面向SaaS應(yīng)用的多租戶數(shù)據(jù)放置機(jī)制研究.pdf

1、軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)作為云計(jì)算的三種服務(wù)模式之一，憑借其按需租賃、成本低、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢改變了人們使用軟件的傳統(tǒng)模式，已逐漸成為中小企業(yè)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的重要途徑，被認(rèn)為是推動企業(yè)信息化建設(shè)的強(qiáng)有力武器，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　多租戶是實(shí)現(xiàn)SaaS的關(guān)鍵技術(shù)，作為最常見的云服務(wù)，SaaS應(yīng)用的兩大特征體現(xiàn)在:單實(shí)例多租賃和系統(tǒng)能夠動態(tài)擴(kuò)展適應(yīng)多租戶需求。SaaS服務(wù)提供商基于一對多的軟件

2、交付方式，同一應(yīng)用支持萬千租戶共享，所有租戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共同存儲在服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)庫中。然而隨著租戶數(shù)目以及數(shù)據(jù)量的劇增，原始的單數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲能力成為瓶頸，當(dāng)租戶對存儲空間和服務(wù)質(zhì)量提出更高要求時，可以借助靈活的云計(jì)算架構(gòu)推動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彈性擴(kuò)展。
　　云數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，為大規(guī)模多租戶數(shù)據(jù)放置和數(shù)據(jù)服務(wù)提供了近似無限擴(kuò)展的機(jī)會。但現(xiàn)有的云數(shù)據(jù)庫通?；跀?shù)據(jù)即服務(wù)(Data as a Service，DaaS)的理念，不是專門針對SaaS應(yīng)

3、用而設(shè)計(jì)，不能識別出應(yīng)用層面的多租戶特征，無法保障SaaS應(yīng)用的高效運(yùn)行并滿足多租戶的用戶體驗(yàn)。使得SaaS多租戶數(shù)據(jù)在往云中多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變過程中，面臨諸多挑戰(zhàn):(1)基于云架構(gòu)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的彈性擴(kuò)展能力，如何實(shí)現(xiàn)SaaS多租戶數(shù)據(jù)合理有效的放置?，F(xiàn)有云數(shù)據(jù)放置機(jī)制沒有體現(xiàn)SaaS特點(diǎn)，通常忽略了作為獨(dú)立個體的應(yīng)用層的多租戶特征，將導(dǎo)致多租戶數(shù)據(jù)的雜亂放置或者某一個租戶數(shù)據(jù)的無序分散，影響租戶數(shù)據(jù)訪問成本并增加數(shù)據(jù)一致性維護(hù)代價，所以，只有在云

4、數(shù)據(jù)管理中引入SaaS多租戶的特征，才能有效實(shí)現(xiàn)多租戶數(shù)據(jù)多節(jié)點(diǎn)的放置，維護(hù)系統(tǒng)動態(tài)擴(kuò)展。(2)缺乏有效的SaaS多租戶數(shù)據(jù)劃分機(jī)制。合理劃分是實(shí)現(xiàn)云中可擴(kuò)展架構(gòu)、支撐數(shù)據(jù)多節(jié)點(diǎn)放置的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分方式，以及現(xiàn)有云數(shù)據(jù)管理中的數(shù)據(jù)分區(qū)方案，一方面擴(kuò)展能力較弱，對事務(wù)型工作負(fù)載的支持非常有限;令一方面無法識別SaaS應(yīng)用多租戶，數(shù)據(jù)劃分后難以有效降低分布式事務(wù)代價。隨著系統(tǒng)規(guī)模的動態(tài)增長，同一租戶數(shù)據(jù)可能存儲于一個節(jié)點(diǎn)內(nèi)，也有可

5、能跨越云中多個節(jié)點(diǎn)，如何將基于共享模式存儲的多租戶數(shù)據(jù)進(jìn)行合理劃分，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)擴(kuò)展的同時最大限度地減少分布式事務(wù)代價是需要研究的一項(xiàng)重要工作。(3)缺少靈活的SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本一致性維護(hù)機(jī)制。SaaS模式下，各租戶對應(yīng)用的定制需求呈現(xiàn)多樣化，若直接采用已有靜態(tài)單一的一致性維護(hù)策略來統(tǒng)一約束所有租戶數(shù)據(jù)，不僅不能滿足多租戶對一致性的差異需求，還會給系統(tǒng)帶來大量負(fù)擔(dān)。因此，只有從多租戶角度出發(fā)，更合理且細(xì)粒度的制定一致性機(jī)制，尋找數(shù)

6、據(jù)副本一致性、可用性及系統(tǒng)性能之間的平衡，才能更好的推動SaaS模式的發(fā)展。
　　本文主要以SaaS多租戶數(shù)據(jù)在云中多節(jié)點(diǎn)的合理放置問題為目標(biāo)，對多租戶數(shù)據(jù)的動態(tài)放置機(jī)制、基于共享模式的數(shù)據(jù)劃分策略、數(shù)據(jù)副本一致性維護(hù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究，主要工作和貢獻(xiàn)概況如下:
　　(1)提出一種針對SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本的動態(tài)放置機(jī)制，解決了因現(xiàn)有放置策略缺乏多租戶特征的支持，導(dǎo)致數(shù)據(jù)雜亂分散放置，進(jìn)而引起節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡、副本一致性

7、維護(hù)成本增加等問題。并通過動態(tài)調(diào)整機(jī)制，維護(hù)系統(tǒng)性能并節(jié)約系統(tǒng)資源。
　　本文對影響數(shù)據(jù)放置的多種因素進(jìn)行深入分析，由此建立節(jié)點(diǎn)之間影響放置的權(quán)重函數(shù)?；赟aaS應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，以及放置權(quán)重函數(shù)，構(gòu)建多租戶數(shù)據(jù)放置模型，并設(shè)計(jì)多租戶數(shù)據(jù)放置算法，獲得最優(yōu)的租戶數(shù)據(jù)放置節(jié)點(diǎn)集合，保證節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，同時降低租戶數(shù)據(jù)訪問成本減少一致性更新代價。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的不同階段，本文提出了針對初始數(shù)據(jù)、租戶新數(shù)據(jù)、新租戶數(shù)據(jù)的

8、不同的放置策略，為多租戶數(shù)據(jù)在多節(jié)點(diǎn)的合理放置提供了更有效的保證。針對系統(tǒng)負(fù)載的變化，本文研究數(shù)據(jù)放置動態(tài)調(diào)整機(jī)制，通過對共享存儲的多租戶數(shù)據(jù)劃分，進(jìn)行放置位置的調(diào)整，維護(hù)系統(tǒng)性能并節(jié)約系統(tǒng)資源，有效實(shí)現(xiàn)在云中多節(jié)點(diǎn)的動態(tài)放置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的放置策略，能夠使多租戶數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)具有較好的總體性能。
　　(2)提出一種支持SaaS應(yīng)用的多租戶數(shù)據(jù)劃分模型及算法，解決了由單數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)往云中多數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展過程中，現(xiàn)有云數(shù)據(jù)存儲無法意識

9、到SaaS應(yīng)用租戶，導(dǎo)致數(shù)據(jù)劃分產(chǎn)生大量分布式事務(wù)的問題。
　　隨著云中租戶數(shù)目的增加以及數(shù)據(jù)量的增大，單節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲成為整個系統(tǒng)的瓶頸，需要通過數(shù)據(jù)劃分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。本文提出一個三層結(jié)構(gòu)的多租戶數(shù)據(jù)劃分模型，依次為Tenant層、group層、租戶分區(qū)層。通過對“相關(guān)性”、“相關(guān)值”，“相關(guān)性矩陣”等概念的定義，按照本文提出的相關(guān)性分組算法，將一個租戶的數(shù)據(jù)劃分形成多個不同的分組，本文稱其為相關(guān)性分組group，每個g

10、roup內(nèi)包含相關(guān)性較高的租戶定制的多個table。在此基礎(chǔ)上以group為單位，事務(wù)訪問特征為權(quán)重，進(jìn)行圖的抽象，并通過最小割stoer-wagner算法，得到以group為粒度的多個租戶分區(qū)。在此劃分過程中，確保租戶分區(qū)之間的分布式事務(wù)數(shù)目最小。最后根據(jù)數(shù)據(jù)放置機(jī)制中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的選擇，確定劃分后需要擴(kuò)展到新節(jié)點(diǎn)上的租戶及租戶分區(qū)數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)基于共享模式存儲的多租戶數(shù)據(jù)在多節(jié)點(diǎn)動態(tài)擴(kuò)展的同時，最大程度的降低了分布式事務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與

11、其他幾種常用數(shù)據(jù)劃分技術(shù)相比，產(chǎn)生的分布式事務(wù)數(shù)目明顯降低，保證了SaaS應(yīng)用的高效運(yùn)行。
　　(3)提出一種自適應(yīng)的SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本一致性維護(hù)機(jī)制，解決了現(xiàn)有云存儲方案中靜態(tài)單一的一致性策略統(tǒng)一約束所有租戶數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)造成大量負(fù)擔(dān)并且不能滿足多租戶對一致性多樣化需求的問題。
　　本文從多租戶數(shù)據(jù)本身、SaaS應(yīng)用、多租戶三個方面出發(fā)，分析可能影響數(shù)據(jù)一致性需求水平的因素，并對其進(jìn)行形式化定義。針對云環(huán)境中不同租

12、戶以及不同的SaaS應(yīng)用對數(shù)據(jù)一致性需求的差異，提出自適應(yīng)的數(shù)據(jù)副本一致性維護(hù)機(jī)制，包括四種不同的一致性級別。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)時統(tǒng)計(jì)的特征變量的變化，及呈現(xiàn)出的不同讀寫訪問情況，基于強(qiáng)一致性、弱一致性、以及二者之間的折中，動態(tài)選擇調(diào)整不同的數(shù)據(jù)副本一致性維護(hù)機(jī)制，達(dá)到一致性、可用性和系統(tǒng)性能之間的動態(tài)平衡。本文針對四種不同的一致性級別，分別設(shè)置詳細(xì)的一致性維護(hù)策略，并提出共享存儲環(huán)境下的多租戶數(shù)據(jù)副本邏輯管理模型Cohort。通