云計算運營服務管理平臺主要包括三大中心，它們分別是服務中心、運營中心和資源中心，通過面向服務架構整體解決方案，搭建了一套符合SOA標準的系統(tǒng)交互的松耦合支撐環(huán)境.該研究在基于SOA的標準和方法論的基礎上，對云服務資源的分類和標識設計了一套服務體系，并以此為基礎構建云環(huán)境下的多個資源池，當多個云環(huán)境下的資源池構建成為可能的話，那么對云資源進行分類和標識，也就找到了合適的方法.

該系統(tǒng)在服務目錄的開發(fā)中采用了Web服務技術，使得目錄管理具有了更好的動態(tài)交互性，能夠主動管理用戶的習慣和行為.通過簡易信息聚合方式（Really Simple Syndication,RSS）向用戶傳遞，這種方式帶給用戶的是全新的服務體驗，與傳統(tǒng)建立在Web1.0的門戶中的實現(xiàn)方式有實質性的不同.云服務目錄管理應用無縫對接的Web服務技術進行研發(fā).在整個IT資源中劃分多種異構的虛擬資源和物理資源，通過兼容異構虛擬平臺的虛擬化技術，把計算任務運行在虛擬的基礎上而不是真實的物理硬件上.本系統(tǒng)支持完全虛擬化和準虛擬化技術，可以采用 XenServer、VMware、KVM（kernel-based Virtual Machine）、Hyper-V 和 OVM（Oracle Virtual Machine）等多種虛擬化軟件技術.

2.3 基于MVC思想的多層結構設計

系統(tǒng)基于MVC(Model View Controller)的多層結構設計思想，通過先進的面向對象的軟件工程來分析、設計、開發(fā).對于本系統(tǒng)這樣一個業(yè)務復雜、功能眾多、海量數據的平臺，采用結構化的設計方法很難滿足需要.因此系統(tǒng)應用了Brower-Server架構，此架構包括客戶端 (Client)、應用服務層(Application)、數據服務層 (Database)、表現(xiàn)層(Presentation)4層結構，分別由 Client、Application Server、Database Server、Presentation Server組成.在這種架構中，只需要一個很小的客戶端(瘦客戶機)，這種客戶端對中間驅動程序和設置的需求較少，并通過應用程序服務器來解決與底層數據庫服務器的工作.客戶端只要使用操作系統(tǒng)提供的通信功能與應用程序服務器進行互訪，并且在這個過程中應用程序服務器只要維護它和后端數據庫服務器數據通信處理.這樣不僅可以減少系統(tǒng)對網絡的負載，還加大了應用程序與系統(tǒng)的運行速度.三層結構模式如圖4所示.

圖4 三層結構模式圖

3 綠色節(jié)能計算系統(tǒng)的能耗分析

3.1 終端設備

訪問云計算服務的終端設備包括臺式電腦、移動電話、筆記本電腦、平板機等，這些電腦通常包括內存(RAM)、中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、硬盤驅動(HDD)、顯卡、顯示器和主板等，電腦作為綠色節(jié)能計算系統(tǒng)中最基本的硬件資源，也是能效研究的最重要的一個領域，研究中檢測了家用筆記本電腦的能耗損失，一臺普通筆記本電腦的能耗大概是92W，具體能源損耗如圖5所示.

圖5 筆記本電腦各部件能耗

CPU的最佳節(jié)能方案一直都是大家所關注的熱點，文獻[7]利用數字建模轉換方法，根據不同問題建立CPU如何處理多任務 （假設為10個任務）的設計模型，該方法是先利用交通流的函數模型求解CPU處理不同任務的時間及速度，再利用線性規(guī)劃計算方式和約束條件使得CPU的總消耗最少.

其中Z表示電腦除去CPU及電腦的散熱損耗(TDP)外的能源消耗值，忽略外界環(huán)境的影響，假設其為一常量；Y表示CPU的除去TDP的能耗；Z、c為一常量；CPU能耗和PC綠色節(jié)能問題逐漸成為IT界關注的核心問題.

3.2 數據中心

近年來，數據中心的功耗問題已逐步成為大家關注和研究的熱點，綠色網絡組織(Green Grid)制定數據中心的功耗比指標，分別叫能量使用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)和數據中心基礎架構效率 (Data Center Infrastructure Effectiveness,DCIE)[8]，數據中心除了之前兩種效率之外還包括單位功率性能(Unit Power Performance,UPP)、睡眠模式效率(Sleep Mode Effectiveness,SME)、存儲能耗效率(Storage Power efficiency,SPE)、綠色能源效率(Green Energy Effectiveness,GEE)、溫度環(huán)境比(Temperature Environment Ratio,TER)、空間使用效率(Space Use Effectiveness,SUE)：

數據中心主要由IT設備和基礎設施兩部分組成，它們的能效乘積構成了整個數據中心的能效，數據中心總能耗則是制冷用電荷、供配電能耗和IT設備能耗三部分的總和.IT設備的能效評價指標現(xiàn)在還沒有一個標準的定義，而基礎設備的能耗定義則由PUE和DCIE來描述[9].

PUE是一個大于1的能耗比，通常介于1.6～2.0之間，它的值越趨近于1就表示能效水平越好，因此常用PUE來衡量數據中心效應.DCIE是一個小于1的百分比，數值越大越好，它與PUE是一對倒數，目前 PUE在 2.4～2.8的較多，較理想狀態(tài)是 PUE≤1.6.

3.3 網 絡

網絡是將服務器與用戶連接的紐帶，在云計算中的網絡主要有兩種：公有網絡和私有網絡.私有網絡一般由幾個以太網組成，數據中心通過以太網傳送1Bit數據給用戶的能耗表示為[10]：

其中，Ples、Pg和Pes分別是小型以太網交換機、數據中心網關路由器和以太網交換機的消耗功率；Cles、Cg和Ces是這些設備每Bit損耗的功率，有研究表明，現(xiàn)在鏈接到局域網的典型以太網利用率平均值小于5%，假設能再提升25%，那將提高資源利用率，大大降低設備的功耗.

公有網絡獲取信息的主要方式是通過Internet網從數據中心傳送給用戶，數據中心通過Internet網傳送1Bit數據給用戶的能源損耗表示為：

其中，Pw、Pc、Ppe、Pg、Pbg、Pes是 WDM 傳輸設備、 核心路由器、運營商邊緣路由器、數據中心網關路由器、寬帶網關路由器和以太網交換機的能源損耗，Cw、Cc、Cpe、Cg、Cbg和 Ces分別是對應設備每 Bit損耗的功率，研究資料表明，現(xiàn)在公有網只有50%的利用率，但最大的能耗幾乎可達到100%，因此，如何在它們之間尋找平衡，加大對網絡的利用率以及減少最大功耗還具有很大的發(fā)展前景.

3.4 服務應用

所有的應用都是用戶通過網絡連接服務器來獲取服務，而該過程必然離不開應用軟件的支持，研究中把與云計算服務相關的軟件分為兩類：一種是作為服務的軟件；一種是作為支持整個綠色節(jié)能云系統(tǒng)正常運行的軟件.應用能耗是指對一個軟硬件復雜的平臺而言，完成一定計算工作量的能耗總和[11]，軟件在一定時間內的能耗近似為：

其中，P（t）是對應硬件的能耗，軟件的功耗與對應硬件的平均能耗和軟件的工作時間對應成正比，所以可以通過減少硬件資源能耗、縮短軟件執(zhí)行時間來減少軟件的能耗，進而達到綠色節(jié)能環(huán)保的目的.

云計算作為軟件即服務(SaaS)，用戶從終端設備通過網絡向服務器提交請求，服務器接收響應并在遠程海量計算服務器上處理數據，再把處理后的數據通過網絡傳遞給用戶服務，在這過程中，云計算在服務器和用戶之間傳遞1Bit數據的能耗損失功率為：

其中，ET是每Bit的能耗；A是每個用戶的數據傳輸速率(bit/s)；Bd是單位時間內數據的下載量(M/h)；Bsd是硬盤陣列的大??；Psd是硬盤陣列的功耗；Nsf,sr是每個服務上的用戶數；Psf,sr是每個服務器的能耗；Psf,pc用戶終端的能耗.

目前對于綠色節(jié)能計算系統(tǒng)而言的能耗因子很多，還不能從單一因素去分析能耗，假設用環(huán)境系數（E）表示綠色節(jié)能計算的一些基本特征，E可表示為下面8元組[12]：

其中，w表示水耗因子；l表示排放因子；r表示回收因子；e表示經濟因子，p表示功耗因子，v表示體積因子，a表示面積因子，q表示質量因子，綠色節(jié)能計算系統(tǒng)可以認為是這些因子的總集.

4 實驗描述和結果分析

從生態(tài)系統(tǒng)層面和時間層面上考慮綠色節(jié)能計算系統(tǒng)的能耗度量分析指標主要包括以下6個指標：執(zhí)行時間、響應時間、延遲時間、吞吐量、可伸縮性、服務整合性.通過對這6個指標的判斷與優(yōu)化，從而使系統(tǒng)達到綠色節(jié)能環(huán)保的效果.

4.1 實驗描述

不管云計算的綠色節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)有多復雜，在請求與響應模型中，用戶的需求都是通過請求響應來體現(xiàn)，而在這個過程中則是由用戶、網絡、服務三個部分組成，而在這過程中網絡與服務發(fā)揮了至關重要的作用，所以服務都通過Web服務構建等軟件來實現(xiàn)服務請求.為了分析驗證云計算的綠色節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)各層面是能耗情況，設計兩個情景模式，分別測試一個高校里整個網絡中心機房的資源利用率與耗電情況和服務請求的響應時間對能耗的影響，它們的具體情景模式如下.

情景模式一，用于測試機房的耗電情況.由于支持系統(tǒng)的各種資源（服務器、網絡和存儲設備）必須24 h不間斷運行，能源消耗非常厲害.假設在某大學數字校園建設中，根據業(yè)務擴展的需要，所有應用系統(tǒng)的運行，按照傳統(tǒng)方式部署將有約100臺服務器，每臺服務器的功率為500W，分別測試應用傳統(tǒng)的技術與采用了此云計算平臺技術后的資源利用率與耗電情況.

情景模式二,用于測試服務請求的響應時間.在一個服務器中集成網絡服務、數據服務與應用服務，分別完成網絡服務中文件的上傳下載(上傳一個1M的文件)、數據服務中數據的瀏覽與顯示、應用服務中視頻的點擊與播放，同時設計一個將這些服務都集成在一個服務器上，分別測試集成與非集成的請求與響應時間.

4.2 實驗結果分析

圖6 數據中心平均能源消耗值

圖7 資源利用率

情景模式一的實驗結果分別如圖6、圖7所示.圖6表明在沒有運用云計算平臺技術的情況下，機房每天的耗電量為1200 kW·h，那么一年的耗電量就為43.8000×104kW·h，考慮到冷卻、照明等用電，每年的耗電超過100×104kW·h.采用了云計算平臺的虛擬化技術后，并通過先進的運維手段，可以實現(xiàn)資源的動態(tài)分配和調整，在非正常上班時間只需20臺服務器可以支撐整個系統(tǒng)，僅就服務器運行能耗（不含冷卻、照明等配套能耗）這一項每年可節(jié)省用電28.6400×104kW·h.圖7表明系統(tǒng)在可靠性原則之下，采用內存處理數據響應，內存利用率大于40%、磁盤利用率為50%、網絡利用率為20%，它的資源利用率遠大于傳統(tǒng)技術的利用率.這說明應用了云計算技術明顯降低了機房的能源消耗、增加了資源的利用率，有助于節(jié)約能源，實現(xiàn)低碳經濟和綠色環(huán)保.

情景模式二的實驗結果如圖8所示.該實驗結果表明第一次服務請求時，非集成服務的響應時間包括文件下載、瀏覽顯示、視頻點播的總時間為89.94 s，而服務集成的響應時間為54.22 s；第二次服務請求時，非集成服務的響應時間為47.46 s，而服務集成的響應時間為28.31 s.這說明服務集成環(huán)境下的響應時間只是非服務集成環(huán)境下的60%.這說明集成環(huán)境下比非集成環(huán)境下的響應時間快很多.

圖8 服務請求響應時間

5 結束語

隨著云計算技術應用的不斷發(fā)展、服務器的海量增加，能源成本和環(huán)境保護已經成為大家當下非常關注的問題，該研究把IT運維管理與服務平臺建設云環(huán)境下，提高了管理工作效率、降低了運維服務成本、減少了能源消耗.最終實現(xiàn)IT運維服務的智能化、可視化、耗能低碳化.最后通過實驗對比，驗證了該研究方法的有效節(jié)能性和可行性.不過由于物理軟硬件等因素的制約，該研究只從綠色節(jié)能這一方面去驗證基于云計算的IT運維服務的有效性與可行性.

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