云計算環(huán)境面向SaaS多租戶的可伸縮數(shù)據(jù)放置研究.pdf

1、隨著云計算的發(fā)展及應(yīng)用軟件的成熟，軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)作為云計算的一種應(yīng)用形式，越來越受到重視，已逐漸成為中小企業(yè)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的重要途徑。PaaS平臺可以屏蔽開發(fā)SaaS服務(wù)的諸多底層實現(xiàn)技術(shù)，逐漸成為云計算市場成長階段的主導(dǎo)力量。通過將應(yīng)用剝離出去，使得從事SaaS的人員可以專注于自己所熟悉的業(yè)務(wù)，為用戶提供軟件和服務(wù)的應(yīng)用，而從事云計算資源的人員就專心做好自身的調(diào)度和服務(wù)，實現(xiàn)資源的動態(tài)

2、伸縮。
　　目前，成熟的SaaS服務(wù)提供商多采用一對多的軟件交付模式，成千上萬租戶共享一個應(yīng)用，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)提供商的共享數(shù)據(jù)庫中，最終用戶感受不到所使用的實例在同一時間也為其他客戶所共享。支持租戶定制的多租戶共享存儲架構(gòu)，實現(xiàn)了從操作系統(tǒng)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等各個級別的資源共享，充分利用了硬件、數(shù)據(jù)庫等資源，然而通過垂直擴(kuò)展所能支持的租戶數(shù)量受到硬件限制，當(dāng)租戶需要更多存儲空間和更高服務(wù)質(zhì)量時，單節(jié)點能力成為瓶頸，需要采用更加靈活的云

3、計算架構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)模的動態(tài)擴(kuò)展。
　　現(xiàn)有云數(shù)據(jù)庫，如SQL Azure，面向傳統(tǒng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)租賃服務(wù)，實現(xiàn)了大規(guī)模多租戶數(shù)據(jù)的放置，但其在設(shè)計時并未考慮多租戶應(yīng)用單實例多租賃的特點。多租戶應(yīng)用是一個特殊的應(yīng)用，同時支持多個應(yīng)用級別的租戶，每個租戶又有眾多用戶。該類型租戶由應(yīng)用層管理，對于應(yīng)用層來說，租戶之間是彼此隔離的，但對于數(shù)據(jù)層來說，多租戶應(yīng)用作為一個實際的數(shù)據(jù)租戶，其所有數(shù)據(jù)共享使用租賃的空間，租戶之間并沒有區(qū)別。由于意識不

4、到應(yīng)用租戶的存在，現(xiàn)有面向租戶的數(shù)據(jù)放置技術(shù)無法使用，多租戶應(yīng)用在性能和運行成本等方面很難滿足需求。
　　多租戶數(shù)據(jù)放置技術(shù)做為PaaS平臺高效運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，面臨的新需求主要體現(xiàn)在:(1)大規(guī)模租戶高并發(fā)事務(wù)需求，事務(wù)并發(fā)控制更加復(fù)雜。以Salesforce為例，成千上萬的SaaS租戶租賃同一應(yīng)用，其數(shù)據(jù)需求各異，事務(wù)特性各種各樣，基于已有的云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行的擴(kuò)展，如寬表、數(shù)據(jù)透視表、私有表等，難以滿足多租戶應(yīng)用的擴(kuò)展及及大規(guī)模高并發(fā)

5、事務(wù)性能需求。同時，現(xiàn)有的租戶數(shù)據(jù)隔離機(jī)制，也難以有效的支撐數(shù)據(jù)的多節(jié)點分布及冗余放置。(2)租戶數(shù)據(jù)平衡分布問題。數(shù)據(jù)規(guī)模急劇增大，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多數(shù)據(jù)中心、多節(jié)點分布、多副本放置的特性。由于各個租戶業(yè)務(wù)規(guī)模、業(yè)務(wù)量、復(fù)雜程度有所不同，時常出現(xiàn)負(fù)載不平衡的現(xiàn)象，即有的數(shù)據(jù)中心負(fù)載高，有的低。由于各租戶基于同一套應(yīng)用運行各自的業(yè)務(wù)，各租戶數(shù)據(jù)共享存儲，現(xiàn)有機(jī)制難以通過統(tǒng)計訪問地域、訪問時間等策略提取租戶業(yè)務(wù)特征，無法平衡分布各租戶數(shù)據(jù)。亟需提

6、供租戶感知的分布策略，才能有利于提高多租戶應(yīng)用的運行效率。(3)租戶數(shù)據(jù)動態(tài)遷移問題。租戶數(shù)據(jù)模式的定制，租戶數(shù)據(jù)的持續(xù)操作，以及租戶的加入和退出，都可能導(dǎo)致原本平衡的數(shù)據(jù)節(jié)點不再平衡。需建立針對多租戶數(shù)據(jù)模型的負(fù)載評測及動態(tài)遷移機(jī)制，對負(fù)載過高或過低的數(shù)據(jù)節(jié)點進(jìn)行動態(tài)遷移處理，以確保資源的充分利用。
　　上述問題使得有些租戶的SLA(Service-Level Agreement)不能得到滿足，而有些租戶使用了過高性能的環(huán)境，造

7、成SaaS服務(wù)提供商成本的浪費。本論文針對多租戶應(yīng)用數(shù)據(jù)節(jié)點負(fù)載平衡、運營商成本最小化等需求，圍繞多租戶數(shù)據(jù)放置相關(guān)問題展開研究工作，目標(biāo)在于最大限度地支持快速開發(fā)與交付，保障SaaS應(yīng)用多租戶的高效運行。本課題主要貢獻(xiàn)概括如下:
　　(1)提出面向租戶的鎖粒度模型以及事務(wù)驅(qū)動的局部數(shù)據(jù)遷移策略，確保多租戶高并發(fā)事務(wù)的高效運行。
　　考慮到多租戶數(shù)據(jù)存儲及訪問模型的進(jìn)一步優(yōu)化，針對并發(fā)控制的鎖技術(shù)進(jìn)行了更深的探討，本文結(jié)合多

8、租戶數(shù)據(jù)分布的特點，提出面向租戶的鎖粒度模型，同時，建立事務(wù)分析機(jī)制，結(jié)合事務(wù)沖突率、死鎖率、鎖數(shù)量、系統(tǒng)吞吐量等多個方面的影響因子，建立鎖粒度函數(shù)，求解合適的租戶鎖粒度區(qū)間，并根據(jù)求得的鎖粒度，驅(qū)動局部數(shù)據(jù)遷移，為大規(guī)模多租戶事務(wù)并發(fā)及數(shù)據(jù)管理提供更高的性能。實驗結(jié)果證明，面向租戶的鎖粒度模型及遷移策略，每秒鐘可以增加響應(yīng)100多個事務(wù)。
　　(2)提出一種基于排隊論模型的單隊列多服務(wù)臺的多租戶數(shù)據(jù)副本數(shù)量求解策略，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高

9、可靠性和高效訪問，并降低服務(wù)提供商成本。
　　針對租戶數(shù)據(jù)訪問熱度變化造成的系統(tǒng)負(fù)載不均衡，以及平均請求等待時間變長等問題，本文對請求到達(dá)時間和響應(yīng)時間均符合指數(shù)分布的概率規(guī)律性進(jìn)行研究，驗證其符合泊松概率分布，通過M/M/S/∞模型確定最優(yōu)的多租戶數(shù)據(jù)副本數(shù)量，通過對多租戶數(shù)據(jù)片段在不同節(jié)點上的復(fù)制，在保證數(shù)據(jù)高可靠性的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效訪問，并降低服務(wù)提供商成本。實驗結(jié)果證明，依據(jù)本文的副本求解策略，請求的響應(yīng)時間與期望值

10、擬合度非常高，能夠適應(yīng)系統(tǒng)請求個數(shù)的變化。
　　(3)提出了一個基于SLA的新的遷移策略，基于需求估算模型、遷移成本計算模型及遷移可靠性保證機(jī)制，降低遷移操作的總成本，并優(yōu)化SaaS應(yīng)用總體性能。
　　針對現(xiàn)有資源分配模式、容量規(guī)劃和資源分配方法無法識別租戶的特性，難以實現(xiàn)按需多租戶數(shù)據(jù)遷移的問題，本文提出了一個新的遷移策略。其中，需求資源估算模型來決定何時遷移，遷移成本模型指導(dǎo)選擇可能的租戶進(jìn)行遷移，單寫雙讀的遷移模型保證