面向SaaS應用的多租戶數(shù)據(jù)放置機制研究.pdf

1、軟件即服務(Software as a Service，SaaS)作為云計算的三種服務模式之一，憑借其按需租賃、成本低、易于擴展等優(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)應用先進技術的重要途徑，被認為是推動企業(yè)信息化建設的強有力武器，具有廣闊的發(fā)展前景。
　　多租戶是實現(xiàn)SaaS的關鍵技術，作為最常見的云服務，SaaS應用的兩大特征體現(xiàn)在:單實例多租賃和系統(tǒng)能夠動態(tài)擴展適應多租戶需求。SaaS服務提供商基于一對多的軟件

2、交付方式，同一應用支持萬千租戶共享，所有租戶的業(yè)務數(shù)據(jù)共同存儲在服務提供商的數(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)點存儲能力成為瓶頸，當租戶對存儲空間和服務質量提出更高要求時，可以借助靈活的云計算架構推動系統(tǒng)實現(xiàn)彈性擴展。
　　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)服務提供了近似無限擴展的機會。但現(xiàn)有的云數(shù)據(jù)庫通常基于數(shù)據(jù)即服務(Data as a Service，DaaS)的理念，不是專門針對SaaS應

3、用而設計，不能識別出應用層面的多租戶特征，無法保障SaaS應用的高效運行并滿足多租戶的用戶體驗。使得SaaS多租戶數(shù)據(jù)在往云中多節(jié)點轉變過程中，面臨諸多挑戰(zhàn):(1)基于云架構數(shù)據(jù)節(jié)點的彈性擴展能力，如何實現(xiàn)SaaS多租戶數(shù)據(jù)合理有效的放置?，F(xiàn)有云數(shù)據(jù)放置機制沒有體現(xiàn)SaaS特點，通常忽略了作為獨立個體的應用層的多租戶特征，將導致多租戶數(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，才能有效實現(xiàn)多租戶數(shù)據(jù)多節(jié)點的放置，維護系統(tǒng)動態(tài)擴展。(2)缺乏有效的SaaS多租戶數(shù)據(jù)劃分機制。合理劃分是實現(xiàn)云中可擴展架構、支撐數(shù)據(jù)多節(jié)點放置的關鍵步驟。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，一方面擴展能力較弱，對事務型工作負載的支持非常有限;令一方面無法識別SaaS應用多租戶，數(shù)據(jù)劃分后難以有效降低分布式事務代價。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)點內，也有可

5、能跨越云中多個節(jié)點，如何將基于共享模式存儲的多租戶數(shù)據(jù)進行合理劃分，在實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)擴展的同時最大限度地減少分布式事務代價是需要研究的一項重要工作。(3)缺少靈活的SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本一致性維護機制。SaaS模式下，各租戶對應用的定制需求呈現(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)帶來大量負擔。因此，只有從多租戶角度出發(fā)，更合理且細粒度的制定一致性機制，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)點的合理放置問題為目標，對多租戶數(shù)據(jù)的動態(tài)放置機制、基于共享模式的數(shù)據(jù)劃分策略、數(shù)據(jù)副本一致性維護等關鍵問題進行了深入研究，主要工作和貢獻概況如下:
　　(1)提出一種針對SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本的動態(tài)放置機制，解決了因現(xiàn)有放置策略缺乏多租戶特征的支持，導致數(shù)據(jù)雜亂分散放置，進而引起節(jié)點負載不均衡、副本一致性

7、維護成本增加等問題。并通過動態(tài)調整機制，維護系統(tǒng)性能并節(jié)約系統(tǒng)資源。
　　本文對影響數(shù)據(jù)放置的多種因素進行深入分析，由此建立節(jié)點之間影響放置的權重函數(shù)?；赟aaS應用節(jié)點和數(shù)據(jù)存儲節(jié)點的拓撲關系，以及放置權重函數(shù)，構建多租戶數(shù)據(jù)放置模型，并設計多租戶數(shù)據(jù)放置算法，獲得最優(yōu)的租戶數(shù)據(jù)放置節(jié)點集合，保證節(jié)點的負載均衡，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)點的合理放置提供了更有效的保證。針對系統(tǒng)負載的變化，本文研究數(shù)據(jù)放置動態(tài)調整機制，通過對共享存儲的多租戶數(shù)據(jù)劃分，進行放置位置的調整，維護系統(tǒng)性能并節(jié)約系統(tǒng)資源，有效實現(xiàn)在云中多節(jié)點的動態(tài)放置。實驗結果表明，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)點往云中多數(shù)據(jù)節(jié)點擴展過程中，現(xiàn)有云數(shù)據(jù)存儲無法意識

9、到SaaS應用租戶，導致數(shù)據(jù)劃分產生大量分布式事務的問題。
　　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，實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模的擴展。本文提出一個三層結構的多租戶數(shù)據(jù)劃分模型，依次為Tenant層、group層、租戶分區(qū)層。通過對“相關性”、“相關值”，“相關性矩陣”等概念的定義，按照本文提出的相關性分組算法，將一個租戶的數(shù)據(jù)劃分形成多個不同的分組，本文稱其為相關性分組group，每個g

10、roup內包含相關性較高的租戶定制的多個table。在此基礎上以group為單位，事務訪問特征為權重，進行圖的抽象，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)之間的分布式事務數(shù)目最小。最后根據(jù)數(shù)據(jù)放置機制中目標節(jié)點的選擇，確定劃分后需要擴展到新節(jié)點上的租戶及租戶分區(qū)數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)基于共享模式存儲的多租戶數(shù)據(jù)在多節(jié)點動態(tài)擴展的同時，最大程度的降低了分布式事務。實驗結果表明，與

11、其他幾種常用數(shù)據(jù)劃分技術相比，產生的分布式事務數(shù)目明顯降低，保證了SaaS應用的高效運行。
　　(3)提出一種自適應的SaaS多租戶數(shù)據(jù)副本一致性維護機制，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)造成大量負擔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應用對數(shù)據(jù)一致性需求的差異，提出自適應的數(shù)據(jù)副本一致性維護機制，包括四種不同的一致性級別。系統(tǒng)在運行過程中，根據(jù)實時統(tǒng)計的特征變量的變化，及呈現(xiàn)出的不同讀寫訪問情況，基于強一致性、弱一致性、以及二者之間的折中，動態(tài)選擇調整不同的數(shù)據(jù)副本一致性維護機制，達到一致性、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，分別設置詳細的一致性維護策略，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