樊偉鈺 ，朱曉民

（1 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2 東信北郵信息技術(shù)有限公司，北京 100191）

1 引言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速興起和發(fā)展，各種各樣的PaaS（Platform as a Service，平臺(tái)即服務(wù)）平臺(tái)隨之出現(xiàn)，業(yè)界比較著名的有Sina App Engine （SAE，新浪公司W(wǎng)eb開(kāi)發(fā)PaaS平臺(tái)）、Google App Engine（GAE，谷歌Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和托管平臺(tái)）、Cloud Foundry（CF，VMware公司推出的開(kāi)源PaaS平臺(tái)）等，除此之外還有眾多的企業(yè)內(nèi)部的私有PaaS平臺(tái)。

PaaS系統(tǒng)的出現(xiàn)及發(fā)展，在為Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供巨大便利的同時(shí)，其系統(tǒng)本身、以及其中部署的應(yīng)用和服務(wù)的監(jiān)控任務(wù)也開(kāi)始面臨巨大的挑戰(zhàn)，如何處理及展示大量非結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成為一項(xiàng)重要的內(nèi)容[1,2]。

2 PaaS系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控現(xiàn)狀

2.1 PaaS平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控的必要性

作為云計(jì)算的3種服務(wù)模型中的一種，PaaS具有云計(jì)算所有的特征，其中最重要的兩點(diǎn)，一是極大的節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，二是使用戶更多的關(guān)注自己的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，而不必過(guò)多考慮硬件資源的管理。為了滿足以上的需求，PaaS平臺(tái)一般具有以下幾個(gè)特征：自主 的（autonomous）， 協(xié) 作 的（cooperative）， 自 適應(yīng)的（situational），可進(jìn)化的（evolvable），應(yīng)急的（emergent），可信賴的（trustworthy）[3～5]。為了滿足以上幾個(gè)特征，PaaS平臺(tái)需要具有自我管理的能力，而自我的監(jiān)控則是其中一項(xiàng)最基本的能力。

對(duì)于PaaS服務(wù)的提供者，需要實(shí)時(shí)了解PaaS平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)系統(tǒng)組件的負(fù)荷，系統(tǒng)容量以及負(fù)載，并從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析系統(tǒng)的性能瓶頸，從而不斷的優(yōu)化系統(tǒng)性能。對(duì)于PaaS平臺(tái)本身，為了能夠滿足自主、自適應(yīng)等特性，需要實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)各組件的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)故障組件的自動(dòng)重啟，高負(fù)載組件自動(dòng)擴(kuò)容以及多余組件的自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)縮放。而對(duì)于PaaS服務(wù)的使用者，即應(yīng)用開(kāi)發(fā)者，監(jiān)控功能也是一項(xiàng)必須要提供的功能。開(kāi)發(fā)者需要隨時(shí)了解所托管的應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)，資源占用情況，以及是否需要增加或減少所購(gòu)買的資源等。由此可見(jiàn)，監(jiān)控功能對(duì)于PaaS平臺(tái)自身以及各個(gè)層次的用戶都是必要的。

2.2 PaaS平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控所面臨的問(wèn)題

實(shí)際的PaaS系統(tǒng)監(jiān)控中卻面臨著各種各樣的困難。首先，PaaS系統(tǒng)中組件的多樣性以及組件之間異構(gòu)的特性決定不能使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)方案，必須為各個(gè)組件定制單一的數(shù)據(jù)監(jiān)控方案[5]。其次，相比傳統(tǒng)的軟件監(jiān)控，PaaS系統(tǒng)中各組件分布式的特征以及組件實(shí)例個(gè)數(shù)和運(yùn)行位置的動(dòng)態(tài)性，為監(jiān)控提出了新的挑戰(zhàn)[6,7]。最后，系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)過(guò)于龐雜，可讀性差，對(duì)于各層次的用戶無(wú)法起到監(jiān)控和管理系統(tǒng)和應(yīng)用的作用，從而需要對(duì)大量復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的加工組織。

為了應(yīng)對(duì)這些在PaaS系統(tǒng)監(jiān)控中面臨的問(wèn)題，本文提出了一種全新的解決方案。通過(guò)分布式的代理，以及各組件內(nèi)置的異構(gòu)化的數(shù)據(jù)采集模塊，采集原始數(shù)據(jù)，這樣就有效的解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集問(wèn)題。通過(guò)綜合代理采集的數(shù)據(jù)和組件數(shù)據(jù)采集模塊提交的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)新增組件及丟失的組件。此外，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步關(guān)聯(lián)、綜合，就能夠形成系統(tǒng)總體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)為不同層級(jí)的用戶展示權(quán)限范圍內(nèi)的監(jiān)控視圖。

3 PaaS系統(tǒng)

3.1 PaaS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了更好的理解PaaS監(jiān)控系統(tǒng)所要完成的工作，首先需要介紹一下PaaS的總體架構(gòu)。不同的IT公司和組織都提供了自己的PaaS平臺(tái)，而且各個(gè)PaaS平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)等也各不相同，為了方便同時(shí)又不失一般性，我們將PaaS平臺(tái)從邏輯上抽象為以下幾個(gè)組件：Router（路由器），Controller（控制器），User Auth（用戶鑒權(quán)），App Container（應(yīng)用運(yùn)行容器），Services（服務(wù)組件），Message Bus（消息總線）以及Monitor（監(jiān)控器）等[3]。如圖1所示，各組件的功能如下。

圖1 PaaS系統(tǒng)的組成

Router:路由組件，負(fù)責(zé)將外部的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到PaaS內(nèi)部的指定地址。如將應(yīng)用使用者的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用實(shí)例所在的應(yīng)用運(yùn)行容器，將PaaS用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到控制器或用戶鑒權(quán)組件。此外該組件還負(fù)責(zé)應(yīng)用的不同實(shí)例之間的負(fù)載均衡。

Controller：控制器是PaaS平臺(tái)的控制中心，負(fù)責(zé)處理應(yīng)用開(kāi)發(fā)者管理應(yīng)用和服務(wù)的請(qǐng)求，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的各種異常情況進(jìn)行處理。

User Auth：該組件負(fù)責(zé)PaaS平臺(tái)用戶體系的管理，用戶接入的鑒權(quán)等。

App Container：該組件是應(yīng)用運(yùn)行的環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、必須的語(yǔ)言及框架環(huán)境等。

Service：該組件為PaaS平臺(tái)提供商為應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供的為支持應(yīng)用正常運(yùn)行的服務(wù)，如定時(shí)任務(wù)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、郵件服務(wù)等。該組件最能體現(xiàn)不同PaaS提供商的特性。

Message Bus：該組件是系統(tǒng)運(yùn)行的總線，各組件之間的信息交流都是通過(guò)該組件進(jìn)行的。

Monitor：負(fù)責(zé)采集各個(gè)虛擬機(jī)、組件、應(yīng)用和服務(wù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)出現(xiàn)的異常發(fā)出報(bào)告，同時(shí)為系統(tǒng)管理員、PaaS使用者等提供查看系統(tǒng)及應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)的Web界面。

3.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

采用自頂向下的方法，可以通過(guò)劃分PaaS平臺(tái)各種用戶的類型，然后根據(jù)不同用戶的不同需求，決定需要監(jiān)控哪些內(nèi)容。PaaS平臺(tái)的用戶一般可分為以下3個(gè)角色。

管理員：PaaS平臺(tái)的提供者。該角色關(guān)心整個(gè)PaaS平臺(tái)及基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行情況，包括虛擬機(jī)的配置、運(yùn)行狀態(tài)以及PaaS系統(tǒng)各個(gè)組件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部署運(yùn)行情況。

服務(wù)提供商：PaaS平臺(tái)中所支持的各種服務(wù)的提供者。該角色關(guān)心自身服務(wù)的運(yùn)行情況及開(kāi)發(fā)者對(duì)服務(wù)的購(gòu)買使用情況等。

開(kāi)發(fā)者：PaaS平臺(tái)的使用者，也是應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者。該角色關(guān)心自己應(yīng)用的運(yùn)行情況、應(yīng)用流量、訪問(wèn)量以及所購(gòu)買的資源服務(wù)的使用情況等。

綜合以上3種用戶的需求，可以將需要獲取的監(jiān)控信息分為以下幾個(gè)類型。

基礎(chǔ)設(shè)施信息：主要是指虛擬機(jī)的部署及配置信息，包括虛擬機(jī)的CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)及網(wǎng)絡(luò)配置情況，還包括一些動(dòng)態(tài)信息，比如進(jìn)程的所占用的系統(tǒng)資源信息等。通過(guò)這些信息可以了解該虛擬機(jī)的負(fù)載情況，虛擬機(jī)上各個(gè)進(jìn)程的負(fù)載情況等。

PaaS組件信息：主要是指PaaS平臺(tái)中各個(gè)組件所運(yùn)行的位置，性能數(shù)據(jù)，組件內(nèi)部一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，如APP Container中的應(yīng)用信息，Router中各個(gè)應(yīng)用實(shí)例的流量及訪問(wèn)量信息、路由表信息等。通過(guò)這些信息可以構(gòu)建PaaS平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

服務(wù)信息：包括兩方面的內(nèi)容，一是PaaS平臺(tái)中所能提供的各種服務(wù)信息，包括服務(wù)的類型、服務(wù)的容量、服務(wù)的使用情況；二是應(yīng)用開(kāi)發(fā)者所申請(qǐng)的服務(wù)實(shí)例的信息，包括服務(wù)實(shí)例的容量參數(shù)，使用量，流量信息等。這些信息可以用于服務(wù)的計(jì)費(fèi)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)者對(duì)購(gòu)買的服務(wù)的管理等。

應(yīng)用信息：包括應(yīng)用的語(yǔ)言架構(gòu)，應(yīng)用的實(shí)例個(gè)數(shù)及運(yùn)行情況，應(yīng)用的訪問(wèn)量等信息。PaaS平臺(tái)的使用者可以實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)中應(yīng)用的個(gè)數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者可以了解自己托管應(yīng)用的運(yùn)行狀態(tài)等信息。

用戶信息：是PaaS平臺(tái)的一個(gè)重要內(nèi)容，用戶信息涉及到用戶鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)管理、資源配額管理等。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 總體設(shè)計(jì)

PaaS平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)總體如圖2所示。

系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)的展示。通過(guò)這樣的層次劃分，可以將本系統(tǒng)的3大功能區(qū)分開(kāi)，減少相互之間的耦合度，便于之后各模塊獨(dú)立的更改和升級(jí)。

4.2 原始數(shù)據(jù)的采集

之前已經(jīng)介紹了需要采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的類別，按照這些監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集來(lái)源，可以將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分為以下3個(gè)數(shù)據(jù)源。

圖2 PaaS系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)圖

4.2.1 PaaS平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)

PaaS系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)都是持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)者信息，應(yīng)用和服務(wù)的部分配置信息，如應(yīng)用和服務(wù)的綁定信息、應(yīng)用和域名的綁定信息等。通過(guò)只讀的方式訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)表，可以快速直觀的得到這些原始數(shù)據(jù)。

4.2.2 PaaS組件的Web接口

每個(gè)PaaS組件都會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)名為VARZ的Web接口，所有組件都會(huì)將自己的配置信息、運(yùn)行信息以及自身所執(zhí)行功能的數(shù)據(jù)放到該接口中，并定時(shí)更新，這樣外部就可以在獲取該VARZ接口地址后，方便的采集到該組件的信息。

4.2.3 數(shù)據(jù)采集代理

數(shù)據(jù)采集代理部署在每一個(gè)虛擬機(jī)中，采集每個(gè)虛擬機(jī)的配置信息、性能數(shù)據(jù)（CPU數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)、磁盤(pán)負(fù)載等），以及虛擬機(jī)上的進(jìn)程信息。

采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要通過(guò)某種方式統(tǒng)一的提交到數(shù)據(jù)分析處理模塊。由于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集使用了3種完全異構(gòu)的方式，為了提供統(tǒng)一的對(duì)外接口，采用了基于消息訂閱Message組件，數(shù)據(jù)采集模塊的每個(gè)部分都按照預(yù)定義的消息主題發(fā)布消息，數(shù)據(jù)分析處理模塊可以通過(guò)訂閱相應(yīng)的消息主題獲得采集到的數(shù)據(jù)。

4.3 原始數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析處理模塊的主要功能是將采集到的碎片化的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，綜合整理，形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，有些需要持久化的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，而其他數(shù)據(jù)則只需要保存在內(nèi)存中不斷更新即可。原始數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)過(guò)于龐雜和繁瑣，不能直接提供給不同類型的用戶，需要將各方面采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的整理綜合，形成結(jié)構(gòu)化的、可讀的數(shù)據(jù)。

原始數(shù)據(jù)的處理主要包含以下幾個(gè)功能。

4.3.1 構(gòu)建PaaS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)分析服務(wù)器節(jié)點(diǎn)信息和組件的一些信息，可以定位出PaaS各個(gè)組件與服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而構(gòu)建出PaaS系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，直觀的展示系統(tǒng)的部署情況。

4.3.2 應(yīng)用實(shí)例的分布狀況

在應(yīng)用程序部署的過(guò)程中，應(yīng)用程序?qū)嵗\(yùn)行的實(shí)際位置（具體的哪個(gè)App Container及哪個(gè)服務(wù)器）由PaaS系統(tǒng)根據(jù)一定的策略做出選擇，所以外界無(wú)法直觀的感知。通過(guò)對(duì)應(yīng)用信息的分析結(jié)合PaaS組件的信息，可以定位每個(gè)應(yīng)用實(shí)例實(shí)時(shí)的位置。

4.3.3 統(tǒng)計(jì)應(yīng)用的流量、訪問(wèn)量及負(fù)載信息

通過(guò)對(duì)Router組件路由信息的統(tǒng)計(jì)整理，可以計(jì)算出每一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的訪問(wèn)量、數(shù)據(jù)流量及其運(yùn)行的性能數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)的對(duì)應(yīng)用實(shí)例的個(gè)數(shù)進(jìn)行增減，以確保應(yīng)用運(yùn)行在最佳狀態(tài)同時(shí)避免資源的浪費(fèi)。

4.3.4 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行瓶頸

綜合服務(wù)器節(jié)點(diǎn)及PaaS各組件的負(fù)載情況，可以實(shí)時(shí)了解每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)及PaaS組件的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和組件，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的相應(yīng)部分進(jìn)行擴(kuò)容。同時(shí)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)，將其移除系統(tǒng)。

4.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

將一些有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行持久化，其他數(shù)據(jù)則存放在內(nèi)存中，并向監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)展示模塊提供數(shù)據(jù)接口。

4.4 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的展示

然后根據(jù)不同類型用戶的需求形成不同的監(jiān)控視圖。按照查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的用戶的類別，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的展示分為以下3類型。

4.4.1 系統(tǒng)管理員視圖

系統(tǒng)管理員是PaaS系統(tǒng)的提供者。該角色關(guān)心整個(gè)PaaS系統(tǒng)及基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行情況，包括虛擬機(jī)的配置、運(yùn)行狀態(tài)以及PaaS系統(tǒng)各個(gè)組件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部署運(yùn)行情況。系統(tǒng)管理員可以看到系統(tǒng)中幾乎全部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，內(nèi)容比較多，主要分為兩大類，一是PaaS系統(tǒng)的全局信息，二是PaaS系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)信息。

4.4.2 服務(wù)提供商視圖

服務(wù)提供商PaaS系統(tǒng)中所支持的各種服務(wù)的提供者。該角色關(guān)心自身服務(wù)的運(yùn)行情況及開(kāi)發(fā)者對(duì)服務(wù)的購(gòu)買使用情況等。針對(duì)服務(wù)提供商，信息的展示主要是服務(wù)實(shí)例的信息，每個(gè)服務(wù)實(shí)例的詳細(xì)情況包括服務(wù)的實(shí)例的容量、使用量、及接口流量等數(shù)據(jù)。目前PaaS系統(tǒng)中提供的服務(wù)主要有兩大類：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和短彩服務(wù)，針對(duì)不同的服務(wù)類型，展示的內(nèi)容會(huì)有所差異。

4.4.3 應(yīng)用開(kāi)發(fā)者視圖

應(yīng)用開(kāi)發(fā)者是PaaS系統(tǒng)的使用者，也是應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者。該角色關(guān)心自己應(yīng)用的運(yùn)行情況、應(yīng)用流量、訪問(wèn)量以及所購(gòu)買的資源服務(wù)的使用情況等。

應(yīng)用開(kāi)發(fā)者視圖主要展示用戶創(chuàng)建的應(yīng)用信息，申請(qǐng)的服務(wù)實(shí)例信息等。應(yīng)用信息詳情則包含應(yīng)用實(shí)例的個(gè)數(shù)、應(yīng)用的訪問(wèn)量、應(yīng)用的負(fù)載信息等；服務(wù)實(shí)例信息包含服務(wù)資源的使用量，及其他與應(yīng)用類型相關(guān)的信息。

5 結(jié)論及未來(lái)工作

PaaS系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)能夠有效的解決PaaS系統(tǒng)中大量異構(gòu)化的數(shù)據(jù)的分析及展示問(wèn)題，此外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到不同PaaS平臺(tái)的差異性，所有功能的設(shè)計(jì)都針對(duì)抽象的PaaS平臺(tái)，因而具有較高的移植性。

目前關(guān)于這部分的工作僅停留在數(shù)據(jù)的采集、整理及展示方面，未來(lái)的工作將著重關(guān)注數(shù)據(jù)的監(jiān)控告警方面，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控工作，自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常的監(jiān)控和告警功能。

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