一種云計(jì)算可用性定量計(jì)算模型

摘 要：隨著云計(jì)算應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，人們對(duì)于云計(jì)算可用性的擔(dān)憂也與日俱增。由于可用性的內(nèi)在復(fù)雜性，用戶缺乏對(duì)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的能力。本文通過(guò)對(duì)云計(jì)算進(jìn)行分層（IaaS，PaaS和SaaS）可用性分析，提出來(lái)一種基于分層結(jié)構(gòu)及其層間關(guān)系的云計(jì)算可用性定量計(jì)算模型，并給出了具體的計(jì)算和仿真實(shí)例。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；可用性；定量計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP393.08

根據(jù)Gartner的分析報(bào)告，云計(jì)算市場(chǎng)在2011年到2013年間保持了兩位數(shù)以上的增長(zhǎng)[1]。越來(lái)越多的企事業(yè)單位考慮將其數(shù)據(jù)和應(yīng)用遷移到云平臺(tái)，隨之而來(lái)的是更多對(duì)云計(jì)算可用性和可靠性的擔(dān)憂。UCBerkeley的Michael Armbrust等人提出的云計(jì)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(wù)提供商，如亞馬遜、微軟等都曾發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，給用戶帶來(lái)了巨大損失[3]。由于可用性的內(nèi)在復(fù)雜性，用戶缺乏對(duì)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的能力，現(xiàn)實(shí)需要一種可對(duì)云計(jì)算可用性進(jìn)行定量計(jì)算的分析模型。

1 可用性定量計(jì)算模型

云計(jì)算的可用性可以是一個(gè)很寬泛的概念，為避免因涉及過(guò)多因素而造成量化計(jì)算不可行的問(wèn)題，本文將首先對(duì)其進(jìn)行較為嚴(yán)格的定義，進(jìn)而提出自己的量化計(jì)算模型。

1.1 云計(jì)算可用性定義

傳統(tǒng)電信業(yè)對(duì)可用性的定義為系統(tǒng)處在可工作狀態(tài)的時(shí)間占總時(shí)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(fù)時(shí)間。

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

Availability=∏（AvailabilityIaaS，AvailabilityPaaS，AvailabilitySaaS）

（2）

而三個(gè)層面單獨(dú)的可用性，同樣可用式（1）進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算方法在下節(jié)進(jìn)行討論。

1.2 分層結(jié)構(gòu)可用性

本節(jié)將對(duì)云計(jì)算分層結(jié)構(gòu)的可用性進(jìn)行具體說(shuō)明。首先定義幾個(gè)同時(shí)適用于三層結(jié)構(gòu)的概念：

（1）服務(wù)單元SU（Service Unit）。能夠獨(dú)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(wù)的單元。位于同一層的SU相互獨(dú)立，單個(gè)SU失效不影響其它SU的功能和性能。對(duì)IaaS來(lái)說(shuō)，SU可以是RAID（Redundant Array of Independent Disks）陣列[5]中的單塊硬盤(pán)或某個(gè)數(shù)據(jù)中心；對(duì)PaaS來(lái)說(shuō)，SU可以是某個(gè)網(wǎng)站鏡像或數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例；對(duì)SaaS來(lái)說(shuō)，SU可以是某個(gè)軟件實(shí)例。

（2）服務(wù)集合SS（Service Set）。由多個(gè)SU和數(shù)個(gè)（1個(gè)或多個(gè)）控制單元（CU，Control Unit）組成，作為一個(gè)邏輯整體（SU）向上一層提供服務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CU用來(lái)監(jiān)測(cè)組成SS的多個(gè)SU的狀態(tài)，控制能夠提供最優(yōu)服務(wù)的SU向上一層提供服務(wù)。當(dāng)SS具有多個(gè)SU時(shí)，本文稱其具有抗單點(diǎn)失效性[6]。為簡(jiǎn)單分析，本文將CU作為一個(gè)整體考慮，不考慮其單點(diǎn)失效性。

圖1 SS結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)

（3）絕對(duì)可用性AA（Absolute Availability）。在設(shè)定下層可用性為100%的假設(shè)下，本級(jí)的可用性定義為AA。

（4）實(shí)際可用性PA（Practical Availability）。PA需要遞歸定義，設(shè)第i-1層的實(shí)際可用性為PAi-1，則第i層的PAi=AAi*PAi-1。

對(duì)屬于同一層同一個(gè)SS的SU來(lái)說(shuō)，有AAsui=AAsuj=Ω，Ω為一個(gè)常量（如99%，99.99%等）。

對(duì)含有N個(gè)SU的SS來(lái)說(shuō)，其AAss=Max（AAsu1，AAsu2，…，AAsuN），即SS的CU會(huì)選擇可用性最高的一個(gè)AU向上一級(jí)提供服務(wù)。

在云計(jì)算的實(shí)際的分層部署中，設(shè)第i層的向上一層提供服務(wù)的SS實(shí)際可用性為PAssi，則第i+1層的SU實(shí)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(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)

為對(duì)云計(jì)算可用性進(jìn)行量化計(jì)算，需要對(duì)其部署結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確。本文主要考慮以下三種結(jié)構(gòu)，下文圖2、圖3和圖4中的每個(gè)方框代表一個(gè)SS。

（1）線型結(jié)構(gòu)。線型結(jié)構(gòu)的部署拓?fù)淙鐖D2所示，IaaS，PaaS和SaaS均只部署了一個(gè)SS依次向上提供服務(wù)，該種結(jié)構(gòu)在每一層都存在單點(diǎn)失效的問(wèn)題，可用性保證能力較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部署維護(hù)難度低，加之成本較為低廉，也存在一定比例的實(shí)際應(yīng)用。

圖2 線型結(jié)構(gòu)部署拓?fù)?/p>

（2）單層分支結(jié)構(gòu)。單層分支結(jié)構(gòu)的部署拓?fù)淙鐖D3所示，圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別表示對(duì)IaaS，PaaS和SaaS進(jìn)行擴(kuò)展得到的部署拓?fù)?。在?shí)際應(yīng)用中，往往是選擇可用性較低的一層進(jìn)行擴(kuò)展，以提高整個(gè)服務(wù)的可用性。

圖3 單層分支結(jié)構(gòu)部署拓?fù)?/p>

（3）樹(shù)形結(jié)構(gòu)。對(duì)于可用性要求高，且可以接受較高開(kāi)銷的云計(jì)算服務(wù)，往往采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要對(duì)三層結(jié)構(gòu)都進(jìn)行不同程度的擴(kuò)展，系統(tǒng)的可用性可得到較高的保證，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難且開(kāi)支較大。

圖4 樹(shù)形結(jié)構(gòu)部署拓?fù)?/p>

2 基于模型的定量計(jì)算與仿真

2.1 定量計(jì)算方法

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

（1）線型結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該種結(jié)構(gòu)的可用性計(jì)算較為簡(jiǎn)單，設(shè)IaaS節(jié)點(diǎn)的AAIaaS=PAIaaS，則有：

PAPaaS=AAPaaS*PAIaaS

PASaaS=AASaaS*PAPaaS=AASaaS*AAPaaS*PAIaaS

（2）單層分支結(jié)構(gòu)。以圖3（a）給出的部署結(jié)構(gòu)舉例說(shuō)明。設(shè)IaaS節(jié)點(diǎn)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(shù)形結(jié)構(gòu)。同樣，對(duì)圖4給出的部署結(jié)構(gòu)，設(shè)IaaS節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于VS2008平臺(tái)，利用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖4所示樹(shù)形結(jié)構(gòu)可用性的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)使用Timer類實(shí)現(xiàn)時(shí)間推進(jìn)機(jī)制，利用Rand函數(shù)實(shí)現(xiàn)可用性的概率設(shè)定，利用2.1節(jié)給出的計(jì)算方式完成模擬仿真。設(shè)各SS的絕對(duì)可用性均為99.9%。共進(jìn)行了5次仿真實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)為10萬(wàn)個(gè)時(shí)間單位，PASaaS結(jié)果如表1所示，由表1可知，仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值基本一致，其中的不一致可能來(lái)自仿真時(shí)間長(zhǎng)度有限帶來(lái)的偶然因素，說(shuō)明了可用性量化計(jì)算的有效性。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)PASaaS值

實(shí)驗(yàn)199.8989%

實(shí)驗(yàn)299.8996%

實(shí)驗(yàn)399.8969%

實(shí)驗(yàn)499.8899%

實(shí)驗(yàn)599.8939%

理論值99.8999%

3 小結(jié)與展望

本文根據(jù)云計(jì)算可用性的影響因素，將云計(jì)算劃分為3個(gè)層次，基于自己定義的SU、SS等概念，給出了一種分層計(jì)算的云計(jì)算可用性量化計(jì)算模型和具體的計(jì)算方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，可有效支持服務(wù)提供商和用戶對(duì)云計(jì)算可用性評(píng)估的需求，但該模型的部署結(jié)構(gòu)還不夠一般化，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以提高其通用性和易用性。

參考文獻(xiàn)：

[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(guó)，張敏，張妍.云計(jì)算安全研究.軟件學(xué)報(bào)，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(shù)語(yǔ)[Z].中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，2005.

作者簡(jiǎn)介：楊志明（1984.06-），男，云南大理人，在讀研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；張嘉慧（1984.10-），男，甘肅民勤人，在讀研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073