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【摘要】云基础架构效能研究问题是云计算研究的重要内容。本文介绍了目前主流的云基础架构发展现状，通过分析指出了当前云基础架构效能研究的不足。研究了基于功能节点、结构网络的云基础架构效能层次化研究方法，对云基础架构的组成要素进行了形式化描述。建立了云基础架构效能指标体系，通过对功能节点和结构网络中的具体指标参数进行描述，构造了云基础架构效能数学模型。最后利用理论分析证明了基于功能节点与结构网络的云基础架构效能层次化研究方法的可行性。为云基础架构效能研究提供了参考。
【关键词】云计算基础架构；功能节点；结构网络；效能
1.引言
云基础架构作为云计算体系的基础，位于云计算系统的底层。云基础架构的良好运行对云计算系统有着至关重要的作用。
2.云计算基础架构
2.1 云基础架构的定义
目前，业界及学术界对云基础架构还没有一个统一的定义利标准。各IT运营商均根据自身的实际情况，以各自的理解定义和实现云计算基础架构的部署。
通过对现有云计算系统基础架构以及相关文献资料的分析研究，可以得出以下结论：云计算基础架构是指由硬件资源（PC服务器、磁盘阵列、路由器、交换机及相关配套设备）组成，通过虚拟化技术、分布式并行技术整合形成的用以直接对外提供存储、计算服务或作为基础设施为上层云计算应用提供存储、计算能力支撑的一种高效、可靠并且具有良好扩展性的底层分布式系统。
2.2 云基础架构的结构体系
目前云基础架构的体系结构还没有一个统一的定义及标准，业界各厂家均有自己的解决方案及实现方式，学术界也根据现有技术产品提出改进方案。IBM公司在其IBM Cloud Foundation Stuck基础架构云计算解决方案中把云基础架构分为4个层次：物力资源层、逻辑资源层、虚拟化管理平台层和云计算服务平台层。物力资源层主要提供云基础架构所需的服务器等硬件设施。逻辑资源层是指物理资源层与虚拟化的软硬结合，使资源能够拥有更好的扩展性、可分配性和可调度性。虚拟化平台层是对逻辑资源进行管理、调度的平台。云计算服务管理层则是云平台的门户，用户通过云计算服务管理层对虚拟化资源进行操作。苏州大学董昊晶、崔志明等通过研究VMware虚拟化相关技術产品，对VMware vSphere原有逻辑结构框架进行了实例验证，并用TCO计算器得到构建私有云的成本，数据显示在部署大量高性能服务器进行虚拟化的前提下具有比传统数据中心更低的成本优势。
通过对当前业界主流云基础架构系统的分析和对相关学术成果的研究，可以看出云基础架构的作用是通过将物理资源转化为虚拟资源池，实现对资源的监控、调度和管理以达到为上层应用和用户提供弹性的计算和存储资源的目的。由此本文将云基础架构分为图1所示的五个层次。
3.云基础架构的效能分析
3.1 云基础架构效能的定义
系统的效能是指对系统所具有能达到规定任务要求能力的度量。系统的效能不仅是其所具有的内在的执行任务的能力，而且是在系统的全寿命周期中围绕系统的一些活动所取得的效果，也称之为系统的效能。通过对复杂电子系统进行效能研究，可以量化系统标称能力与实际能力的匹配程度。通过研究系统效能可以对系统的运行进行科学的预测，并对系统进行有效的维护和改进。云基础架构作为一个庞大、复杂的电子信息系统，其效能对于整个云计算服务起着至关重要的作用。通过研究，本文对云基础架构效能加以概括既云基础架构效能是指在其运行周期内对云基础架构完成任务效果的度量。云基础架构作为一个大型的分布式系统，其效能并不能简单以完成任务数量的多少来衡量，其分布式的基本架构和良好的扩展性都使其能够完成数量庞大的任务。所以简单的以完成任务的多少来衡量其效能的方法有待改进。因此本文利用完成任务的效果作为衡量云基础架构效能的标准。
3.2 云基础架构效能的层次化分析
根据云计算的定义，云计算系统是在云基础架构之上，将置于其上层的应用以服务的形式提供给用户的系统。所以整个云计算系统运行的过程。也可以看作是云基础架构、云应用和用户三者间数据交互的过程。由此可得到云数据交互模型如图4所示。
由图3可知，用户端通过网络将所需请求发送至云应用端。云应用端根据用户请求，利用云基础架构的计算及存储能力对数据进行处理，最后将结果返回至用户端。通过云数据交互模型，可以得出云基础架构效能与云计算效能之间的关系。既云计算系统要想提供给用户良好的用户体验，其效能应该由云基础架构效能、云应用效能及网络效能共同组成。因此云基础架构效能不完全等同于云计算效能，它是云计算效能的重要组成部分之一。
通过上述分析可知云基础架构在整个云系统交互中所处的位置，由此可知云基础架构效能的具体表现形式在于对数据的处理上。因此本文根据云基础架构的体系结构图.1构造云基础架构的任务请求处理流程图，以此作为层次化分析云基础架构效能的理论基础。通过研究分析得云基础架构请求处理流程如图4。
根据上述描述，可以推出云基础架构效能是以各层次良好运行的共同结果来体现的，既云基础架构完成任务的效果是由云基础架构各层次的共同作用来体现的。因此研究各层次之间的运行参数指标及其之间的联系对研究云基础架构效能有着重要作用。
云计算与传统服务器运营模式上最大的区别在于云计算将交互过程中绝大部分的数据计算与存储工作都放到云中来处理，客户端几乎就是一个用于显示结果的显示器。因此在分析云基础架构效能上，不能再延续传统的分析服务器的方式方法。而是应该从云基础架构的入手，研究其效能问题。因此本文尝试基于功能节点和结构网络的云基础架构效能分析方法。
所谓功能节点是指具有特定功能的基础物理资源，如PC服务器、存储矩阵等。它作为构成云基础架构的基本物理单元，其效能对整个云基础架构效能有着重要影响。结构网络是指以控制软件为依托的由功能点相互连接而形成的云基础架构网络拓扑结构。结构面是一个抽象的概念，它依托在物理功能点之上，对功能点起着支配、调度的作用，因此研究结构面的效能问题对研究云基础架构效能同样起着重要的作用。通过上述思想，可以抽象出云基础架构的组成要素如表2。 通过抽象云基础架构的功能节点与结构网络，可以对云基础架构进行形式化描述：
CN—A=（FN—A1，…，FN—An）
CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）
CN—E=（FN—E1，…，FN—En）
CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）
CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）
3.3 云基础架构效能的研究参数指标
通过对相关材料的分析与研究，本文提出云基础架构效能指标体系如图5。
表3为各指标定义及表示符号。
通过云基础架构效能指标体系，可得云基础架构效能数学模型：
功能节点效能：EFN=f（PFN、TFN、BFN）结构网络效能：ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）
交互效能：EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T）
云基础架构效能：E=（EFN、ECN、EIF）
4.理论分析
通过上述指标体系，可以得出云基础架构效能的实质是不同结构网络之间数据交互过程。不同结构网络之间的数据交互又被参与交互的结构网络效能及交互信道效能所影响。不同的结构网络由相同属性的功能节点相互组成，所以结构网络的效能又受到结构网络效能的自身组织特性与同属性功能节点的效能的影响。而功能节点的效能可由其功能特性所决定。因为通过一个数据交互过程不仅可以得到运算结果，还可以通过过程找出影响过程的因素。所以在研究云基础架构效能的过程中，研究整个云基础架构的数据交互过程，既研究功能节点效能，进而研究同属性结构网络效能，最后研究不同属性结构网络间数据交互效能，通过数据交互过程来研究云基础架构效能是可行的。本文通过构建云基础架构典型结构（如图6），分析验证从功能节点到结构网络的分析思路对云基础架构效能研究的可行性。
为计算方便，设所有服务器同构。图6（a）是一个典型的分布式云基础架构处理模型：上层向服务器A提出任务请求，服务器A（负责请求分析与控制分配）完成任务要涉及服务器B、C，服务器C要想完成任务要涉及服务器E、D。现假设有n个不同的任务请求同时发送至服务器A处，通过分析可以得到完成第n个任务所需时间为
，
其中表示C1的任服务器A完成第i个任务所需的时间。将图6（a）中所有服务器数量扩张至原数量的两倍得到图6（b）。在图6（b）中，相同功能服务节点间可形成同属性结构网络。同一时刻同时发出n个任务请求，其中有m个任务请求分配至服务器A1，n—m个任务请求分配至服务器A2，由推算可知第n个任务请求的应答时间为：
其中参数l、k是上层服务器A1、A2分配给服务器B1的任务请求，参数分别是服务器A1、A2发送给务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给D1的任务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给E1的任务请求。由服务器A1、A2的总任务数是m+n—m=n可知m <、<。
同理可以推出
<、<、<、<、<、<、<、<。
由此可知<。从上述分析可知结构网络的构建可以提高云基础架构的任务需求的处理数量，对云基础架构效能有着积极的影响，但是随着网络结构复杂程度的增加，在不同属性间结构网络的交互过程也变得复杂，这又会影响云基础架构的效能。因此从具体指标的数据变化以及结构网络的具体结构能够反应出效能的变化。
5.结论
本文对云基础架构进行了定义和结构框架分析，定义了云基础架构效能。并从层次化的角度分析了云基础架构数据交互过程，利用基于功能节点和结构网络的云基础架构效能研究方法对云基础架构数据交互过程进行了形式化描述：CN—A=（FN—A1，…，FN—An）、CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）、CN—E=（FN—E1，…，FN—En）、CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）。并在此基础上提出建立了云基础架构效能体系指标，构造了云基础架构效能数学模型：E=（EFN、ECN、EIF）其中（EFN=f（PFN、TFN、BFN）、ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）、EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T））。最后本文通过理论分析对研究方法进行了可行性分析。通过分析可知，基于功能节点与结构网络的云基礎架构效能分析方法，能有正确地根据云计算的模式特点为云基础架构效能的研究提供方向。
参考文献
[1]黄浩晶，崔志明.一种以vSphere为核心的私有云基础架构设计方案[A].微电子学与计算机，2011，28（4）：38—41.
[2]刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社，2011，7.
[3]A.Lenk，M.Klems，J.Nimis，S.Tai.What is Inside the Cloud？ An Architectural Map of the Cloud Landscape.http：//www2.computer.org/portal/web/csdl/doi/10.1109/CLOUD.2009.5071519.
[4]张敏，陈云海.虚拟化技术在新一代云计算数据中心的应用研究[J].计算机应用，2011：35—39.
[5]陈康，郑纬民.云计算系统实例与研究现状[J].软件学报，2009，20（5）：1337—1348.
作者简介：
冯昊（1987—），男，仡佬族，贵州贵阳人，武警工程大学硕士研究生在读，主要研究方向：通信安全、计算机网络、云计算。
张龙军（1961—），男，陕西西安人，教授，博士后，硕士研究生导师，主要研究方向：信息安全。
邹涛（1961—），男，陕西西安人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：军事通信。
王伟（1967—），男，陕西西安人，大学本科，现供职于陕西省警卫局，主要研究方向：通信安全。
【关键词】云计算基础架构；功能节点；结构网络；效能
1.引言
云基础架构作为云计算体系的基础，位于云计算系统的底层。云基础架构的良好运行对云计算系统有着至关重要的作用。
2.云计算基础架构
2.1 云基础架构的定义
目前，业界及学术界对云基础架构还没有一个统一的定义利标准。各IT运营商均根据自身的实际情况，以各自的理解定义和实现云计算基础架构的部署。
通过对现有云计算系统基础架构以及相关文献资料的分析研究，可以得出以下结论：云计算基础架构是指由硬件资源（PC服务器、磁盘阵列、路由器、交换机及相关配套设备）组成，通过虚拟化技术、分布式并行技术整合形成的用以直接对外提供存储、计算服务或作为基础设施为上层云计算应用提供存储、计算能力支撑的一种高效、可靠并且具有良好扩展性的底层分布式系统。
2.2 云基础架构的结构体系
目前云基础架构的体系结构还没有一个统一的定义及标准，业界各厂家均有自己的解决方案及实现方式，学术界也根据现有技术产品提出改进方案。IBM公司在其IBM Cloud Foundation Stuck基础架构云计算解决方案中把云基础架构分为4个层次：物力资源层、逻辑资源层、虚拟化管理平台层和云计算服务平台层。物力资源层主要提供云基础架构所需的服务器等硬件设施。逻辑资源层是指物理资源层与虚拟化的软硬结合，使资源能够拥有更好的扩展性、可分配性和可调度性。虚拟化平台层是对逻辑资源进行管理、调度的平台。云计算服务管理层则是云平台的门户，用户通过云计算服务管理层对虚拟化资源进行操作。苏州大学董昊晶、崔志明等通过研究VMware虚拟化相关技術产品，对VMware vSphere原有逻辑结构框架进行了实例验证，并用TCO计算器得到构建私有云的成本，数据显示在部署大量高性能服务器进行虚拟化的前提下具有比传统数据中心更低的成本优势。
通过对当前业界主流云基础架构系统的分析和对相关学术成果的研究，可以看出云基础架构的作用是通过将物理资源转化为虚拟资源池，实现对资源的监控、调度和管理以达到为上层应用和用户提供弹性的计算和存储资源的目的。由此本文将云基础架构分为图1所示的五个层次。
3.云基础架构的效能分析
3.1 云基础架构效能的定义
系统的效能是指对系统所具有能达到规定任务要求能力的度量。系统的效能不仅是其所具有的内在的执行任务的能力，而且是在系统的全寿命周期中围绕系统的一些活动所取得的效果，也称之为系统的效能。通过对复杂电子系统进行效能研究，可以量化系统标称能力与实际能力的匹配程度。通过研究系统效能可以对系统的运行进行科学的预测，并对系统进行有效的维护和改进。云基础架构作为一个庞大、复杂的电子信息系统，其效能对于整个云计算服务起着至关重要的作用。通过研究，本文对云基础架构效能加以概括既云基础架构效能是指在其运行周期内对云基础架构完成任务效果的度量。云基础架构作为一个大型的分布式系统，其效能并不能简单以完成任务数量的多少来衡量，其分布式的基本架构和良好的扩展性都使其能够完成数量庞大的任务。所以简单的以完成任务的多少来衡量其效能的方法有待改进。因此本文利用完成任务的效果作为衡量云基础架构效能的标准。
3.2 云基础架构效能的层次化分析
根据云计算的定义，云计算系统是在云基础架构之上，将置于其上层的应用以服务的形式提供给用户的系统。所以整个云计算系统运行的过程。也可以看作是云基础架构、云应用和用户三者间数据交互的过程。由此可得到云数据交互模型如图4所示。
由图3可知，用户端通过网络将所需请求发送至云应用端。云应用端根据用户请求，利用云基础架构的计算及存储能力对数据进行处理，最后将结果返回至用户端。通过云数据交互模型，可以得出云基础架构效能与云计算效能之间的关系。既云计算系统要想提供给用户良好的用户体验，其效能应该由云基础架构效能、云应用效能及网络效能共同组成。因此云基础架构效能不完全等同于云计算效能，它是云计算效能的重要组成部分之一。
通过上述分析可知云基础架构在整个云系统交互中所处的位置，由此可知云基础架构效能的具体表现形式在于对数据的处理上。因此本文根据云基础架构的体系结构图.1构造云基础架构的任务请求处理流程图，以此作为层次化分析云基础架构效能的理论基础。通过研究分析得云基础架构请求处理流程如图4。
根据上述描述，可以推出云基础架构效能是以各层次良好运行的共同结果来体现的，既云基础架构完成任务的效果是由云基础架构各层次的共同作用来体现的。因此研究各层次之间的运行参数指标及其之间的联系对研究云基础架构效能有着重要作用。
云计算与传统服务器运营模式上最大的区别在于云计算将交互过程中绝大部分的数据计算与存储工作都放到云中来处理，客户端几乎就是一个用于显示结果的显示器。因此在分析云基础架构效能上，不能再延续传统的分析服务器的方式方法。而是应该从云基础架构的入手，研究其效能问题。因此本文尝试基于功能节点和结构网络的云基础架构效能分析方法。
所谓功能节点是指具有特定功能的基础物理资源，如PC服务器、存储矩阵等。它作为构成云基础架构的基本物理单元，其效能对整个云基础架构效能有着重要影响。结构网络是指以控制软件为依托的由功能点相互连接而形成的云基础架构网络拓扑结构。结构面是一个抽象的概念，它依托在物理功能点之上，对功能点起着支配、调度的作用，因此研究结构面的效能问题对研究云基础架构效能同样起着重要的作用。通过上述思想，可以抽象出云基础架构的组成要素如表2。 通过抽象云基础架构的功能节点与结构网络，可以对云基础架构进行形式化描述：
CN—A=（FN—A1，…，FN—An）
CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）
CN—E=（FN—E1，…，FN—En）
CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）
CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）
3.3 云基础架构效能的研究参数指标
通过对相关材料的分析与研究，本文提出云基础架构效能指标体系如图5。
表3为各指标定义及表示符号。
通过云基础架构效能指标体系，可得云基础架构效能数学模型：
功能节点效能：EFN=f（PFN、TFN、BFN）结构网络效能：ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）
交互效能：EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T）
云基础架构效能：E=（EFN、ECN、EIF）
4.理论分析
通过上述指标体系，可以得出云基础架构效能的实质是不同结构网络之间数据交互过程。不同结构网络之间的数据交互又被参与交互的结构网络效能及交互信道效能所影响。不同的结构网络由相同属性的功能节点相互组成，所以结构网络的效能又受到结构网络效能的自身组织特性与同属性功能节点的效能的影响。而功能节点的效能可由其功能特性所决定。因为通过一个数据交互过程不仅可以得到运算结果，还可以通过过程找出影响过程的因素。所以在研究云基础架构效能的过程中，研究整个云基础架构的数据交互过程，既研究功能节点效能，进而研究同属性结构网络效能，最后研究不同属性结构网络间数据交互效能，通过数据交互过程来研究云基础架构效能是可行的。本文通过构建云基础架构典型结构（如图6），分析验证从功能节点到结构网络的分析思路对云基础架构效能研究的可行性。
为计算方便，设所有服务器同构。图6（a）是一个典型的分布式云基础架构处理模型：上层向服务器A提出任务请求，服务器A（负责请求分析与控制分配）完成任务要涉及服务器B、C，服务器C要想完成任务要涉及服务器E、D。现假设有n个不同的任务请求同时发送至服务器A处，通过分析可以得到完成第n个任务所需时间为
，
其中表示C1的任服务器A完成第i个任务所需的时间。将图6（a）中所有服务器数量扩张至原数量的两倍得到图6（b）。在图6（b）中，相同功能服务节点间可形成同属性结构网络。同一时刻同时发出n个任务请求，其中有m个任务请求分配至服务器A1，n—m个任务请求分配至服务器A2，由推算可知第n个任务请求的应答时间为：
其中参数l、k是上层服务器A1、A2分配给服务器B1的任务请求，参数分别是服务器A1、A2发送给务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给D1的任务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给E1的任务请求。由服务器A1、A2的总任务数是m+n—m=n可知m
同理可以推出
<、<、<、<、<、<、<、<。
由此可知<。从上述分析可知结构网络的构建可以提高云基础架构的任务需求的处理数量，对云基础架构效能有着积极的影响，但是随着网络结构复杂程度的增加，在不同属性间结构网络的交互过程也变得复杂，这又会影响云基础架构的效能。因此从具体指标的数据变化以及结构网络的具体结构能够反应出效能的变化。
5.结论
本文对云基础架构进行了定义和结构框架分析，定义了云基础架构效能。并从层次化的角度分析了云基础架构数据交互过程，利用基于功能节点和结构网络的云基础架构效能研究方法对云基础架构数据交互过程进行了形式化描述：CN—A=（FN—A1，…，FN—An）、CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）、CN—E=（FN—E1，…，FN—En）、CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）。并在此基础上提出建立了云基础架构效能体系指标，构造了云基础架构效能数学模型：E=（EFN、ECN、EIF）其中（EFN=f（PFN、TFN、BFN）、ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）、EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T））。最后本文通过理论分析对研究方法进行了可行性分析。通过分析可知，基于功能节点与结构网络的云基礎架构效能分析方法，能有正确地根据云计算的模式特点为云基础架构效能的研究提供方向。
参考文献
[1]黄浩晶，崔志明.一种以vSphere为核心的私有云基础架构设计方案[A].微电子学与计算机，2011，28（4）：38—41.
[2]刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社，2011，7.
[3]A.Lenk，M.Klems，J.Nimis，S.Tai.What is Inside the Cloud？ An Architectural Map of the Cloud Landscape.http：//www2.computer.org/portal/web/csdl/doi/10.1109/CLOUD.2009.5071519.
[4]张敏，陈云海.虚拟化技术在新一代云计算数据中心的应用研究[J].计算机应用，2011：35—39.
[5]陈康，郑纬民.云计算系统实例与研究现状[J].软件学报，2009，20（5）：1337—1348.
作者简介：
冯昊（1987—），男，仡佬族，贵州贵阳人，武警工程大学硕士研究生在读，主要研究方向：通信安全、计算机网络、云计算。
张龙军（1961—），男，陕西西安人，教授，博士后，硕士研究生导师，主要研究方向：信息安全。
邹涛（1961—），男，陕西西安人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：军事通信。
王伟（1967—），男，陕西西安人，大学本科，现供职于陕西省警卫局，主要研究方向：通信安全。