基于排隊論的虛擬資源共享模式安全性研究

方 圓，李 明，王 萍

（國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司安徽合肥230001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡用戶規(guī)模及其帶動的數(shù)據(jù)資源業(yè)務規(guī)模在不斷擴大[1-3]。虛擬資源作為連接數(shù)據(jù)庫的程序編程語言而成的信息資源，在互聯(lián)網(wǎng)金融價值中具有重要的意義[4]，其價值的可利用性使得虛擬資源安全管理成為共享模式的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。由于虛擬資源集成了跨區(qū)域的共享物理網(wǎng)絡資源[6]，建立高效并安全可靠的共享虛擬資源平臺日漸成為資源分配機制所面臨的挑戰(zhàn)。本研究以三段式共享模式為主線，從資源的使用過程到分享過程分析了共享云系統(tǒng)、用戶和共享虛擬資源三者之間的邏輯關(guān)系。用戶閑置資源搭建共享使用權(quán)來提高資源的使用率，通過建立共享模式下的服務性能指標構(gòu)造出滿足虛擬資源共享排隊模型，該模型重點分析了用戶資源請求率到虛擬資源輸出過程中的排隊請求緩沖池參數(shù)對服務性能的影響。

1 虛擬資源共享建模

1.1 系統(tǒng)建模

目前關(guān)于排隊論的虛擬資源主流共享模式可分為兩種類型，一種是三段式結(jié)構(gòu)[7]，另外一種是P2P結(jié)構(gòu)[8]。虛擬資源主流共享模式中的P2P模式中，節(jié)點同節(jié)點之間是相互等價的，節(jié)點可以同時作為虛擬資源共享的提供者，也可以作為被共享虛擬資源的使用者。虛擬資源主流共享模式中的三段式結(jié)構(gòu)模式中，可以將節(jié)點視為虛擬資源發(fā)布的客戶端，服務端口，接收資源訂閱端口等。從整體的結(jié)構(gòu)來看，P2P實際上是三段式框架結(jié)構(gòu)的一種特殊的形式。因此我們在構(gòu)建關(guān)于虛擬資源共享模式的同時還需要著重借鑒經(jīng)典的三段式結(jié)構(gòu)。在虛擬資源的共享結(jié)構(gòu)中最為主要的步驟可分為兩個部分，主要為共享虛擬資源的使用過程以及共享虛擬資源的分享過程。關(guān)于虛擬資源共享模式的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬資源共享模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 共享模式

在虛擬資源共享模式下，可以將整個共享的系統(tǒng)劃分為4個部分，即包括虛擬共享資源的云端系統(tǒng)，共享的虛擬資源，接收共享資源并使用服務的用戶，主動提供虛擬資源共享的資源提供方[9]，虛擬共享資源的云端系統(tǒng)負責的主要是對用戶的數(shù)據(jù)請求以及共享的資源調(diào)度問題進行處理，用戶可以通過虛擬共享資源的云端系統(tǒng)實現(xiàn)對于服務的貢獻與請求[10]。當存在一方的用戶出現(xiàn)資源閑置時，可以通過虛擬資源共享的方式實現(xiàn)資源的利用率的提高，與此同時創(chuàng)造的價值以及共享資源的總量都會提高，共享模式響應流程如圖2所示。

圖2 共享模式響應流程

2 共享模式排隊論

2.1 排隊論性能指標

從排隊論的理論上來說，關(guān)于虛擬資源共享模式的研究，可以歸結(jié)于對于其模式性能的分析與研究，用戶在這種模式中通過利用共享的虛擬資源實現(xiàn)整個享受服務的過程，在這個過程中用戶需要排隊，在整個享受服務的過程中實際是接受共享的資源，在這樣的過程中，用戶體驗到的服務越多，共享出的服務即資源也會越多，因此可以講排隊享受共享虛擬資源的過程視作一個服務端口的數(shù)量按照某種特定的規(guī)律實現(xiàn)穩(wěn)定增長的排隊論問題[11]。而在物質(zhì)資源共享的情況下，有時會還會因為地域差異而存在一定的分群化現(xiàn)象。在排隊論中也存在一些性能指標，下面將加以說明：

1）繁忙率，即系統(tǒng)繁忙的概率?？衫眉磿r處理的請求服務數(shù)量與客戶發(fā)起的總請求數(shù)之比來表示[12]，繁忙率能夠表示有效服務的效率，當繁忙率過高時，則會出現(xiàn)系統(tǒng)有效服務率效率較低的情況，造成未被服務的客戶流失。

2）隊長，指系統(tǒng)中由客戶發(fā)出的請求緩沖池的平均等待數(shù)量[13]，隊長的指標主要用于衡量客戶請求及時處理效率的重要指標。

3）時長，即系統(tǒng)中由客戶發(fā)出的請求需要等待處理的平均等待時長。

4）損失率，即用戶發(fā)出的服務請求超出請求緩沖池的大小的數(shù)量與總用戶數(shù)量之比[14]，主要用于衡量系統(tǒng)的有效服務性。

為了更直觀的表現(xiàn)共享模式下的服務性指標，具體的參數(shù)符號如表1所示。

表1 參數(shù)符號

2.2 共享模式理論

關(guān)于排隊論下的虛擬性資源共享模式理論模型如下圖所示，客戶的請求以到達率λ的指數(shù)分布到達，設定系統(tǒng)的請求緩沖池容量為N，在客戶完成服務接收資源后，則會出現(xiàn)一定比例的用戶貢獻資源，使得整體的服務資源呈現(xiàn)出動態(tài)增加的態(tài)勢。這與往常的排隊論模型以及云計算資源池模型[15]是不同的，傳統(tǒng)的模型中共享資源的數(shù)量是既定的，并不會共享情景的變化而變化，不能很好的貼近現(xiàn)實生活中的共享資源實際情況。共享資源模式的模型如圖3所示。

3 實驗結(jié)果

圖3 虛擬資源共享模式循環(huán)流程

通過對排隊論的介紹，本文將對排隊的過程進行模擬。本文所介紹的虛擬資源排隊共享的模型盡管是一個動態(tài)的模型，但參照來源于排隊論的模型，同時還需要對排隊論中的指標性能進行評價。相對每一次模擬得到的指標都只是一次性模擬的排隊過程，客戶的抵達時間節(jié)點以及資源利用狀況都存在一定的隨機性，因此每次模擬的輸出結(jié)果都會存在一定的隨機性，由此會產(chǎn)生一定的差別。為了使研究的結(jié)果更加精確，本文將分情況對每種情況下的排隊過程進行了模擬，并對輸出指標的均值輸出結(jié)果加以分析。對排隊過程模擬后得出的各項指標仿真1 000次后的均值如表2所示。

表2 共享模式仿真均值

由表2可見，每個客戶的抵達時間階段呈現(xiàn)平穩(wěn)增加的趨勢即基本滿足負指數(shù)分布；另外，在共享資源系統(tǒng)運行的前期，用于共享的資源總數(shù)較少，而用戶的逐漸到達之后，客戶的等待時長以及逗留時長同系統(tǒng)內(nèi)排隊總?cè)藬?shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，同時還存在等待人數(shù)過多造成的用戶流失現(xiàn)象。參與到共享系統(tǒng)的客戶越多，客戶分享的資源也在不斷的增加，共享系統(tǒng)內(nèi)的資源不斷上升最后趨于穩(wěn)定，而后整個系統(tǒng)趨于改善，排隊的逗留的總?cè)藬?shù)也越來越少，系統(tǒng)的服務效率也得以不斷提高。

同樣根據(jù)表2的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)內(nèi)客戶總數(shù)持續(xù)增加時，服務網(wǎng)絡的服務效率以及服務能力都得到了改善，即在虛擬資源共享率以及客戶到達率等前提條件不變的情況下，隨著抵達用戶數(shù)量的增加，虛擬資源共享系統(tǒng)的性能會逐漸得到改善；

2）系統(tǒng)內(nèi)客戶抵達率不斷增大時，整個共享系統(tǒng)的運作效率都在下降，服務效率以及服務能力都存在明顯變差的情況，這與傳統(tǒng)的排隊模型類似；

3）系統(tǒng)內(nèi)客戶的共享率逐漸增大時，服務效率以及服務能力都存在明顯改善，客戶的共享率增加使得系統(tǒng)內(nèi)的資源增長速度加快，共享系統(tǒng)的服務能力以及效率迅速改善；

4）當客戶的數(shù)量以及用戶的抵達率等指標出現(xiàn)等比例增加的情況時，即仿真次數(shù)足夠多，整個共享系統(tǒng)的運作效率都在下降，服務效率以及服務能力均變差，客戶流失率增長的尤為明顯。在客戶到達率很高的情況下，資源短缺會造成用戶大量流失。

5）當系統(tǒng)的起始階段增加資源投入時，共享資源系統(tǒng)的服務能力及效率明顯改善，也就這說明在資源得到足夠保障時，能夠促進用戶的體驗，提供更好的服務，從而促進良性循環(huán)，進而改善系統(tǒng)性能。

4 結(jié) 論

本研究給出了共享模式下的虛擬資源從用戶請求到資源輸出的安全性系統(tǒng)設計，該設計利用排隊理論分析了共享模式性能指標，通過調(diào)整參數(shù)型輸入得到不同情況下的服務型輸出。結(jié)合共享云系統(tǒng)、用戶和共享虛擬資源三者之間的邏輯關(guān)系，可保證了共享模式響應流程的安全性。實驗仿真結(jié)果表明，采用排隊論的方式可準確的模擬用戶實際操作與虛擬資源輸出之間的情形，對虛擬資源共享模式的安全性得到了一些具有參考性結(jié)論。下一步研究將從虛擬資源安全性研究方法拓展到信息資源的存儲以及傳輸?shù)雀鼜碗s的網(wǎng)絡過程。

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