云計(jì)算環(huán)境中高質(zhì)量資源管理及高可信安全策略研究.pdf

1、云計(jì)算(Cloud Computing，CC)作為效用計(jì)算的一種實(shí)現(xiàn)形式，開(kāi)啟了人們生活的新篇章、開(kāi)拓了未來(lái)計(jì)算的新紀(jì)元、開(kāi)創(chuàng)了社會(huì)發(fā)展的新時(shí)代，其是以商業(yè)為主要源動(dòng)力的大規(guī)模分布式計(jì)算范式，利用抽象化、虛擬化、透明化、自動(dòng)化、即時(shí)部署、寬帶網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源間的互聯(lián)、互通和互操作，以統(tǒng)一服務(wù)(X as a Service，XaaS)的形式，利用多終端、多平臺(tái)和多網(wǎng)絡(luò)，在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、并以任意方式為用戶提供包括軟件、

2、平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的按需即用(pay-as-you-go)、隨需應(yīng)變、快速部署、瞬時(shí)釋放、物美價(jià)廉、安全高效的非平凡SLOs(Service Level Objectives)服務(wù)。云計(jì)算的目標(biāo)是為用戶提供安全、高效、可靠、靈活且價(jià)格低廉的服務(wù)，而存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力、應(yīng)用平臺(tái)等資源不再是有限的了，為急劇增長(zhǎng)的硬件成本、存儲(chǔ)能力、服務(wù)計(jì)算等各種新的需求的滿足提供了高效的解決方案，并受到了政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注、充分肯定和全面褒揚(yáng)。

3、
　　在當(dāng)前的云計(jì)算發(fā)展中，還存在著諸多問(wèn)題亟待深入研究，主要包括:
　　(1)高服務(wù)質(zhì)量，由于不同用戶對(duì)資源的應(yīng)用偏好具有較大差異性、動(dòng)態(tài)變化性和不可預(yù)測(cè)性，而經(jīng)典的調(diào)度機(jī)制由于缺乏足夠的差異選擇能力而會(huì)導(dǎo)致性能的急劇下降，不能很好的滿足云計(jì)算環(huán)境中的高服務(wù)質(zhì)量需求，那么，高服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題將是開(kāi)啟高服務(wù)質(zhì)量的云計(jì)算新紀(jì)元的主要障礙之一。因此，隨著用戶對(duì)高服務(wù)質(zhì)量要求的不斷提高，需要考慮對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行有效的改善和

4、管理，滿足系統(tǒng)中高服務(wù)質(zhì)量的需求;
　　(2)高可用，由于數(shù)據(jù)中心需要支持大規(guī)模的數(shù)據(jù)訪問(wèn)與并行的服務(wù)請(qǐng)求，同時(shí)，在云數(shù)據(jù)中心中，錯(cuò)誤的發(fā)生將是一種常態(tài)現(xiàn)象而不是例外事件，那么，高可用問(wèn)題將是開(kāi)啟高可用的云計(jì)算新紀(jì)元的主要障礙之一。因此，隨著用戶對(duì)高可用要求的不斷提高，需要考慮對(duì)云計(jì)算環(huán)境中系統(tǒng)的高可用性進(jìn)行有效的改善和管理，滿足系統(tǒng)高可用性的需求;
　　(3)高能效，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷發(fā)展，服務(wù)器數(shù)目的不斷增多，對(duì)能量

5、消耗的不斷增加，由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、市場(chǎng)等諸多問(wèn)題的存在，那么，高能效問(wèn)題將是開(kāi)啟綠云計(jì)算新紀(jì)元的主要障礙之一。因此，隨著全球變暖和對(duì)能量依賴的不斷增加，需要考慮對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的能量進(jìn)行有效的量化、監(jiān)控、改進(jìn)和管理，滿足系統(tǒng)中高能效的需求;
　　(4)高可信賴，由于云數(shù)據(jù)中心是由大規(guī)模、分布式的虛擬化節(jié)點(diǎn)組成，只有提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心的可信賴性，才能讓用戶優(yōu)先選擇數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，那么，高可信賴問(wèn)題將是開(kāi)啟高可信賴的云計(jì)算新紀(jì)元的主要

6、障礙之一，由于，高可信賴性問(wèn)題產(chǎn)生于數(shù)據(jù)的可靠性、可用性、保險(xiǎn)性、完整性、可維護(hù)性等相關(guān)問(wèn)題，因此，需要考慮對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的系統(tǒng)可信賴進(jìn)行有效的改善和管理，滿足系統(tǒng)中高可信賴的需求;
　　(5)高可信任，由于敏感應(yīng)用和用戶數(shù)據(jù)被存放于云端，并在數(shù)據(jù)中心的虛擬機(jī)中運(yùn)行，其中，由于訪問(wèn)脆弱性、虛擬化脆弱性、Web應(yīng)用脆弱性等問(wèn)題的存在，那么，高可信任問(wèn)題將是開(kāi)啟高可信任的云計(jì)算新紀(jì)元的主要障礙之一。由于，高可信任性問(wèn)題產(chǎn)生于數(shù)據(jù)控制、

7、身份認(rèn)證、信息匱乏等相關(guān)問(wèn)題，因此，需要考慮對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的系統(tǒng)的可信任進(jìn)行有效的監(jiān)控、改善和管理，滿足系統(tǒng)中高可信任的需求。
　　針對(duì)當(dāng)前云計(jì)算環(huán)境中所存在的高服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題、高可用問(wèn)題、高能效問(wèn)題、高可信賴問(wèn)題和高可信任問(wèn)題，本文分別從服務(wù)質(zhì)量、可用性、能效性、可信賴性和可信任性五個(gè)方面，進(jìn)行系統(tǒng)的、全面的、深入的分析研究，并取得了一系列具有理論和實(shí)踐價(jià)值的創(chuàng)新性研究成果。其中，主要研究工作和創(chuàng)新性成果體現(xiàn)在以下五個(gè)方面:

8、>　　(1)在高服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題方面，提出了一種云資源調(diào)度策略。首先，從理論上對(duì)云計(jì)算環(huán)境中的資源調(diào)度進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與建模，基于云任務(wù)規(guī)模預(yù)測(cè)DP模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶的應(yīng)用偏好和多維QoS空間中的用戶效用進(jìn)行了分析和量化，并給出了多維QoS優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù);其次，結(jié)合具有快速多目標(biāo)優(yōu)化能力的免疫克隆算法，提出了一種基于應(yīng)用偏好的云資源調(diào)度優(yōu)化算法，根據(jù)應(yīng)用偏好信息為抗體分配偏好優(yōu)先級(jí)，據(jù)此進(jìn)行抗體的免疫克隆操作，提高抗體的免疫基因操作的預(yù)見(jiàn)性

9、，增加抗體選擇操作的適應(yīng)性，減少抗體的有效搜索空間，極大的改善了向最優(yōu)解的有效收斂能力。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，所提出的資源調(diào)度策略極大的改善了云數(shù)據(jù)中心資源調(diào)度的可用性、負(fù)載均衡離差、平均效用和有效時(shí)間等方面的性能，滿足了系統(tǒng)的高服務(wù)質(zhì)量要求。
　　(2)在高可用問(wèn)題方面，提出了一種數(shù)據(jù)副本復(fù)制策略。首先，分析和建模了系統(tǒng)可用性和數(shù)據(jù)副本數(shù)目之間的依存關(guān)系;其次，對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化分析，當(dāng)數(shù)據(jù)的熱度超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置的動(dòng)態(tài)閾值時(shí)，將該

10、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為待創(chuàng)建副本的數(shù)據(jù);最后，為了滿足特定的系統(tǒng)比特效率，為副本確定所需要?jiǎng)?chuàng)建的副本數(shù)目，并以一種負(fù)載均衡的方式將所創(chuàng)建的副本放置到系統(tǒng)中的恰當(dāng)位置。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，所提出的數(shù)據(jù)副本復(fù)制策略在僅僅需要少量數(shù)據(jù)副本的情況下，極大的提高了云數(shù)據(jù)中心的可用性，改善了系統(tǒng)的任務(wù)成功執(zhí)行率，滿足了系統(tǒng)的高可用要求。
　　(3)在高能效問(wèn)題方面，提出了一種多維能量消耗M2EC模型。首先，分析了在云計(jì)算環(huán)境中能量消耗和服務(wù)級(jí)目標(biāo)SLOs

11、之間的量化關(guān)系，得出了實(shí)現(xiàn)綠色服務(wù)級(jí)目標(biāo)的基本條件;其次，通過(guò)多維性能指標(biāo)，如:能量消耗、碳排放量、健康因素、經(jīng)濟(jì)因素和可持續(xù)性因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綠云計(jì)算的量化，通過(guò)組合多維性能指標(biāo)，得出一個(gè)云計(jì)算環(huán)境的綠云度;再次，通過(guò)FIFO算法和M2EC算法實(shí)現(xiàn)對(duì)綠云環(huán)境中虛擬機(jī)資源的調(diào)度，同時(shí)，對(duì)在線遷移成本進(jìn)行了量化分析，有效的管理了虛擬機(jī)的遷移，實(shí)現(xiàn)了綠云度的最小化，滿足了綠色服務(wù)級(jí)目標(biāo);最后，在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，通過(guò)M2EC算法有效的調(diào)度虛擬

12、機(jī)資源，評(píng)測(cè)了相應(yīng)的綠云服務(wù)級(jí)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，該算法具有高效的綠色增強(qiáng)能力，以及顯著的能量節(jié)省能力，在云計(jì)算環(huán)境中可以高效率的實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色性能和服務(wù)級(jí)目標(biāo)之間的權(quán)衡，滿足了系統(tǒng)的高能效要求。
　　(4)在高可信賴問(wèn)題方面，提出了一種云計(jì)算環(huán)境可信賴模型。首先，給出了云計(jì)算環(huán)境中的可信賴性的定義，并通過(guò)一系列可信賴性屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)可信賴性的量化;其次，系統(tǒng)的分析了在各種情況下，實(shí)現(xiàn)可信賴性的理論水平;最后，提出了一種通過(guò)使用虛擬

13、化技術(shù)，增強(qiáng)云計(jì)算環(huán)境中系統(tǒng)可信賴性的一般理論方法。系統(tǒng)的理論分析表明，高可信賴性的云計(jì)算環(huán)境可以通過(guò)增加虛擬機(jī)數(shù)目以及每臺(tái)虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)的可信賴性得以實(shí)現(xiàn)，并且，為了達(dá)到所需要的系統(tǒng)可信賴性要求，最小數(shù)目的虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)在理論上是可以確定的，從而滿足系統(tǒng)的高可信賴要求。
　　(5)在高可信任問(wèn)題方面，提出了一種多角度、多階段的云計(jì)算環(huán)境信任模型。首先，根據(jù)信任實(shí)體間關(guān)于特定內(nèi)容的交互歷史實(shí)現(xiàn)對(duì)信任的度量;其次，通過(guò)分析信任信息的相似性、