基于S L A的图书馆云服务成本计算模型构建研究

邓卫红 赵又霖

（1.张家界航空工业职业技术学院信息工程系 湖南张家界 427000）（2.武汉大学信息管理学院 湖北武汉 430072）

1 引言

本文在讨论图书馆云服务的成本计算模型中，主要是把图书馆看作云服务的接受者，即将图书馆看作用户，从用户的角度来研究成本计算模型，其出发点有：①图书馆服务性质的特殊性，其不是单一的盈利机构；②图书馆云服务中，图书馆的角色既可以是服务提供者，也可以是服务使用者。基于以上两点原因，本文将从用户的角度来构建图书馆云服务的成本计算模型。对图书馆云服务的成本与资源利用情况加以研究，有以下三方面的意义：①可以为云计算在图书馆中的资金使用状况起到参考咨询作用；②为图书馆以及提供商之间的服务质量起到保障作用；③在图书馆云服务中，图书馆作为用户方而言，可以为其如何采购云服务提供指导作用。

2 研究现状

在云计算环境下，图书馆获得了更好的信息服务平台。美国圣母大学（Notre Dame University）图书馆的高级系统管理员Robert提出使用类似购买软件许可证或签订SLA的形式，保证云计算环境下图书馆的服务能以特定的价格在特定的时间交付特定的服务质量。一些大学图书馆或公共图书馆已经开始购买云计算的IaaS、PaaS和SaaS等服务。通过购买云服务，图书馆把与IT技术有关的活动或职能托管给云计算服务提供商，由云计算服务提供商负责提供所需的IT技术，自己则可以将人员及经历放在核心服务及业务创新上。如美国匹兹堡大学图书馆、俄亥俄州图书馆咨询系统使用 Amazon 负责图书馆资源的存储。加州理工学院东部肯塔基大学图书馆用Google Analytics来收集统计网站、目录和博客的信息，用Google Apps作为日常工作的应用程序，用Google Calendar来安排指令和会议。这些云计算应用，有利于减少图书馆的IT技术压力，提高图书馆的工作效率。Michael认为云是图书馆中很有价值的信息资源，鼓励图书馆使用各种整合设备来自由接入云、访问云端的资源、利用云来节约获取资源的时间和金钱，并允许用户在云端做个性化设置及在个人设备上做定位搜索。

服务等级协议在国外的图书馆中早已有所应用，其应用方式有两种：

第一种是图书馆作为客户方，购买提供商的服务并与提供商签订服务等级协议，作为获得服务质量的保证方式。如大英图书馆与JISC签订了SLA，使用JISC的监测装置来监测EThOS的各种功能的性能及使用数据，并且该SLA详细描述服务性能和报告的例外情况。

另一种是图书馆作为提供方，将自己提供的图书馆服务和功能交付给用户使用。与用户签订的SLA是作为让用户明确使用图书馆服务所应遵守的相关规定和政策。英国的许多图书馆都通过与用户（包括大学、当地政府）签订协议，发现服务目标与用户的需求和期望之间的差距，以开发更多、更有价值的服务，如谢菲尔德大学图书馆、大英图书馆、伦敦大学伯克贝克学院图书馆、利物浦约翰摩尔大学图书馆、巴希尔登医疗图书馆等。谢菲尔德大学图书馆详细描述了图书馆所提供的15项服务内容（联络服务、馆藏服务、编目、查询服务、借阅服务等）的服务等级协议。美国的耶鲁大学图书馆、费吉尼亚社区学院图书馆管理系统也向用户提供了使用图书馆的服务、功能和资源的SLA。

服务等级协议在国外图书馆的应用较多，但理论研究的成果相对较少。Smith最早定义和描述了大英图书馆所使用的服务等级协议，分析了服务等级协议在图书馆信息服务环境中所包含的内容，指出服务等级协议在图书馆中的优劣势，如图书馆可利用SLA严格执行服务条款和服务等级的优势，了解更多的用户需求和用户期望。Calvert解释了SLA的基本原理，描述了图书馆等信息部门与提供商、上级机构等可能存在的关系，用SLA作为厘清关系、职责的方式，指导图书馆构建和实施SLA，保证图书馆的服务质量和投资价值。OCLC向其成员提供了完全网络化的图书馆服务，它用商业化的SLA阐明其所提供服务的服务等级和性能目标，如CONTENTdm Quick Start SLA和 CONTENTdm Hosting Service SLA。

与国外图书馆应用服务等级协议的情况相反，国内图书馆至今尚未使用“服务等级协议”一词描述服务双方的职责，只使用了一般的商业合同或协议。

在云服务成本研究方面，Macias 和 Guitart提出了通过使用资源供给方式和按需动态设定价格的方法最大化IaaS的收益。在一些项目中对分布式系统中用户需求规范加以了研究。正如Karaenke和Kirn所描述的，大多数关于WSLA和WS-Agreement的研究都是使用SLA规范，而这一研究都是缺乏经济属性和签署协议的。为了弥补这些缺点，Oldham等引入了基于WSDL-S和OWL的语义网技术来加强WS-Agreement的规范化，来实现自动的 SLA 匹配。同样的，Dobson 和 Sanchez-Macian，Green介绍了一个QoS本体应用，包括基于本体的SLA框架实现所有场景的构建。然而，这些研究都仅仅局限于静态的SLA，没有考虑到动态变化的资源分配和市场需求。许多研究项目讨论了系统资源市场的实施。Buyya等就网格市场和市场机制构建了市场框架GRACE，然而却没有考虑本身的计算资源。Nimis等提出的SORMA同样致力于研究开放的网格市场，定义了许多的市场请求，比如配置效果、预算平衡、信誉和个体理性，但没有考虑到市场资源的流动性。

3 图书馆云服务的SLA

在图书馆云服务中，图书馆信息服务的参与方相比较传统的图书馆信息服务的参与方数量有所增加，同时在其内容和服务过程的角色中也有所不同，在本文的研究中，主要将其划分为通信服务提供商（Transmission service provider，TSP）、网络服务提供商（Internet service provider，ISP）、云服务提供商（Cloud service provider，CSP）、信息资源服务提供商（Information resource service provider，IRSP）及终端用户（User）。这些参与方的角色具有多重性、用户需求具有多样化，使得成本和QoS之间的平衡尤为复杂和困难；同一个服务提供商，它的角色既可以是服务的提供方，也可以是服务的接收方。这种多重角色形成了一条复杂的关系链（见图1）。而以图书馆云服务为中心的SLA，由于服务与服务之间的交互、关联或支持，形成了一条SLA链。根据SLA链的结点，可以将SLA分为与读者签订的外部SLA、与供应商/合作者签订的SLA及图书馆云内部的SLA这三类。图书馆云的业务过程之间、参与者之间所交互的服务及其资源，可以分析出图书馆云服务交互的服务访问接入点（Service Access Points，SAP）、服务要素（Service Elements，SE）与实体（Entity）。

图1 图书馆云SLA链条

通过上述对各个参与方的描述可以发现，各方的关系是复杂的，并且在图书馆云服务体系中的角色随时都有可能发生转变，每一个参与方都有可能会转换自身的角色。这六个参与方可以归纳为提供方与接受方两类。

图书馆云服务的供应链传递的是产品或服务，图书馆云服务的SLA链传递的则是服务的职责，特别是服务质量的保证，因为服务质量才是可以被计量的。在图书馆云SLA链条中，当图书馆云服务提供商将服务卖给机构图书馆或其他中介时，它是提供商的身份。而当图书馆云服务提供商需要购买其它服务提供商的服务要素时，它就是一个客户的角色。在这种角色的多重性、身份多变复杂的交互环境中，一个环节的服务质量出现问题，必然会牵连到其他系列服务的客户。为保证服务质量可计量评估、可追溯研究，提供商间应保持衡量参数的一致性。SLA在其中起到与质量参数之间关联的作用，有助于将终端客户的质量参数和提供商的性能参数都准确地匹配并定义在相应的SLA中，保证提供商之间理解的一致性。

4 基于SLA的图书馆云服务计费策略

4.1 计费策略理论

基于SLA的图书馆云服务计费流程主要是：（1）首先根据签订的SLA对不同业务不同服务等级制定不同的单价。当图书馆使用业务时，在接入网关上按照SLA进行合理的资源分配，避免拥塞；（2）然后在区分服务体系中，一旦发生拥塞，实行动态拥塞定价；（3）最后在目的网关采集实际使用业务的QoS信息，按用户实际享受的服务进行计费。

在图书馆与各合作方签订SLA后，即表示已经提出了业务请求，此时，将产生费用。具体的费用内容阐述如下：

使用费用：使用费用包括接入费用、拥塞费用和浮动费用。使用费用是根据业务类型的不同和数据流量的不同，按照业务等级设定的。用户如何选用使用费用，这将取决于用户所需的业务类型。其中接入费用是指依据图书馆的选择确定服务等级，得到该业务的使用单价，与流量结合，生成使用费用。这里主要是指通过计算流量费用，得到该业务的接入费用。拥塞费用是指若此时处于拥塞状态，并且网络对该业务进行了服务，计费模块会根据计费策略得出该业务的拥塞费用。在制定拥塞费用过程中，需要按照流量的不同来制定有区分度的业务费用，这样便于调节对闲置流量的使用率。浮动费用是指在虚拟池资源的访问空间尚有剩余的情况下，可以实行动态机制来设定用户动态需求所产生的费用。在图书馆的使用费用计算过程中，本文主要考虑其虚拟资源的租赁费用和流量使用成本。

违约费用：计费模块处理服务质量信息，若有SLA违约发生，则产生SLA违约赔偿。

拥塞费用、SLA违约费用发生的情况可能比较少，若要设置一套实时的结算设备，资源利用率比较低，考虑到对系统资源利用的最优化，对拥塞费用、SLA违约赔偿、接入费用进行周期性处理。

服务降级（Service Degradation）是SLA的一大特点，它是指服务仍然可用，但是相对以上参数在SLA中的值来说，其参数值已经有所下降了。如果是由于提供商引起的服务降级，图书馆将按照SLA的规定获得赔偿，比如：下一个月享受更大的折扣或者更低的费用。而如果是由于图书馆有违约情况，提供商也将降低服务标准。

这种多费用的体系和以往的单一计费方式有所不同，其能够解决多用户多需求、单一用户动态需求和虚拟资源闲置状态等问题，从而能够在保证用户需求的前提下，同时也能使得服务提供商获得一定的利益。

4.2 计费实例

由于图书馆服务的多样性，这里选取典型服务，按照提供商对图书馆和图书馆对用户分类进行计费实例的研究。

提供商对图书馆的服务主要指IaaS、DaaS。IaaS计费一般是与硬件有关的，涉及到的度量有服务器每小时按需服务的费用、预留服务器所需的费用、根据应用程序性能增加或减少计算资源单元的费用、根据使用的实例数进行基于存储卷的费用、预付与预留的基础架构资源费用、集群服务器资源的费用、编译平台硬件环境、API功能、主机性能，这些内容大部分都是按月计费的，也就是说，整个月累计的收费包含运行了整整30天的服务器实例费用和只运行了一分钟的服务器实例费用。DaaS一般指数据库及电子资源期刊的购买、租用等。基于目前图书馆收费调查以及Amazon EC2云服务收费情况，按照前文对服务质量SLA关键参数的综合考虑，提供商向图书馆服务的收费标准如表1所示。

由表1可以看出，在图书馆云服务中，基础设施的折旧周期最低为三年（电子设备折旧年限最低为三年）。而以Amazon EC2的云服务为例，其在定义弹性云服务过程中，提供了1年和3年两种年度租用方式，并且根据不同的租用方式收取不同的费用。

5 基于SLA的图书馆云服务成本计算模型构建

5.1 相关定义

图书馆云服务成本计算中，根据前文对图书馆云服务成本费用体系的分析，我们认为其成本主要包括虚拟资源成本、流量使用成本和违规惩罚成本。

我们定义虚拟资源成本为VMCost，流量使用成本为FlowCost，违规罚款成本为 PenaltyCost。

其中，虚拟资源成本包括服务器租赁成本（ServerCost）、内存租赁成本（CPUCost）、机器类型成本（TypeCost）和预留实例成本（InsCost），其计算如公式1所示：

违规罚款成本如公式2所示：

（β为罚款率，DelayTime为延迟时间）

因此，延迟时间是指SLA中规定的响应时间和用户等待服务的响应时间之间的等待时间。惩罚的成本取决于延迟时间DelayTime，罚款率β和常量α。

流量使用成本包括数据量流动成本（DataFlowCost）、数据存储成本（DataSaveCost）和数据库成本（DataBaseCost），如公式 3所示：

5.2 情景描述

本文研究的图书馆云服务的成本计算模型是建立在基于SLA的成本计费体系基础上的，结合图书馆云服务的实际情况，在成本计算模型研究中，计费体系主要涉及到接入费用、拥塞费用、违约费用和浮动费用这四个费用方面。并且采用了分等级的多用户动态资源需求的计算规则来讨论图书馆云服务的成本计算模型。

表1 提供商向图书馆服务收费标准（本表数据来源于Amazon EC2的收费标准）

通过实地调查（以武汉大学为例），馆舍购置固定服务器、主机、存储器等硬件使用经费计300万元；内装修使用经费计20元；电源布线和网络布线使用经费计6万元；使用经费计5万元；购进光盘柜4个，使用经费计0.5万元。共计使用经费计331.5万元。数字资源的建设与管理费用主要是数据库使用费用，共计约为300万元。人员费用支出是数字图书馆工作人员的工资及福利，共计支出152.5万元。组织管理费用支出指数字图书馆日常组织管理费用，如办公费及电费等，共计约为10万元。

本文从租赁类型和租赁时间两个角度来研究图书馆云服务的成本情况。

假设个人及团体使用Windows，企业用户使用Linux/Unix系统。个人团体用户使用小型和中型机型，企业用户使用大型和超大型。只选取关键指标如流量、人数、内存、时间作为比较变量。个人及小团体使用数据量大于10TB/月、小于40TB/月，企业一般商业活动使用数据量大于100TB/月、小于350TB/月，企业金库使用数据量大于524TB/月。弹性数据块为用户提供可扩展的云存储，即在套餐范围内的存储量之外。弹性IP地址代表了访问图书馆的人数。高校图书馆藏书量巨大，因此选择大型数据库来存储数据资源（见表2，其中费用单位为元，t表示时间，单位是小时）。

5.3 仿真实验

本文的实验仿真工具采用的是MATLAB。

（1）比较1年与3年租赁成本情况。

首先，假设流入流出数据量（小于10TB，都固定为12286.8）、弹性数据块存储（都固定为10TB）、弹性IP地址（在1000内免费）、数据库大小（小于150GB范围内，皆为1000元）等相同的情况下，个人及小团体选择一年和三年的成本包括资源成本和违规成本，其具体情况为：

①资源成本：

如选择租赁时间为一年，其费用为：

如选择租赁时间为三年，其费用为：

②SLA违规罚款成本为：

违规罚款成本的计算我们采用公式（6）。其中，β我们选取在（2,15）范围的1,2,5,7,18。DelatTime同样选取在Amazon EC2的规定标准（AmazonEC的时限与发生延迟时间的相关参数比例见表3，实验结果见图2）。其关键代码如下所示：

表2 图书馆成本分类情况

其中，y1为VMCost1，Vy2为MCost3，a为常量 a（分为a=0和 a=50两种情况），y为 PenaltyClst，t表示Delay Time（我们设其比例值为t=0：100：3000，单位为秒）。

表3 AmazonEC2的时限与发生延迟时间的相关参数比例表

图2中实线是租赁1年的费用随使用时间的变化情况，虚线是租赁3年的费用随使用时间的变化情况。从长期趋势来看，3年期的租赁比1年期的更合算经济。

图21年与3年费用对比图

（2）云环境下图书馆服务的流量成本。

我们假定其他的模块收入为0，只关注随流量增加的成本变化，其流量成本FlowCost的费用如公式7所示。实验结果如图3所示。

图3 流量成本变化图

由图3可以看出，在图书馆云服务中，随着其流量的递增，费用/数据量增长趋势逐渐缓慢。当流量达到一定值（100～120）后的费用的增长率变得相对平缓，这说明云用户可以根据数据传输量来确定各自的需求类型。

（3）云服务提供商在提供虚拟资源时，其计费策略主要包括数据量的输入和输出、数据存储容量、CPU使用情况和数据库容量的大小。

（4）图书馆云服务是根据不同的服务等级来确定具体的费用。就提供商而言，要想更好地提供给用户云服务，就需要提高云服务的响应时间。因此，服务提供商可以在非高峰时段减少预留实例数，在高峰时段增加预留实例数。

（5）从弹性IP地址的收费可以看出，图书馆云服务根据用户对弹性云计算需求的规模来选择存储方式。因此云服务提供商可以以用户请求次数作为存储付费方式来节省云存储成本。

（6）从图书馆云服务的虚拟资源成本公式可以看出，图书馆云服务资源的集成程度与云用户的满意度成正比。因此，在图书馆云服务中，以选择3年为周期的租赁方式为佳。

6 结语

本文将针对云提供商构建的成本计算模型应用到图书馆云服务中来，根据图书馆云服务的特殊性构建基于SLA的图书馆云服务成本计算模型。在图书馆云服务成本计算模型研究中：①图书馆服务内容质量等级划分的分析尚且存在不足，对于经济收入的分析也需要在将来云计算普及化且商业模型规范化后加以完善；②由于图书馆在图书馆云服务中角色的特殊性，本文的研究在服务提供商、图书馆、用户三方的最大满意化模型研究方面还有待提高。

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