云計算計費問題研究

陳 豪，陶 冶，張 尼，張云勇

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 北京 100032）

1 引言

云計算是一種將規(guī)?？蓜討B(tài)擴展的虛擬化資源通過網(wǎng)絡(luò)提供對外按需使用服務(wù)的計算模式，用戶無需了解提供這種服務(wù)的底層基礎(chǔ)設(shè)施，也無需去擁有和控制[1]。云計算具有資源共享、彈性調(diào)度、按需分配等特點。云計算的興起將使很多企業(yè)摒棄原有購買服務(wù)器、存儲設(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費方式的最大特點是用戶為其單位時間的服務(wù)支付固定的費用而與其用量無關(guān)，這種計費方式卻與云計算所提倡按需服務(wù)的目標背道而馳，已經(jīng)無法適應(yīng)云計算的發(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)容的動態(tài)組合，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源計量方法難以勝任，需要對差異性服務(wù)進行動態(tài)跟蹤和計量，針對服務(wù)模塊的組合進行定價，并根據(jù)不同用戶的行為進行收費。因此云計算環(huán)境下的計費問題是保證云計算快速發(fā)展且保障產(chǎn)業(yè)鏈各參與方利益的重要問題。

現(xiàn)有關(guān)于云計算的理論研究多從技術(shù)的視角，探討云計算體系架構(gòu)、云數(shù)據(jù)管理、云安全、編程模型等[3～5]，針對云計算整體計費系統(tǒng)的研究尚不多見。另外，目前的研究多集中在計費策略上，參考文獻[6]中通過對服務(wù)等級協(xié)議（SLA）內(nèi)容監(jiān)測及用戶評估的分析，提出了一種基于效用的云計算動態(tài)資源計費策略，參考文獻[7]運用隨機Petri網(wǎng)進行動態(tài)流程建模與追蹤，提出分層計費體系下的流程計費模型。參考文獻[8]在對比幾種典型公有云服務(wù)提供商的計費方式的基礎(chǔ)上，指出云計費應(yīng)滿足用戶差異化需求和多樣化應(yīng)用的場景。這些研究并沒有明確各種云服務(wù)的計費指標，沒有考慮計費信息的采集、存儲以及展現(xiàn)等實際問題。

2 主流云平臺計費現(xiàn)狀

云計算按服務(wù)類型大致可以分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）。這 3 種服務(wù)類型的云計算系統(tǒng)中，所有的用戶需求被看作是一種云計算服務(wù)請求，即所有的用戶需求將面臨計費的問題。對于上述3種服務(wù)類型，應(yīng)考慮什么樣的服務(wù)可以免費，什么樣的服務(wù)按照數(shù)據(jù)的存儲量、計算量、存儲時間等方面以怎么樣的收費標準來計費。這些問題是云計算計費主要考慮的核心問題之一。

作為IaaS標桿的亞馬遜云服務(wù)（AWS），現(xiàn)在共提供12類33項服務(wù)，基礎(chǔ)設(shè)施功能已經(jīng)相當豐富，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)。具體來看，大致可分為計算、存儲、應(yīng)用架構(gòu)、特定應(yīng)用、管理這五大類。在此不窮舉這些服務(wù)的計費指標，僅選擇其中最具代表性的3種服務(wù)的計費情況進行討論，見表1。

PaaS的典型代表是Google App Engine（GAE）應(yīng)用平臺服務(wù)，用戶可以在GAE平臺使用Python和Java語言開發(fā)各種Web應(yīng)用，通過Google App Engine運行大型并行應(yīng)用程序。而企業(yè)也可以在這一平臺上定制開發(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，并可根據(jù)用戶訪問量和數(shù)據(jù)存儲需要的增長輕松擴展。使用GAE，將不再需要維護服務(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的計費情況見表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銷售云和服務(wù)云，使用戶可以避免購買硬件、開發(fā)軟件等前期投資以及復(fù)雜的后臺管理問題。它的計費以用戶為單位，不同版本的軟件對每個用戶收取的費用不同，越專業(yè)的版本每個用戶收費越高。

通過對以上3種模式的計費情況進行對比，發(fā)現(xiàn)IaaS的計費主要是對主機、網(wǎng)絡(luò)、存儲、應(yīng)用環(huán)境等資源的使用情況分別進行計量，然后分別定價（受時間、區(qū)域等因素影響）形成賬單進行收費。一般有包月和按需計費兩種方式。

PaaS的計費與IaaS類似，PaaS平臺通過分布式計算基礎(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費。不同的是PaaS的計費點更側(cè)重于平臺開發(fā)接口的調(diào)用情況。

SaaS是通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供軟件服務(wù)，采用多租戶的技術(shù)來降低軟件部署費用，通過專業(yè)化和規(guī)模經(jīng)濟來降低供應(yīng)商軟件服務(wù)成本和用戶的支付費用，主要采用的是訂閱式計費機制。SaaS的計費則更多以用戶或軟件實例為基礎(chǔ)進行計費。

表1 亞馬遜典型云服務(wù)計費情況

表2 Google典型云服務(wù)計費情況

這3種模式的云服務(wù)的計費歸根結(jié)底都是對底層各種資源使用情況的計費，因此本文對最復(fù)雜的IaaS模式的計費系統(tǒng)進行進一步研究，其他兩種模式的計費系統(tǒng)可以通過類比掌握。

3 云計算計費系統(tǒng)構(gòu)建

云計算計費系統(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)層來構(gòu)建?；A(chǔ)設(shè)施層為中間處理層準備其所需的計算、存儲、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等資源；數(shù)據(jù)處理層對計量數(shù)據(jù)進行分析并負責持久化，采用一定的模型和算法處理，供展示層調(diào)用；展示層通過多種途徑展示計量數(shù)據(jù)，并通過配置各種策略實現(xiàn)經(jīng)營活動，最終形成計費賬單。云計算計費系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 云計算計費系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)采集

對物理資源的計量數(shù)據(jù)采集有很多成熟的技術(shù)和工具，但是云計算環(huán)境不僅需要對物理資源的使用情況進行計量，更重要的是對虛擬資源進行計量，目前對虛擬資源的計量數(shù)據(jù)采集有部署代理與無代理兩種模式[9]。

代理模式一般將定制的數(shù)據(jù)采集代理植入宿主機（虛擬機資源或物理資源）中，這種方式采集的數(shù)據(jù)更加準確，指標擴展也比較容易。這種模式需要額外的安裝部署及維護工作，工作量與采集對象數(shù)量成線性關(guān)系，即采集對象越多就需要安裝越多的代理程序。在云計算環(huán)境使用大量虛擬機的場景下，手工安裝代理程序效率低下，需要使用自動化部署技術(shù)，例如從服務(wù)器將代理程序推送到采集對象上安裝。

無代理模式不需要安裝代理程序，通過遠程調(diào)用虛擬化層或操作系統(tǒng)提供的接口實現(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

該方案使用無代理方式采集服務(wù)器、路由器、交換機等物理資源的計量參數(shù)，而部署定制化代理的方式采集開源與商業(yè)云化資源的使用情況。這個方案主要有以下優(yōu)點：由于服務(wù)器、交換機等物理設(shè)備對通用的SNMP/Telnet/SSH等標準接口已具備較成熟的支持能力，所以采用通用的標準化無代理采集方法，既可減少代理部署成本，也可以最低限度地降低宿主機的性能與工作效率。

如前文所述，由于云化資源如虛擬機、開源云計算系統(tǒng)組件、云數(shù)據(jù)庫、云存儲服務(wù)尚無標準化的數(shù)據(jù)采集標準，使用無代理方式無法滿足云計費的數(shù)據(jù)需求。所以針對不同的資源類型，定制化開發(fā)計量數(shù)據(jù)采集代理，既可以根據(jù)用戶及云平臺計費需求，拓展或減少計量指標，又可以利用云計算按需拓展、自動化部署等技術(shù)優(yōu)勢，隨用戶的資源申請自動部署計量采集代理，實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)收集。

而對于商業(yè)云化資源，一般能力提供商都已提供較為完善的計量功能或相應(yīng)的數(shù)據(jù)開放接口，云管理平臺只需要根據(jù)數(shù)據(jù)接口，定制標準化的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對接至云管理平臺即可實現(xiàn)對商業(yè)云化資源的計費。

3.2 數(shù)據(jù)存儲

如果要做到按使用量計費，計費數(shù)據(jù)的采集頻率就不能太短，再加上云服務(wù)種類很多，每種服務(wù)有不同的計費指標，且每種服務(wù)又有許多用戶等原因?qū)е铝擞嬞M數(shù)據(jù)需要解決存儲的問題。另外計費數(shù)據(jù)還需要隨時可供查詢，需要保證計費數(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費數(shù)據(jù)存儲解決方案，LVS提供負載均衡，Keepalived作為故障轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)的可用性。

圖3 數(shù)據(jù)存儲方案

一般的MySQL高可用為了實現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)的一致性，都是采用單點寫入，本方案采用Keepalived中的sorry server來實現(xiàn)寫入數(shù)據(jù)庫為單點的需求。本方案實現(xiàn)的功能是當網(wǎng)絡(luò)有問題、MySQL有問題、服務(wù)器宕機或Keepalived服務(wù)停止后，服務(wù)器能自動跳轉(zhuǎn)到備用機，當主服務(wù)器服務(wù)啟動起來后會自動切換回來。

Keepalived基于虛擬路由冗余協(xié)議 （virtual router redundancy protocol，VRRP）實現(xiàn)高可用解決方案，利用其避免單點故障，通常這個解決方案中，至少有2臺服務(wù)器運行Keepalived，即一臺為主服務(wù)器，另一臺為備份服務(wù)器，但對外表現(xiàn)為一個虛擬IP地址，主服務(wù)器會發(fā)送特定消息給備份服務(wù)器，當備份服務(wù)器收不到該消息時，則認為主服務(wù)器出現(xiàn)故障，備份服務(wù)器會接管虛擬IP地址，繼續(xù)提供服務(wù)，從而保證了高可用性。這個方案的優(yōu)點是：

· 安裝配置簡單，實現(xiàn)方便，高可用性好，可以根據(jù)服務(wù)與系統(tǒng)的可用性多方面進行切換；

·可以將寫虛擬IP地址和讀虛擬IP地址分別進行設(shè)置，為讀寫分離做準備；

· 可以在后面添加多個備份服務(wù)器，并做到負載均衡。

3.3 計費模型

計費模型應(yīng)該同時考慮云服務(wù)商和用戶的利益。作為提供商與用戶之間云服務(wù)價值實現(xiàn)的橋梁，云計算服務(wù)的計費模式必須能夠在滿足用戶使用需求的同時，客觀地衡量用戶使用服務(wù)時對提供商資源的占用情況[8]。

在計費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，通過用戶之間的推薦將進一步增加云服務(wù)商的用戶數(shù)，從而增加云服務(wù)商的利潤，達到共贏的目標。另一方面，對云服務(wù)商而言，如何盡量降低成本提高利潤是其主要訴求，云服務(wù)商也可能會采用分地域、分時段的計費策略和優(yōu)惠手段等，這些也是計費模型應(yīng)該考慮的因素。

本文令N={N1，N2，…，Nm}，其中，N1，N2，…，Nm分別代表某一種計費因子。采納的計費因子如下。

· 用戶的資源使用量：用戶申請的虛擬機資源、存儲資源、數(shù)據(jù)庫資源、網(wǎng)絡(luò)資源等。可將資源按不同的規(guī)格進行搭配，對打包的資源進行統(tǒng)一計費。

· 用戶租借時間：根據(jù)用戶租借時間的長短，可采取不同的計費策略。一次租借時間越長，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，所需費用就越多。

· 網(wǎng)絡(luò)繁忙程度：當網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時，用戶單位用量的價格較低，隨著網(wǎng)絡(luò)繁忙程度的增強，用戶單位用量的價格將會增加。

· 服務(wù)源和申請用戶之間的距離：云服務(wù)提供商通常將云資源分成不同的區(qū)域，源和用戶在一個服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶為區(qū)內(nèi)請求，否則為區(qū)外請求，一般對區(qū)外請求給予適當?shù)膬?yōu)惠。

· 用戶行為：通過對用戶行為進行分析，對惡意使用云環(huán)境（如部署惡意應(yīng)用程序，使用申請的虛擬資源從內(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)考慮給予用戶補償。

將這些計費因子分配相應(yīng)的指標權(quán)重W，W={W1，W2，…，Wm}，Wm分別代表針對每一Nm指標的權(quán)重。其中，W=1，0≤W1，W2，…，Wm≤1，W1+W2+ …+Wm=1。基于計費因子加權(quán)的計費可表示為：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)，其他各項以此類推。

3.4 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

圖4 云計算計費系統(tǒng)部署

由于采集的指標種類繁多，展現(xiàn)方式也多種多樣，包括表格、拓撲圖、柱狀圖、餅圖等，沒有統(tǒng)一的標準。數(shù)據(jù)展現(xiàn)需要體現(xiàn)邏輯性，例如在展現(xiàn)虛擬機使用情況的同時，應(yīng)該能關(guān)聯(lián)展示與虛擬機結(jié)合使用的網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源、應(yīng)用環(huán)境等的使用情況。

計量數(shù)據(jù)需要計費劃價處理，按照相關(guān)費率以及云計算服務(wù)具體發(fā)生狀況，計算用戶的云計算服務(wù)費用，并形成詳細賬單。數(shù)據(jù)展現(xiàn)還應(yīng)該支持自定義報表、數(shù)據(jù)管理、配置費率，如更加靈活地調(diào)整資費策略、實施多層次優(yōu)惠方案，及時配合面向用戶的經(jīng)營戰(zhàn)略調(diào)整，提高服務(wù)質(zhì)量。

4 云計算計費系統(tǒng)部署

根據(jù)云計算計費系統(tǒng)構(gòu)建方案，本文以O(shè)penStack（i版本）為虛擬化管理平臺進行了系統(tǒng)部署，部署網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。其中主要節(jié)點部署的應(yīng)用包括：在控制節(jié)點部署OpenStack的Nova-API、Nova-scheduler、noVNC、Keystone、Glance、Quantum、Cinder等應(yīng)用；在計算節(jié)點部署Compute、監(jiān)控代理等應(yīng)用；在門戶節(jié)點部署Tomat應(yīng)用；在資源節(jié)點部署MySQL、rabbitMQ應(yīng)用；在MySQL數(shù)據(jù)庫部署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)段和默認網(wǎng)關(guān)。通過實際部署運行驗證了本文方案的可行性。

5 結(jié)束語

本文在分析了現(xiàn)有主流云平臺計費機制的基礎(chǔ)上，采用3層模型構(gòu)建云計算計費體系，并對各層的關(guān)鍵技術(shù)進一步細化。在數(shù)據(jù)采集方面，采用無代理結(jié)合定制化代理的方式采集計費數(shù)據(jù)，底層設(shè)置支持開源云化資源、商業(yè)化云化資源以及非云化資源。在數(shù)據(jù)存儲方面采用LVS結(jié)合Keepalive提供支持高可用的數(shù)據(jù)存儲方案，然后設(shè)計了一個基于計費因子加權(quán)的計費模型，同時考慮用戶和云服務(wù)提供商的利益。最后對計費系統(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費數(shù)據(jù)存在的大數(shù)據(jù)問題以及計費系統(tǒng)的安全問題展開進一步研究。

1 張尼，劉鏑，張云勇等.云計算安全技術(shù)與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2014

2 胡軍.云計算環(huán)境下計費系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013

3 房秉毅，張云勇，程瑩等.云計算國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析.電信科學(xué)， 2010（S1）

4 Shaikh F B，Haider S.Security threats in cloud computing.Proceedings of Internet Technology and Secured Transactions(ICITST),Abu Dhabi,2011

5 吳吉義，傅建慶,平玲娣等.一種對等結(jié)構(gòu)的云存儲系統(tǒng)研究.電子學(xué)報，2011（5）

6 劉國奇，劉慧，高宇等.一種基于效用的云計算動態(tài)資源計費策略.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2013（6）

7 黃衛(wèi)東，于瑞強.云計算環(huán)境下基于 Petri網(wǎng)的流程計費模型.北京郵電大學(xué)學(xué)報，2013（1）

8 吳俊，徐溟.公有云服務(wù)計費模式比較研究.電信科學(xué)，2012，28（1）：127～132

9 Wiki.http://en.wikipedia.org/wiki/Agentless_data_collection，2014