面向SLA懲罰成本最小化的多租戶數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化研究.pdf

1、軟件即服務(wù)(SaaS)是云計(jì)算的一種重要的應(yīng)用交付形式，被服務(wù)提供商廣泛采用，且已經(jīng)成為中小企業(yè)使用先進(jìn)軟件技術(shù)的重要渠道。SaaS模式下，成熟的服務(wù)運(yùn)營(yíng)商一般采用單實(shí)例多租賃的方式，啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例為眾多租戶提供有共性的服務(wù)，這種應(yīng)用被稱為多租戶應(yīng)用。服務(wù)提供商將多租戶應(yīng)用部署在云中，供租戶以按需付費(fèi)的方式來(lái)租賃這些應(yīng)用。
　　服務(wù)提供商根據(jù)租戶的需求及支付能力，提供不同服務(wù)質(zhì)量的SaaS應(yīng)用以備不同租戶所租賃。租戶為確保獲得穩(wěn)

2、定服務(wù)質(zhì)量，與SaaS提供商簽訂服務(wù)水平協(xié)議(SLA，Service-Level Agreement)。查詢響應(yīng)時(shí)間是SLA中重要的性能指標(biāo)，若查詢響應(yīng)時(shí)間超出了SLA規(guī)定的截止時(shí)間，租戶則無(wú)法及時(shí)得到數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，導(dǎo)致較低的SaaS體驗(yàn)。當(dāng)查詢響應(yīng)時(shí)間違背服務(wù)水平目標(biāo)時(shí)，服務(wù)提供商需須根據(jù)簽訂的SLA向租戶支付一定的罰金。服務(wù)提供商根據(jù)每個(gè)租戶的需求及支付的應(yīng)用租賃費(fèi)用與租戶簽訂不同等級(jí)的SLA。如何有效的進(jìn)行查詢優(yōu)化，提高查詢效率，

3、滿足不同用戶的SLA，以最小化SLA懲罰成本，已成為服務(wù)提供商關(guān)注的問(wèn)題。
　　服務(wù)提供商從成本與收益的角度希望用較少的資源成本盡可能滿足所有租戶的查詢SLA，因此多租戶數(shù)據(jù)庫(kù)需在租戶間共享查詢處理資源，優(yōu)化資源利用率。共享資源的多租戶數(shù)據(jù)查詢處理結(jié)構(gòu)必然會(huì)出現(xiàn)多個(gè)租戶查詢爭(zhēng)用資源，進(jìn)而導(dǎo)致一些租戶查詢違反SLA。為最小化服務(wù)提供商SLA懲罰成本最小化，需在云計(jì)算環(huán)境下對(duì)SaaS多租戶數(shù)據(jù)查詢進(jìn)行優(yōu)化，其所面臨的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)包括

4、:(1)多租戶數(shù)據(jù)處理需要良好的云組織架構(gòu)。多租戶數(shù)據(jù)庫(kù)有著租戶數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，同時(shí)租戶不斷加入與離開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，這就需要依賴云計(jì)算平臺(tái)來(lái)完成多租戶數(shù)據(jù)處理。大量的節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)需要良好的數(shù)據(jù)組織、節(jié)點(diǎn)組織及數(shù)據(jù)定位方法，從而為查詢SLA懲罰成本的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。然而，目前給出清晰有效的多租戶數(shù)據(jù)云組織架構(gòu)的文獻(xiàn)較少。(2)以租戶為單位的資源分配粒度過(guò)大，仍有需進(jìn)一步優(yōu)化的空間。以租戶的單位的資源的分配較易實(shí)現(xiàn)，目前多以租戶粒度對(duì)SLA懲

5、罰進(jìn)行優(yōu)化。然而，一個(gè)租戶的諸多查詢?cè)趹土P成本、訪問(wèn)頻率、占用資源量方面也有不同的屬性。因此，需要以查詢?yōu)閱挝粚?duì)處理資源進(jìn)行分配與調(diào)度，更加精細(xì)的進(jìn)行查詢優(yōu)化。(3)多租戶應(yīng)用用戶眾多，查詢并發(fā)數(shù)量多，易造成處理的性能瓶頸。特別是在負(fù)載較高時(shí)，云中眾多節(jié)點(diǎn)負(fù)載不平衡，會(huì)導(dǎo)致一些查詢無(wú)法在截止時(shí)間前完成，增加SLA的懲罰成本。云中去中心化的組織結(jié)構(gòu)是避免性能瓶頸較為有效的手段。因此，降低SLA懲罰成本的查詢優(yōu)化需基于云中去中心化的組織結(jié)構(gòu)

6、。(4)當(dāng)查詢處理節(jié)點(diǎn)處于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易造成較多查詢違約。當(dāng)云中各處理節(jié)點(diǎn)配置完畢后，多租戶的數(shù)據(jù)查詢到達(dá)率并不穩(wěn)定，當(dāng)處于查詢到達(dá)高峰時(shí)，各查詢會(huì)對(duì)有限的處理資源競(jìng)爭(zhēng)占用。這時(shí)若采用開(kāi)辟新的處理節(jié)點(diǎn)或者租戶數(shù)據(jù)遷移的方式為租戶分配資源，無(wú)法敏捷、及時(shí)地解決資源爭(zhēng)用問(wèn)題。因此，需要設(shè)計(jì)一種高峰時(shí)期的查詢處理應(yīng)急機(jī)制，使違約的懲罰最小。
　　本文在云計(jì)算環(huán)境下，以服務(wù)提供商的懲罰成本最小化為目標(biāo)，結(jié)合租戶數(shù)據(jù)的隔離性、定制性特點(diǎn)

7、，對(duì)多租戶的數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化的索引、緩存、調(diào)度環(huán)節(jié)展開(kāi)研究與討論，主要工作和貢獻(xiàn)包括:
　　(1)針對(duì)多租戶數(shù)據(jù)處理需要良好的云組織架構(gòu)的問(wèn)題，建立了一個(gè)支持P2P結(jié)構(gòu)的多租戶索引機(jī)制，該機(jī)制對(duì)云中的多租戶數(shù)據(jù)及索引、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組織，避免了集中式索引的性能瓶頸，同時(shí)為后續(xù)基于SLA的查詢處理優(yōu)化提供了良好的數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)。
　　該索引支持租戶查詢對(duì)隔離性的需求，即在利用索引獲取數(shù)據(jù)時(shí)避免獲取到其他租戶無(wú)效數(shù)據(jù)。該機(jī)制支持索引項(xiàng)的順序

8、存儲(chǔ)，支持SaaS應(yīng)用常見(jiàn)的比較查詢、范圍查詢。該機(jī)制將屬于一個(gè)租戶的索引與數(shù)據(jù)集中地存儲(chǔ)在盡可能少的節(jié)點(diǎn)上，避免了租戶查詢處理時(shí)大量數(shù)據(jù)傳輸。該機(jī)制提供了動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性，可以利用云計(jì)算平臺(tái)的伸縮性為無(wú)限數(shù)量的租戶提供索引服務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在租戶數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，該機(jī)制的單點(diǎn)查詢時(shí)間與范圍查詢時(shí)間比集中式索引分別至少節(jié)省50％與75％，懲罰成本至少可以降低20％。
　　(2)針對(duì)資源分配粒度過(guò)大問(wèn)題，建立了一個(gè)SLA感知

9、的多租戶數(shù)據(jù)緩存管理機(jī)制，在P2P結(jié)構(gòu)下根據(jù)不同租戶查詢的特征及違約懲罰值對(duì)多租戶數(shù)據(jù)庫(kù)的緩存進(jìn)行優(yōu)化，降低服務(wù)提供商的懲罰成本。
　　建立了緩存數(shù)據(jù)與查詢懲罰成本的量化關(guān)系，為選取緩存數(shù)據(jù)提供了依據(jù)。該機(jī)制為每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成緩存數(shù)據(jù)，能夠較大幅度降低總體懲罰成本?？梢暂^高效率完成跨節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)調(diào)整。在該機(jī)制中，任意節(jié)點(diǎn)都可以迅速完成租戶查詢的分發(fā)，使租戶查詢?cè)谔幚頃r(shí)間最短的節(jié)點(diǎn)上被處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在云計(jì)算平臺(tái)上，其懲罰成本比基

10、準(zhǔn)算法至少減少30％。
　　(3)針對(duì)當(dāng)查詢處理節(jié)點(diǎn)處于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易造成較多查詢違約的問(wèn)題，建立了一個(gè)最小化SLA懲罰成本的多租戶查詢?nèi)ブ行幕{(diào)度機(jī)制，通過(guò)確定每個(gè)查詢的處理節(jié)點(diǎn)與處理時(shí)間，在處理資源緊張的條件下，優(yōu)先保證關(guān)鍵查詢?cè)诮刂箷r(shí)間前返回，從而達(dá)到懲罰成本最小化。
　　該機(jī)制根據(jù)租戶查詢的違約懲罰值、截止時(shí)間的急迫性，賦予每個(gè)租戶查詢一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的租戶查詢會(huì)被先處理，從而達(dá)到總體懲罰成本最小化。該機(jī)制基