陳 豪,陶 冶,張 尼,張?jiān)朴?/p>
(中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 北京 100032)
云計(jì)算是一種將規(guī)??蓜?dòng)態(tài)擴(kuò)展的虛擬化資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)外按需使用服務(wù)的計(jì)算模式,用戶無(wú)需了解提供這種服務(wù)的底層基礎(chǔ)設(shè)施,也無(wú)需去擁有和控制[1]。云計(jì)算具有資源共享、彈性調(diào)度、按需分配等特點(diǎn)。云計(jì)算的興起將使很多企業(yè)摒棄原有購(gòu)買(mǎi)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備的模式,轉(zhuǎn)而選擇更靈活的服務(wù)模式。目前以包月為主的計(jì)費(fèi)方式的最大特點(diǎn)是用戶為其單位時(shí)間的服務(wù)支付固定的費(fèi)用而與其用量無(wú)關(guān),這種計(jì)費(fèi)方式卻與云計(jì)算所提倡按需服務(wù)的目標(biāo)背道而馳,已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)云計(jì)算的發(fā)展需求[2]。從技術(shù)角度看,云服務(wù)作為綜合性資源和內(nèi)容服務(wù)資源的多樣性和內(nèi)容的動(dòng)態(tài)組合,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源計(jì)量方法難以勝任,需要對(duì)差異性服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤和計(jì)量,針對(duì)服務(wù)模塊的組合進(jìn)行定價(jià),并根據(jù)不同用戶的行為進(jìn)行收費(fèi)。因此云計(jì)算環(huán)境下的計(jì)費(fèi)問(wèn)題是保證云計(jì)算快速發(fā)展且保障產(chǎn)業(yè)鏈各參與方利益的重要問(wèn)題。
現(xiàn)有關(guān)于云計(jì)算的理論研究多從技術(shù)的視角,探討云計(jì)算體系架構(gòu)、云數(shù)據(jù)管理、云安全、編程模型等[3~5],針對(duì)云計(jì)算整體計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的研究尚不多見(jiàn)。另外,目前的研究多集中在計(jì)費(fèi)策略上,參考文獻(xiàn)[6]中通過(guò)對(duì)服務(wù)等級(jí)協(xié)議(SLA)內(nèi)容監(jiān)測(cè)及用戶評(píng)估的分析,提出了一種基于效用的云計(jì)算動(dòng)態(tài)資源計(jì)費(fèi)策略,參考文獻(xiàn)[7]運(yùn)用隨機(jī)Petri網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)流程建模與追蹤,提出分層計(jì)費(fèi)體系下的流程計(jì)費(fèi)模型。參考文獻(xiàn)[8]在對(duì)比幾種典型公有云服務(wù)提供商的計(jì)費(fèi)方式的基礎(chǔ)上,指出云計(jì)費(fèi)應(yīng)滿足用戶差異化需求和多樣化應(yīng)用的場(chǎng)景。這些研究并沒(méi)有明確各種云服務(wù)的計(jì)費(fèi)指標(biāo),沒(méi)有考慮計(jì)費(fèi)信息的采集、存儲(chǔ)以及展現(xiàn)等實(shí)際問(wèn)題。
云計(jì)算按服務(wù)類(lèi)型大致可以分為3類(lèi):基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)。這 3 種服務(wù)類(lèi)型的云計(jì)算系統(tǒng)中,所有的用戶需求被看作是一種云計(jì)算服務(wù)請(qǐng)求,即所有的用戶需求將面臨計(jì)費(fèi)的問(wèn)題。對(duì)于上述3種服務(wù)類(lèi)型,應(yīng)考慮什么樣的服務(wù)可以免費(fèi),什么樣的服務(wù)按照數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量、計(jì)算量、存儲(chǔ)時(shí)間等方面以怎么樣的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)費(fèi)。這些問(wèn)題是云計(jì)算計(jì)費(fèi)主要考慮的核心問(wèn)題之一。
作為IaaS標(biāo)桿的亞馬遜云服務(wù)(AWS),現(xiàn)在共提供12類(lèi)33項(xiàng)服務(wù),基礎(chǔ)設(shè)施功能已經(jīng)相當(dāng)豐富,能滿足構(gòu)建超大互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大多數(shù)需求,并面向開(kāi)發(fā)者提供工具包、SDK、文檔、社區(qū)和技術(shù)支持等服務(wù)。具體來(lái)看,大致可分為計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用架構(gòu)、特定應(yīng)用、管理這五大類(lèi)。在此不窮舉這些服務(wù)的計(jì)費(fèi)指標(biāo),僅選擇其中最具代表性的3種服務(wù)的計(jì)費(fèi)情況進(jìn)行討論,見(jiàn)表1。
PaaS的典型代表是Google App Engine(GAE)應(yīng)用平臺(tái)服務(wù),用戶可以在GAE平臺(tái)使用Python和Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)各種Web應(yīng)用,通過(guò)Google App Engine運(yùn)行大型并行應(yīng)用程序。而企業(yè)也可以在這一平臺(tái)上定制開(kāi)發(fā)適合自己的軟件應(yīng)用。GAE應(yīng)用程序易于構(gòu)建和維護(hù),并可根據(jù)用戶訪問(wèn)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要的增長(zhǎng)輕松擴(kuò)展。使用GAE,將不再需要維護(hù)服務(wù)器,只需上傳企業(yè)自己的應(yīng)用程序,便可立即為企業(yè)的客戶提供服務(wù)。GAE的計(jì)費(fèi)情況見(jiàn)表2。
SaaS的典型代表是Salesforce基于網(wǎng)絡(luò)向企業(yè)用戶提供在線CRM銷(xiāo)售云和服務(wù)云,使用戶可以避免購(gòu)買(mǎi)硬件、開(kāi)發(fā)軟件等前期投資以及復(fù)雜的后臺(tái)管理問(wèn)題。它的計(jì)費(fèi)以用戶為單位,不同版本的軟件對(duì)每個(gè)用戶收取的費(fèi)用不同,越專(zhuān)業(yè)的版本每個(gè)用戶收費(fèi)越高。
通過(guò)對(duì)以上3種模式的計(jì)費(fèi)情況進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)IaaS的計(jì)費(fèi)主要是對(duì)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、應(yīng)用環(huán)境等資源的使用情況分別進(jìn)行計(jì)量,然后分別定價(jià)(受時(shí)間、區(qū)域等因素影響)形成賬單進(jìn)行收費(fèi)。一般有包月和按需計(jì)費(fèi)兩種方式。
PaaS的計(jì)費(fèi)與IaaS類(lèi)似,PaaS平臺(tái)通過(guò)分布式計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)管理系統(tǒng)向用戶提供資源服務(wù),因而每種資源的使用都需要計(jì)費(fèi)。不同的是PaaS的計(jì)費(fèi)點(diǎn)更側(cè)重于平臺(tái)開(kāi)發(fā)接口的調(diào)用情況。
SaaS是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶提供軟件服務(wù),采用多租戶的技術(shù)來(lái)降低軟件部署費(fèi)用,通過(guò)專(zhuān)業(yè)化和規(guī)模經(jīng)濟(jì)來(lái)降低供應(yīng)商軟件服務(wù)成本和用戶的支付費(fèi)用,主要采用的是訂閱式計(jì)費(fèi)機(jī)制。SaaS的計(jì)費(fèi)則更多以用戶或軟件實(shí)例為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。
表1 亞馬遜典型云服務(wù)計(jì)費(fèi)情況
表2 Google典型云服務(wù)計(jì)費(fèi)情況
這3種模式的云服務(wù)的計(jì)費(fèi)歸根結(jié)底都是對(duì)底層各種資源使用情況的計(jì)費(fèi),因此本文對(duì)最復(fù)雜的IaaS模式的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究,其他兩種模式的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可以通過(guò)類(lèi)比掌握。
云計(jì)算計(jì)費(fèi)系統(tǒng)可按基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)展現(xiàn)層來(lái)構(gòu)建?;A(chǔ)設(shè)施層為中間處理層準(zhǔn)備其所需的計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等資源;數(shù)據(jù)處理層對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并負(fù)責(zé)持久化,采用一定的模型和算法處理,供展示層調(diào)用;展示層通過(guò)多種途徑展示計(jì)量數(shù)據(jù),并通過(guò)配置各種策略實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),最終形成計(jì)費(fèi)賬單。云計(jì)算計(jì)費(fèi)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 云計(jì)算計(jì)費(fèi)系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)
對(duì)物理資源的計(jì)量數(shù)據(jù)采集有很多成熟的技術(shù)和工具,但是云計(jì)算環(huán)境不僅需要對(duì)物理資源的使用情況進(jìn)行計(jì)量,更重要的是對(duì)虛擬資源進(jìn)行計(jì)量,目前對(duì)虛擬資源的計(jì)量數(shù)據(jù)采集有部署代理與無(wú)代理兩種模式[9]。
代理模式一般將定制的數(shù)據(jù)采集代理植入宿主機(jī)(虛擬機(jī)資源或物理資源)中,這種方式采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,指標(biāo)擴(kuò)展也比較容易。這種模式需要額外的安裝部署及維護(hù)工作,工作量與采集對(duì)象數(shù)量成線性關(guān)系,即采集對(duì)象越多就需要安裝越多的代理程序。在云計(jì)算環(huán)境使用大量虛擬機(jī)的場(chǎng)景下,手工安裝代理程序效率低下,需要使用自動(dòng)化部署技術(shù),例如從服務(wù)器將代理程序推送到采集對(duì)象上安裝。
無(wú)代理模式不需要安裝代理程序,通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)用虛擬化層或操作系統(tǒng)提供的接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
本文結(jié)合使用上述兩種數(shù)據(jù)采集方式,功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集方案
該方案使用無(wú)代理方式采集服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等物理資源的計(jì)量參數(shù),而部署定制化代理的方式采集開(kāi)源與商業(yè)云化資源的使用情況。這個(gè)方案主要有以下優(yōu)點(diǎn):由于服務(wù)器、交換機(jī)等物理設(shè)備對(duì)通用的SNMP/Telnet/SSH等標(biāo)準(zhǔn)接口已具備較成熟的支持能力,所以采用通用的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)代理采集方法,既可減少代理部署成本,也可以最低限度地降低宿主機(jī)的性能與工作效率。
如前文所述,由于云化資源如虛擬機(jī)、開(kāi)源云計(jì)算系統(tǒng)組件、云數(shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)服務(wù)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn),使用無(wú)代理方式無(wú)法滿足云計(jì)費(fèi)的數(shù)據(jù)需求。所以針對(duì)不同的資源類(lèi)型,定制化開(kāi)發(fā)計(jì)量數(shù)據(jù)采集代理,既可以根據(jù)用戶及云平臺(tái)計(jì)費(fèi)需求,拓展或減少計(jì)量指標(biāo),又可以利用云計(jì)算按需拓展、自動(dòng)化部署等技術(shù)優(yōu)勢(shì),隨用戶的資源申請(qǐng)自動(dòng)部署計(jì)量采集代理,實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)收集。
而對(duì)于商業(yè)云化資源,一般能力提供商都已提供較為完善的計(jì)量功能或相應(yīng)的數(shù)據(jù)開(kāi)放接口,云管理平臺(tái)只需要根據(jù)數(shù)據(jù)接口,定制標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng),對(duì)接至云管理平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)商業(yè)云化資源的計(jì)費(fèi)。
如果要做到按使用量計(jì)費(fèi),計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的采集頻率就不能太短,再加上云服務(wù)種類(lèi)很多,每種服務(wù)有不同的計(jì)費(fèi)指標(biāo),且每種服務(wù)又有許多用戶等原因?qū)е铝擞?jì)費(fèi)數(shù)據(jù)需要解決存儲(chǔ)的問(wèn)題。另外計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)還需要隨時(shí)可供查詢,需要保證計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的高可用性。
如圖3所示,本文采用LVS(Linux虛擬服務(wù)器)+Keepalived作為支持高可用的計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案,LVS提供負(fù)載均衡,Keepalived作為故障轉(zhuǎn)移,提高系統(tǒng)的可用性。
圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案
一般的MySQL高可用為了實(shí)現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)的一致性,都是采用單點(diǎn)寫(xiě)入,本方案采用Keepalived中的sorry server來(lái)實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)為單點(diǎn)的需求。本方案實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有問(wèn)題、MySQL有問(wèn)題、服務(wù)器宕機(jī)或Keepalived服務(wù)停止后,服務(wù)器能自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到備用機(jī),當(dāng)主服務(wù)器服務(wù)啟動(dòng)起來(lái)后會(huì)自動(dòng)切換回來(lái)。
Keepalived基于虛擬路由冗余協(xié)議 (virtual router redundancy protocol,VRRP)實(shí)現(xiàn)高可用解決方案,利用其避免單點(diǎn)故障,通常這個(gè)解決方案中,至少有2臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行Keepalived,即一臺(tái)為主服務(wù)器,另一臺(tái)為備份服務(wù)器,但對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)虛擬IP地址,主服務(wù)器會(huì)發(fā)送特定消息給備份服務(wù)器,當(dāng)備份服務(wù)器收不到該消息時(shí),則認(rèn)為主服務(wù)器出現(xiàn)故障,備份服務(wù)器會(huì)接管虛擬IP地址,繼續(xù)提供服務(wù),從而保證了高可用性。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是:
· 安裝配置簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,高可用性好,可以根據(jù)服務(wù)與系統(tǒng)的可用性多方面進(jìn)行切換;
·可以將寫(xiě)虛擬IP地址和讀虛擬IP地址分別進(jìn)行設(shè)置,為讀寫(xiě)分離做準(zhǔn)備;
· 可以在后面添加多個(gè)備份服務(wù)器,并做到負(fù)載均衡。
計(jì)費(fèi)模型應(yīng)該同時(shí)考慮云服務(wù)商和用戶的利益。作為提供商與用戶之間云服務(wù)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的橋梁,云計(jì)算服務(wù)的計(jì)費(fèi)模式必須能夠在滿足用戶使用需求的同時(shí),客觀地衡量用戶使用服務(wù)時(shí)對(duì)提供商資源的占用情況[8]。
在計(jì)費(fèi)模型中加入用戶的因素,例如用戶滿意度、用戶QoS等,將增加用戶與云服務(wù)商的粘合度。在社交網(wǎng)絡(luò)十分繁榮的今天,通過(guò)用戶之間的推薦將進(jìn)一步增加云服務(wù)商的用戶數(shù),從而增加云服務(wù)商的利潤(rùn),達(dá)到共贏的目標(biāo)。另一方面,對(duì)云服務(wù)商而言,如何盡量降低成本提高利潤(rùn)是其主要訴求,云服務(wù)商也可能會(huì)采用分地域、分時(shí)段的計(jì)費(fèi)策略和優(yōu)惠手段等,這些也是計(jì)費(fèi)模型應(yīng)該考慮的因素。
本文令N={N1,N2,…,Nm},其中,N1,N2,…,Nm分別代表某一種計(jì)費(fèi)因子。采納的計(jì)費(fèi)因子如下。
· 用戶的資源使用量:用戶申請(qǐng)的虛擬機(jī)資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)庫(kù)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等。可將資源按不同的規(guī)格進(jìn)行搭配,對(duì)打包的資源進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)費(fèi)。
· 用戶租借時(shí)間:根據(jù)用戶租借時(shí)間的長(zhǎng)短,可采取不同的計(jì)費(fèi)策略。一次租借時(shí)間越長(zhǎng),給予的優(yōu)惠力度越大。
·用戶要求的服務(wù)質(zhì)量:用戶要求的服務(wù)質(zhì)量越高,所需費(fèi)用就越多。
· 網(wǎng)絡(luò)繁忙程度:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí),用戶單位用量的價(jià)格較低,隨著網(wǎng)絡(luò)繁忙程度的增強(qiáng),用戶單位用量的價(jià)格將會(huì)增加。
· 服務(wù)源和申請(qǐng)用戶之間的距離:云服務(wù)提供商通常將云資源分成不同的區(qū)域,源和用戶在一個(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶為區(qū)內(nèi)請(qǐng)求,否則為區(qū)外請(qǐng)求,一般對(duì)區(qū)外請(qǐng)求給予適當(dāng)?shù)膬?yōu)惠。
· 用戶行為:通過(guò)對(duì)用戶行為進(jìn)行分析,對(duì)惡意使用云環(huán)境(如部署惡意應(yīng)用程序,使用申請(qǐng)的虛擬資源從內(nèi)部發(fā)起攻擊等)提出警告或處罰。
· 云服務(wù)故障造成的影響:網(wǎng)絡(luò)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失等造成用戶利益受損,應(yīng)考慮給予用戶補(bǔ)償。
將這些計(jì)費(fèi)因子分配相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重W,W={W1,W2,…,Wm},Wm分別代表針對(duì)每一Nm指標(biāo)的權(quán)重。其中,W=1,0≤W1,W2,…,Wm≤1,W1+W2+ …+Wm=1。基于計(jì)費(fèi)因子加權(quán)的計(jì)費(fèi)可表示為:Bill=W1×f(N1)+W2×f(N2)+…+W3×f(Nm),其中f(N1)為以N1為參數(shù)的函數(shù),其他各項(xiàng)以此類(lèi)推。
圖4 云計(jì)算計(jì)費(fèi)系統(tǒng)部署
由于采集的指標(biāo)種類(lèi)繁多,展現(xiàn)方式也多種多樣,包括表格、拓?fù)鋱D、柱狀圖、餅圖等,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)展現(xiàn)需要體現(xiàn)邏輯性,例如在展現(xiàn)虛擬機(jī)使用情況的同時(shí),應(yīng)該能關(guān)聯(lián)展示與虛擬機(jī)結(jié)合使用的網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、應(yīng)用環(huán)境等的使用情況。
計(jì)量數(shù)據(jù)需要計(jì)費(fèi)劃價(jià)處理,按照相關(guān)費(fèi)率以及云計(jì)算服務(wù)具體發(fā)生狀況,計(jì)算用戶的云計(jì)算服務(wù)費(fèi)用,并形成詳細(xì)賬單。數(shù)據(jù)展現(xiàn)還應(yīng)該支持自定義報(bào)表、數(shù)據(jù)管理、配置費(fèi)率,如更加靈活地調(diào)整資費(fèi)策略、實(shí)施多層次優(yōu)惠方案,及時(shí)配合面向用戶的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略調(diào)整,提高服務(wù)質(zhì)量。
根據(jù)云計(jì)算計(jì)費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)建方案,本文以O(shè)penStack(i版本)為虛擬化管理平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)部署,部署網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。其中主要節(jié)點(diǎn)部署的應(yīng)用包括:在控制節(jié)點(diǎn)部署OpenStack的Nova-API、Nova-scheduler、noVNC、Keystone、Glance、Quantum、Cinder等應(yīng)用;在計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署Compute、監(jiān)控代理等應(yīng)用;在門(mén)戶節(jié)點(diǎn)部署Tomat應(yīng)用;在資源節(jié)點(diǎn)部署MySQL、rabbitMQ應(yīng)用;在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)部署Keepalive應(yīng)用。部署網(wǎng)絡(luò)將業(yè)務(wù)和管理隔離,分配不同的網(wǎng)段和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。通過(guò)實(shí)際部署運(yùn)行驗(yàn)證了本文方案的可行性。
本文在分析了現(xiàn)有主流云平臺(tái)計(jì)費(fèi)機(jī)制的基礎(chǔ)上,采用3層模型構(gòu)建云計(jì)算計(jì)費(fèi)體系,并對(duì)各層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步細(xì)化。在數(shù)據(jù)采集方面,采用無(wú)代理結(jié)合定制化代理的方式采集計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù),底層設(shè)置支持開(kāi)源云化資源、商業(yè)化云化資源以及非云化資源。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面采用LVS結(jié)合Keepalive提供支持高可用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案,然后設(shè)計(jì)了一個(gè)基于計(jì)費(fèi)因子加權(quán)的計(jì)費(fèi)模型,同時(shí)考慮用戶和云服務(wù)提供商的利益。最后對(duì)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)展現(xiàn)提出建議。本文下一步工作將圍繞海量計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)存在的大數(shù)據(jù)問(wèn)題以及計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的安全問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步研究。
1 張尼,劉鏑,張?jiān)朴碌?云計(jì)算安全技術(shù)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,2014
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