谈论云计算中的按需服务

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摘要：云计算为计算系统软硬件基础设施的设计和部署及用户对信息系统的规划和使用提供了一种新的模式。方便、灵活的方式，高效、价格低廉和保障质量的服务是云计算模式的典型特征。文章从服务的角度提出一个云计算中按需服务系统的架构，并基于架构探讨云计算中的按需服务问题，包括分布式服务资源的组织管理与监控、情境感知的按需服务建模、大规模网络环境中的按需服务组合，以及基于复杂系统理论的服务系统。文章还以地球空间信息系统中的连续运行参考站网为例，用云计算的视点分析了其系统的体系结构，并对其服务中出现的问题进行了探讨。

关键词：云计算；服务组合；情境建模；按需服务

云计算作为一种新的计算模式，力图改变传统的计算系统的占有和使用方式。论文百事通云计算以网络化的方式组织和聚合计算与通信资源，以虚拟化的方式为用户提供可以缩减或扩展规模的计算资源，增加了用户对于计算系统的规划、购置、占有和使用的灵活性。在云计算中，用户所关心的核心问题不再是计算资源本身，而是他所能获得的服务。从这个角度出发，可以认为服务问题(服务的提供和使用)是云计算中的核心和关键问题。

云计算通过管理、调度与整合分布在网络上的各种资源，以统一的界面为大量用户提供服务。例如，借助云计算，用户的应用程序可以在很短时间内处理TB级甚至PB级的信息内容，实现和超级计算机同样强大的效能。用户则按需计量地使用这些服务，从而实现将计算、存储、软件等各种资源作为一种公用设施来提供的梦想。云计算涉及两层内容：云计算基础设施(硬件、平台、软件等)以及建立在基础设施上的信息服务——云应用。

实现云计算按需服务具有重要的意义。除了基础设施服务(如Amazon的基础设施服务、Google的AppEngine服务、微软WindowsAzure服务平台等)外，分布式数据存储与处理平台(如开源的Hadoop)为海量数据的存储和处理提供了可水平扩展的基础服务。同时，越来越多的应用开发人员可以开始在云计算平台上开发、并部署各类服务和应用。可以预见的是，互联网上各种可用的服务资源将越来越多，因此云计算中如何实现按需的个性化服务具有重要的意义。云计算中的服务问题既涉及用户所期望达到的要求，又涉及云计算服务的提供者所能提供的功能和性能。从云应用的用户——服务消费者来看，用户希望获得满足其个性化需求的云服务，这些云服务将利用“云”中的领域知识和用户端的状态信息来提供情境感知的服务，以极大的提高用户体验。另一方面，从云平台的维护者来看，按需服务的另一层含义是，如何根据云端的可用资源情况、用户的情境需求，来更加高效地满足尽可能多的大量用户的服务需求，以提高平台的使用效率。

地球空间信息系统是重要的信息基础设施，涉及地表及近地空间内对位置、时间和地理等有关信息的集成与应用，主要使用的技术有全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)技术。连续运行参考站网(CORS)则是地球空间信息系统重要的组成部分，是一种提供定位基准和定时服务的基础设施，以此可以建立各类GIS和RS应用系统。典型的CORS是由分散于某区域的、具有精确位置坐标的、连续采集卫星信号的参考站，用于计算和向用户提供定位服务的数据中心，由实时数据传输的广域网络以及用户终端组成。从云计算的角度可以认为，CORS建立起了一个资源(参考站软硬件、数据等)管理和调度平台，并向用户提供关于空间位置和时间等信息的服务。

1云计算中按需服务的应用架构

一个基于云计算的按需服务的应用架构如图1所示，具体包括：

(1)云基础设施层

支持多个云中心的模式，不仅有来自内部可控云，还有来自外部的、满足相应的服务水平协议的第三方云资源。云平台将综合这些资源为上层系统模块和应用提供统一的云服务。云基础设施支持多样化的资源类型，既有硬件资源、也有网络资源、结构和非结构化数据存储资源以及其他基础软件资源等。

(2)服务资源管理与监控层

云基础设施层提供的各类资源，以及面向具体业务应用的服务资源，包括来自第三方的云服务资源，都可以统一注册到服务资源管理中，以服务的形态统一对外提供服务。该层主要解决大规模分布式环境下的资源管理属性的动态监测与控制，为上层资源调度和按需服务提供资源管理属性和状态的支持。可根据不同种类的资源管理与监测需求，定义相应的资源模型、管理属性以及相应的监测策略等，来实现可扩展的资源管理与监测。

(3)云服务的编程框架及运行引擎层

该层提供在基础平台和服务资源之上的云服务编程支持，以及云服务运行时的引擎支持。云计算在诸多行业领域的进一步应用，将使基于云的应用编程接口(API)与服务的数量迅猛增长。一个具体的应用需求往往涉及多个服务资源，为此需要多种形式的服务资源的组合编程环境及运行引擎支持，包括：预定义服务模板，可视化的人工服务组合，面向大规模、动态环境的按需自动服务组合，实现大并发情况下的高效、可靠的组合应用运行等。

(4)个性化按需服务层

针对不同的云服务需求，如何为用户提供“即时按需”的个性化云服务是本层要解决的问题。主要涉及两个方面：(1)如何支持用户对需求进行准确且方便的描述，从而实现根据用户需求进行服务资源的发现、匹配与推荐。(2)如何实现对云计算中可用资源的状态、用户的情境等信息进行感知，从而提供能够主动适应这些状态信息变化的云服务。

2云计算中按需服务的关键技术

2.1资源的分布式管理与状态监测技术

云计算不仅仅实现硬件资源、存储资源、网络资源等的虚拟化，还包括在此基础上的各种软件资源的虚拟化，关注于如何实现“软件即服务”。在一个统一的云平台上，注册、管理着互联网上大量不同种类的资源，如何对它们进行有效的动态监测以及管理与控制，是实现高质量的软件即服务的保障。解决大规模分布式环境下的异构资源管理属性的高效的动态监测及其有效管理问题，涉及的关键问题包括：如何满足不同种类的资源管理与监测需求，实现资源类型及其管理属性的动态配制；如何实现可方便扩展的监测架构支持；如何实现高效且灵活的资源监测策略，以尽量少的资源开销实现尽量有效的资源监测与状态预测；基于智能管理事件的资源状态管理技术，如何更加有效的主动监测资源的状态，并及时发现、诊断资源的故障，为提供高质量服务提供基本支撑。如文献提出了一个基于市场机制、服务等级协议(SLA)进行资源分配的云计算架构。而实现按SLA进行资源分配的基础之一是如何对多个资源提供者的资源进行监测。文献给出了一个面向大规模、分布式的异构资源管理与监测平台C3ServiceManagement，通过该平台实现了资源的注册、管理以及资源状态的主动监测。

2.2情境感知的按需服务建模技术

当云平台上可用的服务资源越来越丰富时，为用户提供情境感知的按需服务成为提高用户体验的关键。具体需要解决以下关键技术：

(1)领域需求驱动的用户需求建模

领域需求模型可以为用户的个性化需求建模提供基础和参照，用户可以在此基础上进行其个性化需求的建模与定制。面向服务的语义互操作技术，包括领域知识/规范、需求模型等技术为用户需求的准确描述与匹配提供了互操作的语义基础，为以用户为中心需求建模以及自动服务组合提供了底层支持。文献提出了基于多个交互、活动间冲突，来发现跨组织的多个业务过程间冲突的方法，以及基于独立修改区域的冲突修正计划，用来辅助/校验用户的业务过程需求建模。

(2)支持不确定性的需求建模技术

对用户需求准确建模的另一个主要挑战是，用户的需求经常是具有不确定性，面临“说不清、说不准、说不全”的情况，如何对这种不确定性需求进行准确的刻画及推理是用户需求建模的关键。此外，对服务的建模、评价也存在不确定性，在进行服务和需求的匹配时，需要进行不确定性的推理。为此，需要综合采用各种不确定性建模与推理技术(如概率逻辑、模糊逻辑和云模型等)。

(3)用户和情境建模

在需求准确建模基础上，一个关键问题是：如何对用户及当前情境信息进行感知，从而提供能够主动适应这些状态变化的按需服务。针对不确定性的情境建模需求，文献[8]提出了一种基于有概率约束的模糊逻辑情境建模及其推理方法。不同于一般情境感知计算所关注的问题，云应用中需要面对的是大规模资源状态、用户情境的感知与推理计算问题，主要是要解决大规模情况下的情境识别、情境推理问题，效率是关键。单个情境的识别及推理逻辑不会太复杂，但需要针对大规模的识别及推理效率需求设计高效的算法。

2.3按需自动服务组合技术

随着云计算技术的飞速发展，以GFS、MapReduce为代表的云文件系统和并发处理模型逐渐成熟，大规模数据库服务也在不断完善，形成了一系列开源或商业系统，为基于云的应用程序以及服务的开发奠定了坚实的基础。当前面向服务的体系结构(SOA)技术中的服务组合建模以及运行模式能够提供实现灵活的组合应用建模，并能够利用各种流程引擎提供组合应用的运行时支撑环境，但却无法适应云计算环境中海量服务管理与大并发的执行请求。一方面，在海量的服务资源中，对传统人工选择可互操作的服务进行组合流程建模的方法无法延续，难以支撑服务组合应用的开发；另一方面，集中式的执行引擎也无法支撑数以十万计的并发流程，无法满足海量用户的监控需求。面对云计算这种挑战，服务组合的按需构造以及按需运行就成为亟待解决的关键问题。

(1)服务组合应用的自动按需构造

服务组合的按需构造服务于云服务的开发者，其目的是按照用户粗粒度的需求和上下文，自动或者半自动地查找、组织服务资源，并提供灵活易用的导航机制，协助用户快速构造复杂组合应用程序。其关键技术包括基于自动服务组合的多模式快速应用建模方法。Amazon和SAP分别从网站复杂WS-BEPL程序的生成以及流程建模的辅助工具等方面，探讨了自动服务组合技术在建模方面的应用。为了有效服务于云计算环境中大量的应用程序开发者，不仅需要研究降低应用构造时间复杂度的高效算法，还需要研究采用合理的并发模式以及分布式处理方法，以提高系统的并发处理能力，提高按需构造应用的效率。

(2)服务组合应用的按需部署与运行

服务组合应用的按需部署与运行要根据用户的服务等级协议(SLA)以及可用计算、存储、网络资源的状态，优化服务运行时的任务调度，从而最大程度地利用分布式资源，提高云服务环境的整体运行效果。其关键技术包括SLA及情境感知的服务/路径动态选取。根据服务提供者与用户签订的SLA，或者用户的情境，在服务组合运行的过程中动态选取最优服务质量(QoS)的副本，以实现服务组合的局部以及全局优化。在服务组合的按需部署与运行中，需要根据资源利用情况以及SLA约束，在完全分散运行、分片运行等多种结构之间进行灵活转换，从而避免单点性能“瓶颈”，实现服务组合任务的按需部署和高效运行。

2.4基于复杂适应系统理论的按需服务

云计算“生态系统”是一个典型的复杂适应系统。云计算系统通过各组成部分之间、各组成部分与网络化的云计算环境之间的交互，形成复杂适应系统。在复杂的云计算网络环境下，云计算系统通过自组织形成具有特定时空结构的有序状态(模态或社团结构)，在复杂网络环境的影响下能够自组织、自学习、自适应，不断演化，进而生存、繁衍和发展。如果云计算或其不同组成部分的适应能力赶不上网络环境的变化，它们就会很快被消费者淘汰。所以，云计算必须适应按需服务。云计算系统不断地根据环境和用户需求的变化调整自己的运行机制，不断地适应环境。云计算系统通过自身各部分以及各部分与环境之间的交互，实现整个云计算系统的互联、互通、互操作，进而最终实现按需服务。云计算系统具有典型的自组织、自适应、开源、开放特性。与传统的计算相比较，网络化云计算组成单元更自主，可按需服务、按需演变，耦合更松散，规模可伸缩。从复杂适应系统的角度研究网络化的云计算系统的行为特性，对于系统管理、资源组织和调度等具有重要意义。

3按需服务的云计算框架在连续运行参考站网络中的应用

3.1连续运行参考站网络概述

典型的连续运行参考站(CORS)网络系统是由参考站、数据中心、通信网络、用户等组成的实时通信和服务系统。各参考站具有精确、统一的三维坐标。其将卫星的观测数据实时发送到数据中心，由数据中心统一进行设备管理和数据计算，并向用户提供实时或快速的定位服务。CORS系统结构如图2所示。

3.2连续运行参考站网络的应用与服务

在中国，CORS的应用多在国土测绘、城市规划、交通物流、水利电力等领域开展。CORS服务主要包括空间坐标基准服务、空间位置服务、源数据服务、时间服务等内容。各种服务中，源数据、空间坐标基准和时间服务是系统向外部提供的基本服务。空间位置服务、卫星轨道服务、气象服务、地球动力学参数服务等需要与其他信息系统所提供的服务进行聚合，属于高级服务。其中，卫星轨道服务是源数据服务的聚合体，气象服务是源数据与气象技术结合后形成的跨领域服务，大气环境监测也属于等跨领域高级服务。以上服务的响应时间、内容如表1所示。

3.3按需服务的云计算结构下的连续

运行参考站网络体系结构分析

在网络的视点下，可以建立物理层、数据层和应用层的3层CORS体系结构，分别对应于物理互联、数据组织与调度以及计算与服务3个层次[18]。在按需服务的云计算视点下，CORS结构有所细化，主要是在数据层细分为两点：一是参考站等资源的管理与监控，二是参考站数据组织与监控。图3所示为云计算视点下的CORS的层次结构。

3.4云计算模型在连续运行参考站网络中应用的关键

应用云计算的计算模式构造和使用CORS系统，需要解决两个基本问题：一是，大规模资源的调度与监控技术。相对于一般的云计算基础设施，CORS的资源相对单一，物理设备主要包括参考站硬件设备、数据中心的服务器、通信网络资源等等，数据资源主要包括参考站的原始数据、坐标、系统生成的服务数据、注册用户信息等等。主要难点在于如何构建统一的云数据与服务平台；基于智能管理事件的资源状态管理技术，如何更加有效的主动监测资源的状态，并及时发现、诊断资源的故障等等。二是，大规模用户的按需服务技术。CORS对用户的服务内容单一，且语义和语法明确，多采用用户概略位置作为检索来进行迭代式的精密定位。主要难点是构建与现有系统结构兼容的云计算平台，建立统一的系统接入和用户登陆接口，对实时和事后用户需求进行服务挖掘和重定向。

4结束语

云计算系统既包含提供计算能力的底层基础设施，也包含其上的服务软件，还包含接受这些服务的用户。云计算研究和开发中的一个核心问题是服务。本文从云计算中服务的角度提出了一个云计算中按需服务系统的架构，讨论了云计算系统中服务的建模、大规模的自动组合和分布式服务资源的管理与检测技术，使得云计算系统的开发者可针对不同的层次设计相应的硬件和软件架构，以及实现服务资源的部署、管理、调度策略，为云计算使用者提供了灵活和高效的服务系统。本文以地球空间信息系统中的连续运行参考站网应用为例，分析了服务需求的实例，讨论了云计算系统架构和系统构造中满足高效服务的两个基本问题。