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摘要：云計算為計算系統(tǒng)軟硬件基礎設施的設計和部署及用戶對信息系統(tǒng)的規(guī)劃和使用提供了一種新的模式。方便、靈活的方式，高效、價格低廉和保障質(zhì)量的服務是云計算模式的典型特征。文章從服務的角度提出一個云計算中按需服務系統(tǒng)的架構(gòu)，并基于架構(gòu)探討云計算中的按需服務問題，包括分布式服務資源的組織管理與監(jiān)控、情境感知的按需服務建模、大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境中的按需服務組合，以及基于復雜系統(tǒng)理論的服務系統(tǒng)。文章還以地球空間信息系統(tǒng)中的連續(xù)運行參考站網(wǎng)為例，用云計算的視點分析了其系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并對其服務中出現(xiàn)的問題進行了探討。

關鍵詞：云計算；服務組合；情境建模；按需服務

云計算作為一種新的計算模式，力圖改變傳統(tǒng)的計算系統(tǒng)的占有和使用方式。論文百事通云計算以網(wǎng)絡化的方式組織和聚合計算與通信資源，以虛擬化的方式為用戶提供可以縮減或擴展規(guī)模的計算資源，增加了用戶對于計算系統(tǒng)的規(guī)劃、購置、占有和使用的靈活性。在云計算中，用戶所關心的核心問題不再是計算資源本身，而是他所能獲得的服務。從這個角度出發(fā)，可以認為服務問題(服務的提供和使用)是云計算中的核心和關鍵問題。

云計算通過管理、調(diào)度與整合分布在網(wǎng)絡上的各種資源，以統(tǒng)一的界面為大量用戶提供服務。例如，借助云計算，用戶的應用程序可以在很短時間內(nèi)處理TB級甚至PB級的信息內(nèi)容，實現(xiàn)和超級計算機同樣強大的效能。用戶則按需計量地使用這些服務，從而實現(xiàn)將計算、存儲、軟件等各種資源作為一種公用設施來提供的夢想。云計算涉及兩層內(nèi)容：云計算基礎設施(硬件、平臺、軟件等)以及建立在基礎設施上的信息服務——云應用。

實現(xiàn)云計算按需服務具有重要的意義。除了基礎設施服務(如Amazon的基礎設施服務、Google的AppEngine服務、微軟WindowsAzure服務平臺等)外，分布式數(shù)據(jù)存儲與處理平臺(如開源的Hadoop)為海量數(shù)據(jù)的存儲和處理提供了可水平擴展的基礎服務。同時，越來越多的應用開發(fā)人員可以開始在云計算平臺上開發(fā)、并部署各類服務和應用?？梢灶A見的是，互聯(lián)網(wǎng)上各種可用的服務資源將越來越多，因此云計算中如何實現(xiàn)按需的個性化服務具有重要的意義。云計算中的服務問題既涉及用戶所期望達到的要求，又涉及云計算服務的提供者所能提供的功能和性能。從云應用的用戶——服務消費者來看，用戶希望獲得滿足其個性化需求的云服務，這些云服務將利用“云”中的領域知識和用戶端的狀態(tài)信息來提供情境感知的服務，以極大的提高用戶體驗。另一方面，從云平臺的維護者來看，按需服務的另一層含義是，如何根據(jù)云端的可用資源情況、用戶的情境需求，來更加高效地滿足盡可能多的大量用戶的服務需求，以提高平臺的使用效率。

地球空間信息系統(tǒng)是重要的信息基礎設施，涉及地表及近地空間內(nèi)對位置、時間和地理等有關信息的集成與應用，主要使用的技術有全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)技術。連續(xù)運行參考站網(wǎng)(CORS)則是地球空間信息系統(tǒng)重要的組成部分，是一種提供定位基準和定時服務的基礎設施，以此可以建立各類GIS和RS應用系統(tǒng)。典型的CORS是由分散于某區(qū)域的、具有精確位置坐標的、連續(xù)采集衛(wèi)星信號的參考站，用于計算和向用戶提供定位服務的數(shù)據(jù)中心，由實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹V域網(wǎng)絡以及用戶終端組成。從云計算的角度可以認為，CORS建立起了一個資源(參考站軟硬件、數(shù)據(jù)等)管理和調(diào)度平臺，并向用戶提供關于空間位置和時間等信息的服務。

1云計算中按需服務的應用架構(gòu)

一個基于云計算的按需服務的應用架構(gòu)如圖1所示，具體包括：

(1)云基礎設施層

支持多個云中心的模式，不僅有來自內(nèi)部可控云，還有來自外部的、滿足相應的服務水平協(xié)議的第三方云資源。云平臺將綜合這些資源為上層系統(tǒng)模塊和應用提供統(tǒng)一的云服務。云基礎設施支持多樣化的資源類型，既有硬件資源、也有網(wǎng)絡資源、結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲資源以及其他基礎軟件資源等。

(2)服務資源管理與監(jiān)控層

云基礎設施層提供的各類資源，以及面向具體業(yè)務應用的服務資源，包括來自第三方的云服務資源，都可以統(tǒng)一注冊到服務資源管理中，以服務的形態(tài)統(tǒng)一對外提供服務。該層主要解決大規(guī)模分布式環(huán)境下的資源管理屬性的動態(tài)監(jiān)測與控制，為上層資源調(diào)度和按需服務提供資源管理屬性和狀態(tài)的支持?？筛鶕?jù)不同種類的資源管理與監(jiān)測需求，定義相應的資源模型、管理屬性以及相應的監(jiān)測策略等，來實現(xiàn)可擴展的資源管理與監(jiān)測。

(3)云服務的編程框架及運行引擎層

該層提供在基礎平臺和服務資源之上的云服務編程支持，以及云服務運行時的引擎支持。云計算在諸多行業(yè)領域的進一步應用，將使基于云的應用編程接口(API)與服務的數(shù)量迅猛增長。一個具體的應用需求往往涉及多個服務資源，為此需要多種形式的服務資源的組合編程環(huán)境及運行引擎支持，包括：預定義服務模板，可視化的人工服務組合，面向大規(guī)模、動態(tài)環(huán)境的按需自動服務組合，實現(xiàn)大并發(fā)情況下的高效、可靠的組合應用運行等。

(4)個性化按需服務層

針對不同的云服務需求，如何為用戶提供“即時按需”的個性化云服務是本層要解決的問題。主要涉及兩個方面：(1)如何支持用戶對需求進行準確且方便的描述，從而實現(xiàn)根據(jù)用戶需求進行服務資源的發(fā)現(xiàn)、匹配與推薦。(2)如何實現(xiàn)對云計算中可用資源的狀態(tài)、用戶的情境等信息進行感知，從而提供能夠主動適應這些狀態(tài)信息變化的云服務。

2云計算中按需服務的關鍵技術

2.1資源的分布式管理與狀態(tài)監(jiān)測技術

云計算不僅僅實現(xiàn)硬件資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等的虛擬化，還包括在此基礎上的各種軟件資源的虛擬化，關注于如何實現(xiàn)“軟件即服務”。在一個統(tǒng)一的云平臺上，注冊、管理著互聯(lián)網(wǎng)上大量不同種類的資源，如何對它們進行有效的動態(tài)監(jiān)測以及管理與控制，是實現(xiàn)高質(zhì)量的軟件即服務的保障。解決大規(guī)模分布式環(huán)境下的異構(gòu)資源管理屬性的高效的動態(tài)監(jiān)測及其有效管理問題，涉及的關鍵問題包括：如何滿足不同種類的資源管理與監(jiān)測需求，實現(xiàn)資源類型及其管理屬性的動態(tài)配制；如何實現(xiàn)可方便擴展的監(jiān)測架構(gòu)支持；如何實現(xiàn)高效且靈活的資源監(jiān)測策略，以盡量少的資源開銷實現(xiàn)盡量有效的資源監(jiān)測與狀態(tài)預測；基于智能管理事件的資源狀態(tài)管理技術，如何更加有效的主動監(jiān)測資源的狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)、診斷資源的故障，為提供高質(zhì)量服務提供基本支撐。如文獻提出了一個基于市場機制、服務等級協(xié)議(SLA)進行資源分配的云計算架構(gòu)。而實現(xiàn)按SLA進行資源分配的基礎之一是如何對多個資源提供者的資源進行監(jiān)測。文獻給出了一個面向大規(guī)模、分布式的異構(gòu)資源管理與監(jiān)測平臺C3ServiceManagement，通過該平臺實現(xiàn)了資源的注冊、管理以及資源狀態(tài)的主動監(jiān)測。

2.2情境感知的按需服務建模技術

當云平臺上可用的服務資源越來越豐富時，為用戶提供情境感知的按需服務成為提高用戶體驗的關鍵。具體需要解決以下關鍵技術：

(1)領域需求驅(qū)動的用戶需求建模

領域需求模型可以為用戶的個性化需求建模提供基礎和參照，用戶可以在此基礎上進行其個性化需求的建模與定制。面向服務的語義互操作技術，包括領域知識/規(guī)范、需求模型等技術為用戶需求的準確描述與匹配提供了互操作的語義基礎，為以用戶為中心需求建模以及自動服務組合提供了底層支持。文獻提出了基于多個交互、活動間沖突，來發(fā)現(xiàn)跨組織的多個業(yè)務過程間沖突的方法，以及基于獨立修改區(qū)域的沖突修正計劃，用來輔助/校驗用戶的業(yè)務過程需求建模。

(2)支持不確定性的需求建模技術

對用戶需求準確建模的另一個主要挑戰(zhàn)是，用戶的需求經(jīng)常是具有不確定性，面臨“說不清、說不準、說不全”的情況，如何對這種不確定性需求進行準確的刻畫及推理是用戶需求建模的關鍵。此外，對服務的建模、評價也存在不確定性，在進行服務和需求的匹配時，需要進行不確定性的推理。為此，需要綜合采用各種不確定性建模與推理技術(如概率邏輯、模糊邏輯和云模型等)。

(3)用戶和情境建模

在需求準確建?；A上，一個關鍵問題是：如何對用戶及當前情境信息進行感知，從而提供能夠主動適應這些狀態(tài)變化的按需服務。針對不確定性的情境建模需求，文獻[8]提出了一種基于有概率約束的模糊邏輯情境建模及其推理方法。不同于一般情境感知計算所關注的問題，云應用中需要面對的是大規(guī)模資源狀態(tài)、用戶情境的感知與推理計算問題，主要是要解決大規(guī)模情況下的情境識別、情境推理問題，效率是關鍵。單個情境的識別及推理邏輯不會太復雜，但需要針對大規(guī)模的識別及推理效率需求設計高效的算法。

2.3按需自動服務組合技術

隨著云計算技術的飛速發(fā)展，以GFS、MapReduce為代表的云文件系統(tǒng)和并發(fā)處理模型逐漸成熟，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫服務也在不斷完善，形成了一系列開源或商業(yè)系統(tǒng)，為基于云的應用程序以及服務的開發(fā)奠定了堅實的基礎。當前面向服務的體系結(jié)構(gòu)(SOA)技術中的服務組合建模以及運行模式能夠提供實現(xiàn)靈活的組合應用建模，并能夠利用各種流程引擎提供組合應用的運行時支撐環(huán)境，但卻無法適應云計算環(huán)境中海量服務管理與大并發(fā)的執(zhí)行請求。一方面，在海量的服務資源中，對傳統(tǒng)人工選擇可互操作的服務進行組合流程建模的方法無法延續(xù)，難以支撐服務組合應用的開發(fā)；另一方面，集中式的執(zhí)行引擎也無法支撐數(shù)以十萬計的并發(fā)流程，無法滿足海量用戶的監(jiān)控需求。面對云計算這種挑戰(zhàn)，服務組合的按需構(gòu)造以及按需運行就成為亟待解決的關鍵問題。

(1)服務組合應用的自動按需構(gòu)造

服務組合的按需構(gòu)造服務于云服務的開發(fā)者，其目的是按照用戶粗粒度的需求和上下文，自動或者半自動地查找、組織服務資源，并提供靈活易用的導航機制，協(xié)助用戶快速構(gòu)造復雜組合應用程序。其關鍵技術包括基于自動服務組合的多模式快速應用建模方法。Amazon和SAP分別從網(wǎng)站復雜WS-BEPL程序的生成以及流程建模的輔助工具等方面，探討了自動服務組合技術在建模方面的應用。為了有效服務于云計算環(huán)境中大量的應用程序開發(fā)者，不僅需要研究降低應用構(gòu)造時間復雜度的高效算法，還需要研究采用合理的并發(fā)模式以及分布式處理方法，以提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力，提高按需構(gòu)造應用的效率。

(2)服務組合應用的按需部署與運行

服務組合應用的按需部署與運行要根據(jù)用戶的服務等級協(xié)議(SLA)以及可用計算、存儲、網(wǎng)絡資源的狀態(tài)，優(yōu)化服務運行時的任務調(diào)度，從而最大程度地利用分布式資源，提高云服務環(huán)境的整體運行效果。其關鍵技術包括SLA及情境感知的服務/路徑動態(tài)選取。根據(jù)服務提供者與用戶簽訂的SLA，或者用戶的情境，在服務組合運行的過程中動態(tài)選取最優(yōu)服務質(zhì)量(QoS)的副本，以實現(xiàn)服務組合的局部以及全局優(yōu)化。在服務組合的按需部署與運行中，需要根據(jù)資源利用情況以及SLA約束，在完全分散運行、分片運行等多種結(jié)構(gòu)之間進行靈活轉(zhuǎn)換，從而避免單點性能“瓶頸”，實現(xiàn)服務組合任務的按需部署和高效運行。

2.4基于復雜適應系統(tǒng)理論的按需服務

云計算“生態(tài)系統(tǒng)”是一個典型的復雜適應系統(tǒng)。云計算系統(tǒng)通過各組成部分之間、各組成部分與網(wǎng)絡化的云計算環(huán)境之間的交互，形成復雜適應系統(tǒng)。在復雜的云計算網(wǎng)絡環(huán)境下，云計算系統(tǒng)通過自組織形成具有特定時空結(jié)構(gòu)的有序狀態(tài)(模態(tài)或社團結(jié)構(gòu))，在復雜網(wǎng)絡環(huán)境的影響下能夠自組織、自學習、自適應，不斷演化，進而生存、繁衍和發(fā)展。如果云計算或其不同組成部分的適應能力趕不上網(wǎng)絡環(huán)境的變化，它們就會很快被消費者淘汰。所以，云計算必須適應按需服務。云計算系統(tǒng)不斷地根據(jù)環(huán)境和用戶需求的變化調(diào)整自己的運行機制，不斷地適應環(huán)境。云計算系統(tǒng)通過自身各部分以及各部分與環(huán)境之間的交互，實現(xiàn)整個云計算系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互操作，進而最終實現(xiàn)按需服務。云計算系統(tǒng)具有典型的自組織、自適應、開源、開放特性。與傳統(tǒng)的計算相比較，網(wǎng)絡化云計算組成單元更自主，可按需服務、按需演變，耦合更松散，規(guī)?？缮炜s。從復雜適應系統(tǒng)的角度研究網(wǎng)絡化的云計算系統(tǒng)的行為特性，對于系統(tǒng)管理、資源組織和調(diào)度等具有重要意義。

3按需服務的云計算框架在連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡中的應用

3.1連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡概述

典型的連續(xù)運行參考站(CORS)網(wǎng)絡系統(tǒng)是由參考站、數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡、用戶等組成的實時通信和服務系統(tǒng)。各參考站具有精確、統(tǒng)一的三維坐標。其將衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一進行設備管理和數(shù)據(jù)計算，并向用戶提供實時或快速的定位服務。CORS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡的應用與服務

在中國，CORS的應用多在國土測繪、城市規(guī)劃、交通物流、水利電力等領域開展。CORS服務主要包括空間坐標基準服務、空間位置服務、源數(shù)據(jù)服務、時間服務等內(nèi)容。各種服務中，源數(shù)據(jù)、空間坐標基準和時間服務是系統(tǒng)向外部提供的基本服務?？臻g位置服務、衛(wèi)星軌道服務、氣象服務、地球動力學參數(shù)服務等需要與其他信息系統(tǒng)所提供的服務進行聚合，屬于高級服務。其中，衛(wèi)星軌道服務是源數(shù)據(jù)服務的聚合體，氣象服務是源數(shù)據(jù)與氣象技術結(jié)合后形成的跨領域服務，大氣環(huán)境監(jiān)測也屬于等跨領域高級服務。以上服務的響應時間、內(nèi)容如表1所示。

3.3按需服務的云計算結(jié)構(gòu)下的連續(xù)

運行參考站網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)分析

在網(wǎng)絡的視點下，可以建立物理層、數(shù)據(jù)層和應用層的3層CORS體系結(jié)構(gòu)，分別對應于物理互聯(lián)、數(shù)據(jù)組織與調(diào)度以及計算與服務3個層次[18]。在按需服務的云計算視點下，CORS結(jié)構(gòu)有所細化，主要是在數(shù)據(jù)層細分為兩點：一是參考站等資源的管理與監(jiān)控，二是參考站數(shù)據(jù)組織與監(jiān)控。圖3所示為云計算視點下的CORS的層次結(jié)構(gòu)。

3.4云計算模型在連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡中應用的關鍵

應用云計算的計算模式構(gòu)造和使用CORS系統(tǒng)，需要解決兩個基本問題：一是，大規(guī)模資源的調(diào)度與監(jiān)控技術。相對于一般的云計算基礎設施，CORS的資源相對單一，物理設備主要包括參考站硬件設備、數(shù)據(jù)中心的服務器、通信網(wǎng)絡資源等等，數(shù)據(jù)資源主要包括參考站的原始數(shù)據(jù)、坐標、系統(tǒng)生成的服務數(shù)據(jù)、注冊用戶信息等等。主要難點在于如何構(gòu)建統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)與服務平臺；基于智能管理事件的資源狀態(tài)管理技術，如何更加有效的主動監(jiān)測資源的狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)、診斷資源的故障等等。二是，大規(guī)模用戶的按需服務技術。CORS對用戶的服務內(nèi)容單一，且語義和語法明確，多采用用戶概略位置作為檢索來進行迭代式的精密定位。主要難點是構(gòu)建與現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兼容的云計算平臺，建立統(tǒng)一的系統(tǒng)接入和用戶登陸接口，對實時和事后用戶需求進行服務挖掘和重定向。

4結(jié)束語

云計算系統(tǒng)既包含提供計算能力的底層基礎設施，也包含其上的服務軟件，還包含接受這些服務的用戶。云計算研究和開發(fā)中的一個核心問題是服務。本文從云計算中服務的角度提出了一個云計算中按需服務系統(tǒng)的架構(gòu)，討論了云計算系統(tǒng)中服務的建模、大規(guī)模的自動組合和分布式服務資源的管理與檢測技術，使得云計算系統(tǒng)的開發(fā)者可針對不同的層次設計相應的硬件和軟件架構(gòu)，以及實現(xiàn)服務資源的部署、管理、調(diào)度策略，為云計算使用者提供了靈活和高效的服務系統(tǒng)。本文以地球空間信息系統(tǒng)中的連續(xù)運行參考站網(wǎng)應用為例，分析了服務需求的實例，討論了云計算系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)造中滿足高效服務的兩個基本問題。