云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)研究綜述

李攀攀　張宏莉

摘 要：云計(jì)算以其低成本的方式提供高可靠、高可用和規(guī)模可伸縮的個(gè)性化服務(wù)等諸多優(yōu)勢(shì)得到了飛速的發(fā)展，并日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。針對(duì)云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)問題，本文綜述了最新的研究進(jìn)展，并提出了云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域未來的熱點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)；服務(wù)質(zhì)量等級(jí)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）05-

Survey on Cloud Computing Service Level Agreement Evaluation

LI Panpan， ZHANG Hongli

（School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： Cloud computing has achieved great development due to a serious of significant advantages， such as high reliability， high availability， high scalability， low cost customized service and so on. Hence， there are growing concerns about the cloud computing in academia and industry. In this paper， the recent research developments of cloud service level evaluation technologies are investigated. And then hot topics and future research trends of cloud service level evaluation are also presented.

Keywords： Cloud Computing； Service Level Evaluation； Service Level Agreement

0 引 言

云計(jì)算的概念可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)科學(xué)家約翰·麥卡錫即已提出“計(jì)算有可能在未來成為一種公共設(shè)施”的科學(xué)預(yù)言[1]。時(shí)光邁入2006年，Google則首次提出了云計(jì)算的概念。近年來，作為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)，云計(jì)算依靠其可定制服務(wù)、高度服務(wù)擴(kuò)展性、強(qiáng)大的計(jì)算能力、海量的存儲(chǔ)能力和相對(duì)低廉的價(jià)格等諸多顯著優(yōu)勢(shì)取得了迅猛的發(fā)展[1-2]，并引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。

1 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵特征

云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算和虛擬化等技術(shù)綜合發(fā)展而成的，基于互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行服務(wù)交付、自主使用的服務(wù)模式。按照服務(wù)層次，云平臺(tái)可劃分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service， IaaS），平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service， PaaS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service， SaaS）三個(gè)層次，為云用戶提供了不同程度的資源共享和服務(wù)交付模式[3]，如圖1所示。在此，針對(duì)云平臺(tái)的三個(gè)劃分層次給出如下相關(guān)的綜合論述。

（1）IaaS是最底層的云計(jì)算系統(tǒng)服務(wù)，接近物理硬件資源，是為云用戶提供的一個(gè)虛擬化資源（計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等）?；A(chǔ)設(shè)施的規(guī)?？梢园葱鑴?dòng)態(tài)變化，提供可靠性高、可定制性強(qiáng)、規(guī)?？蓴U(kuò)展的IaaS層服務(wù)，以精確地滿足云用戶的現(xiàn)實(shí)需求；

（2）PaaS是在基礎(chǔ)設(shè)施之上的平臺(tái)層，是云計(jì)算系統(tǒng)的核心層，主要包括并行程序設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境、結(jié)構(gòu)化海量數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)分布式文件系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的其它系統(tǒng)管理工具，如云計(jì)算的系統(tǒng)中資源的部署、分配、監(jiān)控管理、安全管理和分布式并發(fā)控制等。PaaS層主要為應(yīng)用程序開發(fā)者特別組織而設(shè)計(jì)，開發(fā)者不再考慮應(yīng)用運(yùn)行時(shí)所需要的資源，PaaS層已經(jīng)提供了應(yīng)用程序運(yùn)行及維護(hù)所需要的一切平臺(tái)資源；

（3）SaaS層中通常以應(yīng)用軟件以及交互接口作為服務(wù)，在瀏覽器中提供給終端用戶，因而節(jié)省了用戶的軟件部署和維護(hù)開支。

圖1 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

Fig.1 Cloud Computing Architecture

廣義上講，云計(jì)算是由分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、并行處理、效用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化和負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合所產(chǎn)生的一種商業(yè)服務(wù)模式[3]。但云計(jì)算也有著自身的關(guān)鍵性特征，分析起來可總結(jié)如下[1， 4]：

（1）資源高度虛擬化。 虛擬化是云計(jì)算平臺(tái)的核心支撐技術(shù)之一，即將各種計(jì)算及存儲(chǔ)資源充分整合和高效利用的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬化是表示計(jì)算機(jī)資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源，隱藏資源屬性和操作之間的差異，并使得云服務(wù)具有硬件無關(guān)性，且允許通過通用的方式來使用資源；

（2）動(dòng)態(tài)彈性服務(wù)。 動(dòng)態(tài)彈性服務(wù)能力是云計(jì)算的重要特性之一，而且也是保證云計(jì)算服務(wù)能否成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。云平臺(tái)管理系統(tǒng)將會(huì)系統(tǒng)整合云平臺(tái)的各種IT資源，同時(shí)使用多重負(fù)載均衡策略，即可可以根據(jù)用戶使用資源的具體情況對(duì)資源靈活的配置、增加和釋放；

（3）廣泛的網(wǎng)絡(luò)接入。 云計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，云用戶可以利用各種終端設(shè)備隨時(shí)隨地通過互聯(lián)網(wǎng)訪問云計(jì)算服務(wù)；

（4）按需付費(fèi)。按需服務(wù)并付費(fèi)是目前各類云服務(wù)中不可或缺的重要部分。對(duì)用戶而言，省去購買大量軟硬件設(shè)備以及人員開銷的費(fèi)用，而且還能根據(jù)自身業(yè)務(wù)成長的需要選擇相應(yīng)的云服務(wù)；

（5）資源可測(cè)量。云中的IT資源是可以精確測(cè)量的，一方面可以了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面可為服務(wù)計(jì)費(fèi)提供度量手段；

（6）多租戶技術(shù)。云平臺(tái)的多租戶技術(shù)將使得大量的租戶能夠共享同一堆棧的軟、硬件資源，每個(gè)租戶都能夠按需使用資源，能夠?qū)浖?wù)進(jìn)行客戶化配置，而且不影響其他租戶的使用。此外，更能提供諸如數(shù)據(jù)隔離、客戶化配置、架構(gòu)擴(kuò)展和性能定制等多重實(shí)用功能；

（7）規(guī)?；?jīng)濟(jì)。云計(jì)算平臺(tái)的規(guī)模通常較大，云服務(wù)提供商（Cloud Service Provider，CSP）可以使用多種技術(shù)來提高系統(tǒng)資源利用率從而降低使用成本，同時(shí)還可以通過通風(fēng)、制冷、供電、網(wǎng)絡(luò)接入的統(tǒng)籌規(guī)劃降低維護(hù)成本，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模化經(jīng)濟(jì)，為用戶提供價(jià)格低廉的服務(wù)。

總之，云計(jì)算是一種以提高資源利用率、降低IT設(shè)備總擁有成本為驅(qū)動(dòng)的服務(wù)模式，其核心是以虛擬化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)支撐，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)連接的各種資源統(tǒng)一進(jìn)行管理和調(diào)度，由此即構(gòu)成一個(gè)可以動(dòng)態(tài)地配置、靈活擴(kuò)展和自動(dòng)化管理的IT資源池[4]。

2 云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)的挑戰(zhàn)

云計(jì)算平臺(tái)廣泛使用的虛擬化技術(shù)、動(dòng)態(tài)資源分配等技術(shù)給服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)帶來了多方面的挑戰(zhàn)。綜合來講，主要來自三個(gè)方面：

（1）物理IT資源視圖對(duì)云用戶的不可見性。云計(jì)算廣泛使用的虛擬化技術(shù)屏蔽了云用戶對(duì)云平臺(tái)的物理硬件視圖，使得云計(jì)算服務(wù)過程和服務(wù)內(nèi)容等脫離了云用戶物理上的控制權(quán)，由此導(dǎo)致了如何確定云計(jì)算平臺(tái)是否按照約定提供可信服務(wù)就隨即成為云用戶選擇使用云計(jì)算平臺(tái)的首要考慮因素。出于經(jīng)濟(jì)利益或聲譽(yù)的考慮可知，云計(jì)算服務(wù)提供商單方面聲稱服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）可靠性并不具有充分的可觀保障度。因此，如何評(píng)測(cè)云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量便應(yīng)運(yùn)而生，成為亟待突破的重要問題，其重要性與緊迫性日益突顯。

（2）云用戶需求的多樣性。不同云平臺(tái)提供不同的服務(wù)內(nèi)容，如面向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云服務(wù)、面向高性能計(jì)算的云服務(wù)和面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用云服務(wù)等，諸多的云平臺(tái)有著不同類型的服務(wù)內(nèi)容和形式，云用戶對(duì)這些云服務(wù)均有著不同的業(yè)務(wù)需求，也就使得云服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)更要滿足用戶服務(wù)內(nèi)容多樣性需求。

（3）云用戶對(duì)服務(wù)目標(biāo)多樣性要求。云用戶應(yīng)用需求的表現(xiàn)是多方面的，例如云平臺(tái)高性能計(jì)算、安全可靠分布式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、云服務(wù)即時(shí)響應(yīng)能力的要求?；诖耍珻SP則提供了不同的云體系結(jié)構(gòu)滿足這種云用戶多樣性的需求。不同的云服務(wù)所對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量的定義在維度上往往都是各有不同的，這也就要求已經(jīng)推出的各類云服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)能夠與之相互匹配與對(duì)應(yīng)。

因此，為了更好地評(píng)估云平臺(tái)的服務(wù)質(zhì)量SLA的合規(guī)性，針對(duì)特定服務(wù)內(nèi)容以及綜合考慮各服務(wù)要素構(gòu)建SLA合規(guī)性的評(píng)測(cè)方法是具有客觀的現(xiàn)實(shí)必要性及重要性的。

3 云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量評(píng)測(cè)技術(shù)研究新進(jìn)展

云平臺(tái)資源使用度量是從云用戶或第三方的角度來進(jìn)行評(píng)估云平臺(tái)資源服務(wù)能力的實(shí)效評(píng)估，到目前已有眾多的代表性研究成果，歸納起來主要有以下三類，現(xiàn)分別對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)闡述和介紹。

3.1 資源服務(wù)能力監(jiān)控與度量

云平臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，資源服務(wù)能力的監(jiān)控與度量是服務(wù)質(zhì)量SLA評(píng)估的基礎(chǔ)。GMonE[5]是一個(gè)層次化的云平臺(tái)監(jiān)控架構(gòu)，GMonE使用并定義了云監(jiān)控等級(jí)和云監(jiān)控視圖這兩個(gè)核心指標(biāo)對(duì)云平臺(tái)的監(jiān)控方案進(jìn)行甄別分類。文獻(xiàn)[6]提出了面向云用戶的自適應(yīng)模塊化監(jiān)控方案，監(jiān)控設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需求擴(kuò)展現(xiàn)有模塊，設(shè)計(jì)可視化視圖，以滿足不同云用戶個(gè)性化的資源監(jiān)控需求。RMCM[7]是云平臺(tái)運(yùn)行時(shí)環(huán)境高靈活的可擴(kuò)展性服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)，RMCM系統(tǒng)綜合利用本地資源監(jiān)控庫、JVM Agent、事件攔截器、JMX（Java Management Extensions）技術(shù)、服務(wù)取證等技術(shù)抓取云平臺(tái)系統(tǒng)中的原始監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量的事后分析。SmartSLA[8]是面向計(jì)算密集型虛擬資源管理系統(tǒng)，主要包含系統(tǒng)建模模塊和資源分配模塊兩個(gè)單元，系統(tǒng)建模模塊是個(gè)學(xué)習(xí)模型，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)每個(gè)云用戶在不同資源分配情況下的SLA懲罰成本，資源分配模塊通過權(quán)衡潛在的SLA懲罰成本和基礎(chǔ)設(shè)施成本進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配。

靈活、可靠地檢測(cè)云平臺(tái)的服務(wù)質(zhì)量也是目前云平臺(tái)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究熱點(diǎn)之一。MELA[9]是云平臺(tái)彈性化服務(wù)的建模和分析方案，MELA允許云服務(wù)開發(fā)者使用特定接口獲取云彈性服務(wù)一些關(guān)鍵特征的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過聚合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)云計(jì)算的彈性服務(wù)能力的參數(shù)進(jìn)行分析以評(píng)估云服務(wù)質(zhì)量。MonPaaS系統(tǒng)[10]分別從CSP資源視角和云用戶資源視角兩個(gè)維度對(duì)IT資源進(jìn)行度量，并允許云用戶靈活、具體地自定義監(jiān)控指標(biāo)和監(jiān)控方案。

3.2基于可信第三方的服務(wù)質(zhì)量評(píng)估

可信第三方擁有較高的資源訪問權(quán)限，能有效地解決CSP和云用戶權(quán)利不對(duì)等所引發(fā)的評(píng)測(cè)結(jié)果不可靠等問題。DMI（Dynamic Monitoring Interval）是一個(gè)輕量級(jí)的云服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控方案[11]，服務(wù)質(zhì)量SLA描述方案保存于可信方，部署在云平臺(tái)內(nèi)部的監(jiān)控引擎自主采集云平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境相關(guān)信息，并由可信方根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則分析監(jiān)控信息，以評(píng)估云服務(wù)質(zhì)量SLA的合規(guī)性。CASViD[12]是適用于云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用層的一個(gè)高效監(jiān)控和SLA違約檢測(cè)框架，其核心組件是一個(gè)應(yīng)用級(jí)的監(jiān)視器，監(jiān)視器通過采集云用戶的應(yīng)用在云平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)環(huán)境的資源消耗參數(shù)和性能，來判斷云平臺(tái)是否滿足SLA的要求。面向云平臺(tái)特定服務(wù)內(nèi)容SLA合規(guī)性評(píng)估研究中，Houlihan等人[13]的方案中則由可信第三方使用一個(gè)CPU密集型測(cè)試用例，隨機(jī)檢測(cè)CSP的CPU的性能是否符合SLA的約定。CSP對(duì)云平臺(tái)的IT資源擁有絕對(duì)控制權(quán)，對(duì)CPU服務(wù)能力的檢測(cè)就不應(yīng)被CSP所感知，以阻止CSP進(jìn)行有目的性的防檢測(cè)，為此，Huang等人[14]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出一個(gè)輕量級(jí)的隨機(jī)CPU資源耗盡策略評(píng)估CPU服務(wù)能力的SLA合規(guī)性，因而有效地避免了CSP有目的性的反評(píng)估。

3.3 服務(wù)SLA建模語言

在傳統(tǒng)研究領(lǐng)域中，已出現(xiàn)一些SLA描述的語言模型，如WSLA[15]，WS-Agreement[16]，其中，WSLA是由IBM統(tǒng)一研發(fā)，可用來定義和監(jiān)控Web服務(wù)SLAs機(jī)器可讀格式的規(guī)范，并包含SLA的擔(dān)保和約束的相關(guān)定義，WSLA是一個(gè)SLA驅(qū)動(dòng)的Web生命周期管理框架。同樣，WS-Agreement也是最重要的規(guī)范之一，提供了定義服務(wù)供求雙方服務(wù)協(xié)調(diào)以及管理SLA的相關(guān)協(xié)議。其它的SLA定義的規(guī)范，諸如SLAng[17]和WSOL[18]都是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language， XML）定義的面向Web服務(wù)的QoS約束機(jī)制的規(guī)范，其與Web服務(wù)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)緊密相關(guān)，但與上述方法類似，這兩個(gè)規(guī)范僅僅定義了服務(wù)質(zhì)量的建模方法，卻未涉及服務(wù)生命周期管理及SLA評(píng)估。除以上的重點(diǎn)推介外，時(shí)下學(xué)界還已研發(fā)有基于RuleML規(guī)則建模語言拓展而成的RBSLA[19]SLA建模語言。

綜上可知，SLA描述方法也是云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量SLA評(píng)估的重要研究領(lǐng)域。云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量SLA評(píng)估領(lǐng)域誕生之初主要側(cè)重于SLA協(xié)商與監(jiān)控的方法研究，如WS-Policy[20]、WS-Negotiation[21]、SWRL[22]和CSLA[23]等。Garcia等人[24]開啟了對(duì)云服務(wù)進(jìn)行通用的規(guī)范化表示方法的設(shè)計(jì)研究進(jìn)程，使用WS-Agreemen規(guī)范對(duì)服務(wù)過程中SLA各要素實(shí)施統(tǒng)一管理，并且，SLA合成算法又全面整合了服務(wù)過程中各服務(wù)要素的SLA描述碎片，由此構(gòu)建了SLA驅(qū)動(dòng)的云平臺(tái)架構(gòu)。類似的研究方案還有，SLA感知即服務(wù)（SLA-aware as a Service. SLAaaS， SLAaaS）的云模型[23]將有效的SLA描述機(jī)制融入到面向QoS的云服務(wù)中，通過云服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Cloud Service Level Agreement，CSLA）語言定義了SLA以及處理SLA的違規(guī)案例。另一突出成果就是：文獻(xiàn)[25]提出了一個(gè)基于SLA的按需服務(wù)虛擬化服務(wù)提供方案，首次嘗試將基于SLA的資源協(xié)商虛擬機(jī)用于提供按需服務(wù)，而且又一并提出了SLA感知的云計(jì)算系統(tǒng)。

還有一些方案則是從SLA協(xié)商、建立、監(jiān)測(cè)、評(píng)估等生命周期內(nèi)的關(guān)鍵步驟管理入手，來相應(yīng)評(píng)估服務(wù)質(zhì)量SLA的合規(guī)性。在此，給出重點(diǎn)研究成果，即如，F(xiàn)arokhi在文獻(xiàn)[26]中提出面向多云計(jì)算環(huán)境的服務(wù)分配框架，主要包含三個(gè)階段，分別是：SLA協(xié)商建設(shè)、服務(wù)選擇和違反SLA監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，該模型更多地是從交付的角度對(duì)多云平臺(tái)的SLA合規(guī)性實(shí)現(xiàn)評(píng)測(cè)，具體就是在SLA合規(guī)性的約束下，利用最優(yōu)化算法將服務(wù)均衡地分配到不同的云基礎(chǔ)設(shè)施上，因而在獲取CSP經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時(shí)，也保證了云用戶的SLA合規(guī)性。CSP使用公共SLA模板時(shí)，若發(fā)布一個(gè)新的SLA模板，那么就必須按照一定的預(yù)設(shè)規(guī)則映射到所有的公共SLA模板上。與此同時(shí)，還有一些面向多云環(huán)境的服務(wù)質(zhì)量SLA評(píng)測(cè)也頗受各方關(guān)注。在云平臺(tái)的多用戶應(yīng)用環(huán)境中，不同云用戶的不同業(yè)務(wù)流程中，也往往約定著不同的服務(wù)等級(jí)目標(biāo)，最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要確保多SLA模板參數(shù)的一致性，同時(shí)也支持動(dòng)態(tài)SLA協(xié)商、多層次SLA檢測(cè)等。為了解決這一問題，能夠支持云間相互遷移的SLA模板[27]設(shè)計(jì)方案便應(yīng)運(yùn)而生，從而在多云平臺(tái)環(huán)境下擴(kuò)展了SLA規(guī)范的描述方式。

4 結(jié)束語

云計(jì)算可信服務(wù)SLA和云計(jì)算可信服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，導(dǎo)致可信服務(wù)測(cè)評(píng)的支撐點(diǎn)要素缺乏廣泛的認(rèn)可。服務(wù)評(píng)測(cè)技術(shù)指標(biāo)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，現(xiàn)在云計(jì)算可信服務(wù)評(píng)測(cè)技術(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種技術(shù)和手段對(duì)評(píng)測(cè)技術(shù)的可用性、有效性等指標(biāo)的認(rèn)定相互孤立，不同的技術(shù)和手段之間缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)去對(duì)比或量化優(yōu)劣。因此，建立一個(gè)多技術(shù)手段，相互協(xié)同的云計(jì)算SLA評(píng)測(cè)體系即已成為未來研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

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