基于云計算和面向服務(wù)架構(gòu)的混合電子政務(wù)框架

張 華

（陜西省委黨校陜西行政學(xué)院，西安710068）

信息和通信技術(shù)（ICT）的增長對社會提供服務(wù)的方式產(chǎn)生了重大影響。由于廣大人民群眾的互聯(lián)網(wǎng)意識在不斷發(fā)展，在線公共服務(wù)需求迅速增長。電子政務(wù)已被用于簡化和促進(jìn)政府的運(yùn)作，方便群眾使用重要改革舉措［1，2］。諸多研究表明［3，4］，電子政務(wù)不僅可以提高公共行政的效率，而且可以提高公共管理的效率，例如增加透明度、減少行政腐敗、改善服務(wù)、增強(qiáng)公民權(quán)能和改善政府財政。電子政務(wù)項(xiàng)目也面臨許多困難和瓶頸，包括人力資源、基礎(chǔ)設(shè)施成本、適應(yīng)新技術(shù)的可擴(kuò)展性以及提供服務(wù)的透明方式，部分問題可以通過應(yīng)用面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）來解決。

云計算和SOA是共存、互補(bǔ)和相互支持的，SOA是一種架構(gòu)模式，可指導(dǎo)業(yè)務(wù)解決方案創(chuàng)建、組織和重用其計算組件，而云計算是一組使能技術(shù)，可為企業(yè)構(gòu)建SOA解決方案，提供更大、更靈活的平臺。本研究提出了一種基于云計算和面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的電子政務(wù)體系結(jié)構(gòu)，使公民能不受時間和地域的限制，輕松、高效地獲得政府服務(wù)。

1 方法論

1.1 云計算

云計算是分布式計算的一種，指的是通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解成無數(shù)個小程序［5，6］，然后，通過多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，并將小程序得到的結(jié)果返回給用戶。云計算的核心概念就是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，在網(wǎng)站上提供快速且安全的云計算服務(wù)與數(shù)據(jù)存儲［7，8］，讓每一個用戶都可以使用網(wǎng)絡(luò)上龐大的計算資源與數(shù)據(jù)中心。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院將云計算定義為一種模型，用于使人們能方便快捷地訪問網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序，而通用的可配置計算資源集（例如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲和應(yīng)用程序）幾乎不會對其產(chǎn)生干擾。云計算的5個關(guān)鍵特征是按需自助服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)訪問、資源池、可伸縮性和測量服務(wù)。

在云計算中，多組織用戶管理意味著可以輕松地在大量用戶中共享資源和成本［9，10］。其特點(diǎn)為：①將基礎(chǔ)設(shè)施集中在成本較低的位置；②峰值負(fù)荷容量上升；③對于利用率通常僅為10%～20%的系統(tǒng)，其利用率和效率都有所提高。

1.2 面向服務(wù)的架構(gòu)

面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）的概念是通過將大問題劃分為解決特定問題的較小服務(wù)集來實(shí)現(xiàn)的。SOA是一種設(shè)計模式，它由松散耦合的、可發(fā)現(xiàn)的、可重用的服務(wù)組成，其中每個服務(wù)都遵循明確定義的標(biāo)準(zhǔn)。每個服務(wù)都可以根據(jù)需要在任何時候綁定或解除綁定。SOA的主要思想是將應(yīng)用程序的功能作為服務(wù)提供，并允許一種簡單的機(jī)制通過Web基礎(chǔ)設(shè)施訪問此服務(wù)。典型的SOA如圖1所示。

圖1 典型的面向服務(wù)架構(gòu)

SOA和云計算是互補(bǔ)的活動，兩者都將在電子政務(wù)的IT規(guī)劃中扮演重要角色［11，12］。云計算和SOA可以獨(dú)立進(jìn)行，也可以同時進(jìn)行，其中云計算的平臺和存儲服務(wù)產(chǎn)品可以為SOA工作提供增值服務(wù)。

2 電子政務(wù)架構(gòu)設(shè)計

研究提出了基于云計算和面向服務(wù)架構(gòu)的混合電子政務(wù)框架，該框架同時支持SOA和云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，并提供了物理基礎(chǔ)架構(gòu)，它是一種多組織用戶管理虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)，將SOA原則和基礎(chǔ)架構(gòu)組件（例如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）作為構(gòu)建塊來簡化互聯(lián)網(wǎng)上敏捷和可重用的基礎(chǔ)設(shè)施?；旌想娮诱?wù)框架是一個分層的體系結(jié)構(gòu)，包括表示層、訪問層、云服務(wù)層、物理層、控制層，如圖2所示。

圖2 混合電子政務(wù)框架

2.1 表示層

在表示層中，有4個利益相關(guān)者在云環(huán)境中扮演主要角色，即用戶、監(jiān)管者、供應(yīng)商、商業(yè)伙伴。云服務(wù)用戶將來自世界各地的服務(wù)請求提交到數(shù)據(jù)中心和云環(huán)境［13-15］。電子政務(wù)包含3個基本用戶：政府、企業(yè)和公民。因此，必須在云環(huán)境中引入3個關(guān)系：政府對政府（G2G）、政府對企業(yè)（G2B）和政府對公民（G2C）。監(jiān)管者監(jiān)管不同的利益相關(guān)者，因此可以通過法規(guī)訪問云環(huán)境。供應(yīng)商是提供有關(guān)構(gòu)建電子政務(wù)云環(huán)境所需的所有要素的外部人員或第三方，負(fù)責(zé)操作、管理和維護(hù)云中的所有服務(wù)和系統(tǒng)。政府商業(yè)伙伴是在信息和通信技術(shù)領(lǐng)域具有較高能力和有效性的國有和私人機(jī)構(gòu)或公司。

2.2 訪問層

通過訪問層，最終用戶可以與政府公共服務(wù)進(jìn)行交互。訪問層由4部分組成，即訪問、設(shè)施、SLA（Service Level Agreement，服務(wù)水平協(xié)議）資源分配器、云訪問安全代理。電子政務(wù)框架支持云計算的多組織用戶管理功能。多組織用戶管理指的是一種軟件體系結(jié)構(gòu)，其中單個軟件實(shí)例為多個用戶服務(wù)。用戶是一組用戶，他們共享對軟件實(shí)例具有特權(quán)的典型訪問權(quán)限。因此，通過訪問層，終端用戶可以通過電子政務(wù)門戶或公共門戶與政府公共服務(wù)進(jìn)行交互。該層可以是富客戶端、移動端、門戶或基于Web的層，以調(diào)用公共服務(wù)，如圖3所示。訪問層提供了更好的訪問工具，包括路由器防火墻、LAN/WAN、Internet訪問和托管中心。

圖3 訪問層

對于任何使用云計算的人來說，服務(wù)水平協(xié)議（SLA）是需要注意的一個重要方面。SLA包含用戶開始使用云計算時必須同意的條款。SLA資源是數(shù)據(jù)中心/云服務(wù)提供商與外部用戶之間的接口。因此，云計算是一個相對較新的計算模型，對于如何實(shí)現(xiàn)各個級別（如網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)級別）的安全性，以及如何將應(yīng)用程序的安全性轉(zhuǎn)移到云計算，存在很大的不確定性。因此，采用云技術(shù)最重要的障礙之一就是安全性，其次是合規(guī)性、隱私和法律問題。提出的解決方案稱為云訪問安全代理，是消費(fèi)者與服務(wù)提供者之間的安全實(shí)施點(diǎn)，可提供安全控制，例如身份驗(yàn)證（憑據(jù)和密碼），授權(quán)入侵預(yù)防，惡意軟件過濾，安全日志記錄/審核和加密，可以監(jiān)視用戶對服務(wù)的使用，并可以在用戶訪問云應(yīng)用程序時執(zhí)行惡意軟件檢測。它充當(dāng)網(wǎng)守，允許電子政務(wù)擴(kuò)展其安全策略的范圍。

2.3 云服務(wù)層

云服務(wù)層是與用戶交互的最外層?；谠频姆?wù)通過網(wǎng)絡(luò)（特別是Internet）按需交付信息和通信技術(shù)（ICT）服務(wù)，從而提供共享的計算資源池。云服務(wù)為政府提供了實(shí)現(xiàn)更高價值、靈活性和可靠性以及改進(jìn)服務(wù)交付預(yù)期的機(jī)會。

2.3.1 業(yè)務(wù)流程即服務(wù)（BpaaS）BpaaS是SaaS之上的抽象層次，并且被視為一組松散耦合的基本元素，相互連接以形成更高級別功能系統(tǒng)的Web服務(wù)。這些服務(wù)由不同的企業(yè)提供，并在云提供商的基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行，如圖4所示。在動態(tài)云環(huán)境中執(zhí)行這些服務(wù)會導(dǎo)致所提供的服務(wù)質(zhì)量（QoS）發(fā)生頻繁變化。在這一層中，異構(gòu)獨(dú)立部門之間的互操作性是通過允許隔離的、獨(dú)立的、異構(gòu)的計算系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作來共享信息。

圖4 業(yè)務(wù)流程即服務(wù)（BpaaS）

2.3.2 軟件即服務(wù)（SaaS）在軟件部署模型中，應(yīng)用程序被提供者授權(quán)為按需使用的服務(wù)。供應(yīng)商的應(yīng)用程序由運(yùn)行在云基礎(chǔ)架構(gòu)上的電子政務(wù)框架使用，并且可以通過瘦客戶端界面（例如Web瀏覽器）從各種客戶端設(shè)備訪問這些應(yīng)用程序。底層的云基礎(chǔ)架構(gòu)不受政府機(jī)構(gòu)的控制或管理。在電子政務(wù)框架中，SaaS主要包含虛擬桌面、Wiki、核心任務(wù)應(yīng)用程序、辦公自動化、協(xié)作應(yīng)用程序、社交網(wǎng)絡(luò)、代理網(wǎng)站托管、舊版應(yīng)用程序、業(yè)務(wù)同步應(yīng)用程序、生產(chǎn)力應(yīng)用程序和電子郵件等。

2.3.3 平臺即服務(wù)（PaaS）PaaS即提供計算平臺和解決方案堆棧作為服務(wù)。PaaS使用提供商提供的編程語言和工具（例如Java，Python，.Net）部署到云基礎(chǔ)架構(gòu)用戶創(chuàng)建的應(yīng)用程序上。電子政務(wù)框架控制已部署的應(yīng)用程序以及可能的應(yīng)用程序托管環(huán)境配置。在電子政務(wù)框架中，PaaS主要包含數(shù)據(jù)庫測試工具、開發(fā)工具、核心任務(wù)應(yīng)用、目錄服務(wù)和備份服務(wù)。

2.3.4 基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）IaaS即提供計算機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（通常是平臺虛擬化環(huán)境）作為服務(wù)。IaaS提供了處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)計算資源。在這些資源中，電子政務(wù)框架可以部署和運(yùn)行任意軟件，這些軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。在電子政務(wù)框架中，IaaS主要包括Web服務(wù)器、虛擬機(jī)、服務(wù)器托管、硬件（CPU）服務(wù)和服務(wù)器托管-DNS。

2.3.5 監(jiān)管即服務(wù)（RaaS）RaaS提供了政府的政策和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。通過這些服務(wù)，用戶可以在完成需求后獲得證書和協(xié)議，例如公司的營業(yè)執(zhí)照。這些服務(wù)根據(jù)用戶分為三類：政府機(jī)構(gòu)監(jiān)管、企業(yè)監(jiān)管及公民監(jiān)管。此外，這些服務(wù)可對電子政務(wù)中機(jī)構(gòu)、企業(yè)、公民的成熟度（技術(shù)就緒）進(jìn)行等級化，這些服務(wù)相當(dāng)于電子政府中機(jī)構(gòu)、企業(yè)、公民的成熟度（技術(shù)就緒）。

2.4 物理層

物理層由2部分組成：硬件和虛擬化。硬件是表示云服務(wù)提供商所需的所有物理元素/硬件的基礎(chǔ)層，包括服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。虛擬化是一種靈活替代物理資源的結(jié)構(gòu)，該物理資源具有相同的功能和外部接口，但具有不同的屬性，例如大小和效率。這種替代稱為虛擬資源，操作系統(tǒng)通常不知道所做的替代。源虛擬化包括虛擬化文件訪問、虛擬化塊訪問、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)虛擬化、計算資源虛擬化。通常，系統(tǒng)虛擬化是通過虛擬機(jī)監(jiān)控程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。虛擬機(jī)監(jiān)控程序（與類型無關(guān)）是一個多層應(yīng)用程序，它將硬件與其客戶系統(tǒng)分開，每個客戶操作系統(tǒng)（而不是物理設(shè)備）都可以看到虛擬機(jī)。

2.5 控制層

云控制以一種安全的方式應(yīng)用于所有連接的關(guān)聯(lián)方和業(yè)務(wù)流程。此外，控制層監(jiān)視云和服務(wù)器的所有性能，并確保云服務(wù)器有效運(yùn)行。

3 案例研究與討論

為了驗(yàn)證并研究所提出的框架及實(shí)施方案，從某大學(xué)通信與信息技術(shù)中心收集了數(shù)據(jù)。對該通信與信息技術(shù)中心提供的服務(wù)和可用的基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行了廣泛的審查。除了每天有大量請求外，該通信與信息技術(shù)中心還擁有大量的學(xué)術(shù)和行政數(shù)據(jù)。為了檢查提出的框架，使用了CloudSim模擬器，可以將其定義為一個新的、通用的、可擴(kuò)展的模擬框架，允許對CloudSim進(jìn)行無縫建模、模擬和試驗(yàn)，涉及多個層，從SimJava的最低層到UserCode的最高層（圖5）所示。

根據(jù)CloudSim，數(shù)據(jù)中心由相同或不同配置的主機(jī)（服務(wù)器）組成，這些主機(jī)（服務(wù)器）代表框架中的硬件。數(shù)據(jù)中心的主機(jī)按主機(jī)ID、RAM、存儲、帶寬、處理能力和處理元素數(shù)量進(jìn)行分類。主機(jī)負(fù)責(zé)處理虛擬機(jī)創(chuàng)建、虛擬機(jī)遷移、虛擬機(jī)銷毀和虛擬機(jī)配置。虛擬機(jī)表示框架中的虛擬化。虛擬機(jī)到主機(jī)的分配基于虛擬機(jī)供應(yīng)商采用的分配策略，默認(rèn)策略為先到先服務(wù)，這些策略描述了框架中的QoS。

圖5 分層CloudSim架構(gòu)

應(yīng)用程序或CloudLet由虛擬機(jī)處理，并在數(shù)據(jù)中心主機(jī)上分配了處理能力和內(nèi)存共享。在主機(jī)上創(chuàng)建的虛擬機(jī)數(shù)量取決于虛擬機(jī)RAM。虛擬機(jī)由圖像大小、RAM、處理能力、帶寬和CPU的數(shù)量來描述；而CloudLet則由Cloudlet長度、文件輸入大小和文件輸出大小來描述。對于映射到虛擬機(jī)的服務(wù)或CloudLet，主機(jī)利用時間共享或空間共享分配策略。時間是中心執(zhí)行服務(wù)和產(chǎn)生結(jié)果的關(guān)鍵因素。因此，在本研究中，將CloudLet和虛擬機(jī)結(jié)合使用可以減少總體執(zhí)行時間。在這種情況下，研究模擬了一個數(shù)據(jù)中心（僅物理主機(jī)），并在主機(jī)和100個CloudLet上創(chuàng)建了15個虛擬機(jī)，目的是記錄和比較CloudLet在虛擬機(jī)上花費(fèi)的時間。表1顯示了用于模擬案例研究的虛擬機(jī)、CloudLet和主機(jī)參數(shù)。結(jié)果表明，①CPU時間與CloudLet的數(shù)量成正比（直線關(guān)系）；②CPU時間與虛擬機(jī)的數(shù)量成反比；③CPU時間從1個虛擬機(jī)時每個CloudLet的1 s急劇減少到8個虛擬機(jī)時每個CloudLet的約0.128 s，CPU時間保持不變，并且不受虛擬機(jī)數(shù)量的影響；④虛擬機(jī)數(shù)量的增加減少了總運(yùn)行時間；⑤使用虛擬機(jī)的數(shù)量要比使用CloudLet的數(shù)量多。

表1 虛擬機(jī)、CloudLet和主機(jī)的參數(shù)

圖6 關(guān)于CloudLet的平均CPU時間

圖6 為使用不同數(shù)量的虛擬機(jī)（1、5、10和15）關(guān)于CloudLet的平均CPU時間。圖7為不同數(shù)量的CloudLet（1、5、15、25）關(guān)于虛擬機(jī)數(shù)量的平均CPU時間。圖8為與CloudLet和虛擬機(jī)相關(guān)的平均CPU時間。

圖7 關(guān)于虛擬機(jī)數(shù)量的平均CPU時間

圖8 關(guān)于CloudLet和虛擬機(jī)的平均CPU時間

4 小結(jié)

服務(wù)云平臺可以重構(gòu)不同區(qū)域和結(jié)構(gòu)的各類信息資源的業(yè)務(wù)流程、集成的業(yè)務(wù)應(yīng)用、作為服務(wù)的平臺。以往的基于云計算和SOA的電子政務(wù)模型無法提供云計算問題的解決方案。擬議的框架是用于電子政務(wù)的強(qiáng)大框架，它基于云計算和SOA，通過治理、QoS和管理以及有效的SLA具有強(qiáng)大的控制能力，可以克服業(yè)務(wù)連續(xù)性問題。此外，電子政務(wù)框架通過使用SLA和云訪問安全代理來提供安全控制。電子政務(wù)框架允許通過使用SOA在不同政府組織之間進(jìn)行集成、開放標(biāo)準(zhǔn)、信息共享和信息交換。此外，電子政務(wù)框架還提供可重用性和發(fā)現(xiàn)功能。

對于局限性，CloudSim需要具有Java編程語言的基本背景。而且，它需要編寫一些代碼來使用其庫中的組件，以便模擬所需的方案。對于將來的工作，重要的是重新檢查包含超過數(shù)量龐大的Cloud?Let框架，以找出每個虛擬機(jī)具有成本效益的數(shù)量（服務(wù)）。同時，由于CloudSim本身的局限性，需要使用其他云模擬器進(jìn)行比較。