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)使用先進軟件技術(shù)的重要渠道。SaaS模式下，成熟的服務(wù)運營商一般采用單實例多租賃的方式，啟動一個應(yīng)用實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，供租戶以按需付費的方式來租賃這些應(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)時間是SLA中重要的性能指標，若查詢響應(yīng)時間超出了SLA規(guī)定的截止時間，租戶則無法及時得到數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，導(dǎo)致較低的SaaS體驗。當查詢響應(yīng)時間違背服務(wù)水平目標時，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)每個租戶的需求及支付的應(yīng)用租賃費用與租戶簽訂不同等級的SLA。如何有效的進行查詢優(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)必然會出現(xiàn)多個租戶查詢爭用資源，進而導(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，需在云計算環(huán)境下對SaaS多租戶數(shù)據(jù)查詢進行優(yōu)化，其所面臨的主要問題和挑戰(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)庫有著租戶數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大的特點，同時租戶不斷加入與離開數(shù)據(jù)庫，這就需要依賴云計算平臺來完成多租戶數(shù)據(jù)處理。大量的節(jié)點與數(shù)據(jù)需要良好的數(shù)據(jù)組織、節(jié)點組織及數(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)的文獻較少。(2)以租戶為單位的資源分配粒度過大，仍有需進一步優(yōu)化的空間。以租戶的單位的資源的分配較易實現(xiàn)，目前多以租戶粒度對SLA懲

5、罰進行優(yōu)化。然而，一個租戶的諸多查詢在懲罰成本、訪問頻率、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μ幚碣Y源進行分配與調(diào)度，更加精細的進行查詢優(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。特別是在負載較高時，云中眾多節(jié)點負載不平衡，會導(dǎo)致一些查詢無法在截止時間前完成，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)當查詢處理節(jié)點處于滿負荷運行時，容易造成較多查詢違約。當云中各處理節(jié)點配置完畢后，多租戶的數(shù)據(jù)查詢到達率并不穩(wěn)定，當處于查詢到達高峰時，各查詢會對有限的處理資源競爭占用。這時若采用開辟新的處理節(jié)點或者租戶數(shù)據(jù)遷移的方式為租戶分配資源，無法敏捷、及時地解決資源爭用問題。因此，需要設(shè)計一種高峰時期的查詢處理應(yīng)急機制，使違約的懲罰最小。
　　本文在云計算環(huán)境下，以服務(wù)提供商的懲罰成本最小化為目標，結(jié)合租戶數(shù)據(jù)的隔離性、定制性特點

7、，對多租戶的數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化的索引、緩存、調(diào)度環(huán)節(jié)展開研究與討論，主要工作和貢獻包括:
　　(1)針對多租戶數(shù)據(jù)處理需要良好的云組織架構(gòu)的問題，建立了一個支持P2P結(jié)構(gòu)的多租戶索引機制，該機制對云中的多租戶數(shù)據(jù)及索引、節(jié)點進行組織，避免了集中式索引的性能瓶頸，同時為后續(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隔離性的需求，即在利用索引獲取數(shù)據(jù)時避免獲取到其他租戶無效數(shù)據(jù)。該機制支持索引項的順序

8、存儲，支持SaaS應(yīng)用常見的比較查詢、范圍查詢。該機制將屬于一個租戶的索引與數(shù)據(jù)集中地存儲在盡可能少的節(jié)點上，避免了租戶查詢處理時大量數(shù)據(jù)傳輸。該機制提供了動態(tài)擴展性，可以利用云計算平臺的伸縮性為無限數(shù)量的租戶提供索引服務(wù)。實驗結(jié)果表明，在租戶數(shù)量與節(jié)點數(shù)量達到一定規(guī)模時，該機制的單點查詢時間與范圍查詢時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)針對資源分配粒度過大問題，建立了一個SLA感知

9、的多租戶數(shù)據(jù)緩存管理機制，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多租戶數(shù)據(jù)庫的緩存進行優(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)。該機制為每個節(jié)點生成緩存數(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)點的緩存數(shù)據(jù)調(diào)整。在該機制中，任意節(jié)點都可以迅速完成租戶查詢的分發(fā)，使租戶查詢在處理時間最短的節(jié)點上被處理。通過實驗驗證了在云計算平臺上，其懲罰成本比基

10、準算法至少減少30％。
　　(3)針對當查詢處理節(jié)點處于滿負荷運行時，容易造成較多查詢違約的問題，建立了一個最小化SLA懲罰成本的多租戶查詢?nèi)ブ行幕{(diào)度機制，通過確定每個查詢的處理節(jié)點與處理時間，在處理資源緊張的條件下，優(yōu)先保證關(guān)鍵查詢在截止時間前返回，從而達到懲罰成本最小化。
　　該機制根據(jù)租戶查詢的違約懲罰值、截止時間的急迫性，賦予每個租戶查詢一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的租戶查詢會被先處理，從而達到總體懲罰成本最小化。該機制基