云計算多租戶體系構(gòu)架技術(shù)的探討

張文山　吳煥斌　李天偉　丁麗萍（.廣東科學(xué)中心，廣東廣州　50006；.廣州中國科學(xué)院軟件應(yīng)用技術(shù)研究所，廣東廣州　5400）

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云計算多租戶體系構(gòu)架技術(shù)的探討

張文山1吳煥斌1李天偉1丁麗萍2
（1.廣東科學(xué)中心，廣東廣州510006；2.廣州中國科學(xué)院軟件應(yīng)用技術(shù)研究所，廣東廣州511400）

【摘 要】互聯(lián)網(wǎng)下云計算多租戶體系架構(gòu)有多種實現(xiàn)方式，每種實現(xiàn)方式都有其優(yōu)缺點，通過對文獻(xiàn)研究、開源項目、科研課題研究，和基于構(gòu)件的開發(fā)方法和經(jīng)典構(gòu)件模型的研究，針對多租戶容器平臺與業(yè)務(wù)平臺中的關(guān)鍵技術(shù)問題開展相關(guān)研究，對多租戶個性化定制、多租戶性能隔離、多租戶信息管理技術(shù)、統(tǒng)一權(quán)限控制、數(shù)據(jù)庫隔離及路由等關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行探討研究，解決其中的技術(shù)難點，突破技術(shù)的瓶頸。

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)軟件服務(wù)技術(shù)研究

1　關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1面向研發(fā)管理領(lǐng)域的構(gòu)件模型

COM/DCOM、COBRA、.NET Assembly、EJB等經(jīng)典構(gòu)件模型都是針對通用領(lǐng)域進(jìn)行定義的，一方面能夠適應(yīng)所有的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，另一方面對于特定的領(lǐng)域需要將進(jìn)行進(jìn)一步的領(lǐng)域化處理。為解決軟件危機(jī)，軟件工程提出并發(fā)展了40多年，針對軟件研發(fā)管理已經(jīng)形成一系列的標(biāo)準(zhǔn)、理論、方法、理念，其中的業(yè)務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)相對穩(wěn)定了，因此可以針對該領(lǐng)域建立領(lǐng)域特定的構(gòu)件模型。該構(gòu)件模型中將包含預(yù)定義的業(yè)務(wù)領(lǐng)域活動、行為、數(shù)據(jù)等，比如需求管理領(lǐng)域中需求項?；谶@些預(yù)定義業(yè)務(wù)元素，能夠進(jìn)一步提高基于構(gòu)件的設(shè)計和開發(fā)的效率，降低缺陷率。因此，面向研發(fā)管理領(lǐng)域的構(gòu)件模型技術(shù)的攻關(guān)將是軟件服務(wù)管理平臺技術(shù)的關(guān)鍵。

1.2多租戶統(tǒng)一權(quán)限控制

研發(fā)管理平臺業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜，涉及到多個部署構(gòu)件、多個系統(tǒng)模塊、多種用戶角色交互等，需要對系統(tǒng)用戶從鏈接、菜單、方法、數(shù)據(jù)等層次來提供立體的全方位訪問控制，保證系統(tǒng)的安全性。在幾種控制對象中，數(shù)據(jù)的控制是最困難的，也是最重要的，其本質(zhì)原因是因為對數(shù)據(jù)的權(quán)限控制在很大程度上是業(yè)務(wù)邏輯的體現(xiàn)，而業(yè)務(wù)邏輯是很難有一個統(tǒng)一的方式來進(jìn)行描述和控制的。因此，如何提取一種統(tǒng)一的模型來對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行控制就是要解決的關(guān)鍵技術(shù)點。統(tǒng)一權(quán)限模型的建立，將對系統(tǒng)提供全面的防護(hù)措施，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)的訪問。

1.3基于Qos的請求分配與資源調(diào)度技術(shù)

采用高資源共享度的云計算軟件服務(wù)模式提高了資源的利用率，降低了系統(tǒng)的運維成本，但是當(dāng)系統(tǒng)的并發(fā)訪問量增大時，就必須采取一種措施來保證高服務(wù)級別（SLA）租戶的訪問順暢執(zhí)行，同時進(jìn)行計算資源的橫向擴(kuò)展，來保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2　管理平臺的技術(shù)路線分析

基于云計算軟件服務(wù)模式的管理平臺的技術(shù)路線可初步分為：技術(shù)調(diào)研與選型、關(guān)鍵技術(shù)研究、架構(gòu)設(shè)計、測試驅(qū)動開發(fā)、系統(tǒng)測試、部署實施等環(huán)節(jié)，如圖1。

3　軟件服務(wù)的隔離模式選型

多租戶模式的一個關(guān)鍵技術(shù)是提供對不同租戶請求訪問的隔離。隔離分為物理級別的隔離、虛擬機(jī)級別的隔離和應(yīng)用級別的隔離。

物理級別的隔離方式表現(xiàn)為一對一模式，即一個單獨的應(yīng)用實例對應(yīng)一個單獨的租戶，能夠很容易的滿足每個租戶的個性化需求，同時每個租戶的應(yīng)用和數(shù)據(jù)存儲都是物理隔離的，每個租戶都獨自擁有計算和存儲物理資源。這種隔離方式使得租戶彼此之間基本不會產(chǎn)生相互影響，具有較高的安全性，是多租戶的三種實現(xiàn)方式中隔離級別最高的。但是在這種模式下，應(yīng)用開發(fā)商投入的軟件開發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)、實施等成本和硬件成本比較高，軟硬件的共享性相應(yīng)的也是多租戶技術(shù)實現(xiàn)的三種方式中最低的。傳統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)提供商（Application Service Provider， ASP）就是這種隔離方式。

虛擬機(jī)級別的隔離方式是指通過虛擬機(jī)技術(shù)共享各種物理資源，即利用虛擬機(jī)模擬物理機(jī)器，在模擬的物理機(jī)中滿足租戶的個性化需求，提供租戶間的邏輯隔離。這種方式下，租戶間的隔離性就相對降低了，但是資源的共享利用率相對來說有所提高，同一臺物理機(jī)器可能對應(yīng)多個虛擬機(jī)同時可以支持多個租戶，支持的租戶數(shù)量有所增加。目前國內(nèi)的大多數(shù)SaaS服務(wù)提供商都是采用這種模式，比如國云在線、風(fēng)云在線、品高云在線等。

應(yīng)用級別的隔離方式表示為單實例多租戶模式，即通過共享一個應(yīng)用實例，為多個租戶提供服務(wù)。應(yīng)用實例通過應(yīng)用程序級的租戶定制方式滿足租戶的個性化需求，并通過多租戶的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計、性能隔離等方式，使所有租戶能夠共享存儲系統(tǒng)和硬件設(shè)備資源，從邏輯上實現(xiàn)租戶的隔離。在這種模式下，資源的共享程度達(dá)到了最高，軟件和硬件的成本下降。Saleforce的Force.com平臺就是采用這種應(yīng)用級別的隔離方式，實現(xiàn)了資源的最大程度共享，獲取了更高的利潤，但是背后的技術(shù)卻更加復(fù)雜。

綜上所述，應(yīng)用級別的多租戶模式的資源共享度最高，這使得采用該種方式能夠帶來更大的利潤。與此同時隔離性低帶來的相關(guān)需要突破的技術(shù)問題，包括多租戶基礎(chǔ)管理、應(yīng)用實例的個性化定制、多租戶統(tǒng)一權(quán)限控制和性能隔離技術(shù)等。

4　研發(fā)管理領(lǐng)域業(yè)務(wù)分析與架構(gòu)設(shè)計

4.1業(yè)務(wù)流程分析

項目管理是最核心最基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)模塊。根據(jù)Qone的實際業(yè)務(wù)積累和CMMI標(biāo)準(zhǔn)過程域，將其分為售前管理、項目啟動、項目初始化等六個關(guān)鍵活動，覆蓋項目研發(fā)中的主要流程和主要參與角色。資源管理不屬于CMMI的過程域，但是在Qone的實際業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)，對于中大型軟件企業(yè)，人員的計劃、監(jiān)控、高層統(tǒng)計等業(yè)務(wù)需求是廣泛存在的。因此，資源管理也作為一個關(guān)鍵的業(yè)務(wù)模塊。其核心管理涉及到三個方面，包括人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)、資源計劃與變更、資源分析及成本統(tǒng)計。

需求管理是CMMI 3級的標(biāo)準(zhǔn)過程域，對需求管理的成功與否在很大程度上也決定了項目的成功與否。需求樹中包含需求項的集合，可以將一部分需求項生成快照編程需求基線，需求基線是軟件設(shè)計、開發(fā)、測試的基礎(chǔ)。需求之間以及需求與任務(wù)和工作產(chǎn)品之間需要建立需求跟蹤矩陣，用來驗證需求是否已經(jīng)實現(xiàn)，以及控制需求變更。

4.2領(lǐng)域內(nèi)模塊間依賴設(shè)計

從以上流程可以看出項目管理是核心模塊，資源管理與需求管理都需要與其交互。從架構(gòu)設(shè)計的角度來說，希望能夠?qū)崿F(xiàn)各業(yè)務(wù)模塊的分離，又能實現(xiàn)各業(yè)務(wù)模塊的集成，以及與外部的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成，因此需要實現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)構(gòu)件的協(xié)作交互機(jī)制。該機(jī)制將根據(jù)構(gòu)件模型的定義，從領(lǐng)域?qū)印I層、服務(wù)層來進(jìn)行拆分。

領(lǐng)域的內(nèi)聚性使得很難將一些功能和模塊進(jìn)行拆分，比如項目計劃與用戶報工模塊。這是因為用戶報工主要就是針對制定的項目計劃而進(jìn)行的，它們在概念上就存在依賴關(guān)系。如果按照面向服務(wù)的方式將其拆開，將會導(dǎo)致功能執(zhí)行效率的降低。因此，內(nèi)部模塊的協(xié)作一般不采用松耦合服務(wù)調(diào)用的方式，而是在實體中直接引用。比如項目管理與售前管理有關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是由于外部項目需要與售前的活動進(jìn)行關(guān)聯(lián)。但是對于內(nèi)部項目來說，是不需要知道售前活動的。因此，項目管理模塊可以拆分為外部項目管理和內(nèi)部項目管理兩部分，涉及到售前的外部項目信息需要提取出來作為新的構(gòu)件，該構(gòu)件依賴于項目管理核心構(gòu)件與售前管理構(gòu)件。當(dāng)不需要外部項目管理功能時，則不加載外部項目管理構(gòu)件即可實現(xiàn)；當(dāng)需要外部項目管理功能時，只需要加載外部項目管理構(gòu)件與售前管理構(gòu)件。

4.3與外部系統(tǒng)依賴設(shè)計

與第三方外部系統(tǒng)之間的協(xié)作需要采用面向服務(wù)的方式進(jìn)行，通過領(lǐng)域特定的接口服務(wù)進(jìn)行交互。與社會化服務(wù)的交互主要是體現(xiàn)在用戶信息和工作內(nèi)容的實時交互上。研發(fā)管理平臺與OpenId方案進(jìn)行集成，可以實現(xiàn)社會化服務(wù)中的用戶登陸。在平臺中產(chǎn)生的工作進(jìn)展、工作總結(jié)、疑問等內(nèi)容可以輸出到微博等服務(wù)，同時相關(guān)的研發(fā)管理的內(nèi)容可以推送到平臺。

5　平臺的創(chuàng)新點

5.1領(lǐng)域特定的構(gòu)件模型

經(jīng)典的COM/DCOM、COBRA、NET Assembly、EJB等構(gòu)件模型是通用的模型，沒有領(lǐng)域針對性。本項目中提出了面向領(lǐng)域的構(gòu)件模型，采用領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計思想進(jìn)行了構(gòu)件模型的類型、層次、粒度等的定義，并且對研發(fā)管理領(lǐng)域中的核心概念采用構(gòu)件的方式進(jìn)行了領(lǐng)域封裝，形成了領(lǐng)域特定的構(gòu)件模型（Domain specific component model）。

5.2微內(nèi)核的多租戶容器構(gòu)件架構(gòu)

多租戶容器借鑒了操作系統(tǒng)中的微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想，形成了以core構(gòu)件為核心的容器系統(tǒng)。這種架構(gòu)設(shè)計使得能夠任意的更換和組裝內(nèi)核之外的構(gòu)件，形成具有不同功能的容器。比如將其中Tenant多租戶構(gòu)件去除，在其中運行的應(yīng)用系統(tǒng)就不具有多租戶的能力。

5.3廣泛的協(xié)作集成

基于面向研發(fā)管理領(lǐng)域的構(gòu)件模型，對領(lǐng)域內(nèi)構(gòu)件的集成以及與外部系統(tǒng)的協(xié)作進(jìn)行了定義。通過在平臺中進(jìn)行業(yè)務(wù)擴(kuò)展點和服務(wù)的開發(fā)接口，從而能夠支持與其他模塊、系統(tǒng)和服務(wù)的協(xié)作集成。

5.4基于Qos的多租戶性能隔離

針對多租戶高并發(fā)訪問的情況，提出了相應(yīng)的機(jī)制和算法，對訪問請求進(jìn)行了調(diào)度，同時引入了資源橫向擴(kuò)展的方式，實現(xiàn)了對多租戶性能的隔離，保證了整個系統(tǒng)的可用性。

6　結(jié)語

利用云計算技術(shù)搭建的多租戶體系架構(gòu)，獲取軟件研發(fā)管理應(yīng)用的多租戶支持，負(fù)載處理動態(tài)能力將得到很大的提升。平臺若部署5個租戶，每個租戶系統(tǒng)可并發(fā)訪問100人，初始并發(fā)訪問人數(shù)為20人，數(shù)據(jù)總量為20萬條，每增加20人并發(fā)訪問，負(fù)載處理響應(yīng)時間在2-5秒。

基于云計算技術(shù)實現(xiàn)多租戶體系構(gòu)架研發(fā)管理平臺的高度可定制性、可配置性等特性，根據(jù)自己的需要修改系統(tǒng)已有表單的布局，增刪表單中的字段，提交完成的表單具熱部署能力。當(dāng)多個租戶用戶的訪問請求造成資源緊張時，將自動啟動基于Qos性能隔離，使得整個系統(tǒng)能夠持續(xù)可用。能夠通過多租戶容器的Tenant構(gòu)件的加載與否，決定整個平臺是否采用多租戶的服務(wù)模式。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：此項目來源于廣東省省級科技計劃項目，廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作專項資金競爭性分配項目，編號2013B091300007，文件編號：粵科規(guī)財字［2014］211號，作者均為項目主要成員。