基于S L A的圖書館云服務成本計算模型構建研究

鄧衛紅 趙又霖

（1.張家界航空工業職業技術學院信息工程系 湖南張家界 427000）（2.武漢大學信息管理學院 湖北武漢 430072）

1 引言

本文在討論圖書館云服務的成本計算模型中，主要是把圖書館看作云服務的接受者，即將圖書館看作用戶，從用戶的角度來研究成本計算模型，其出發點有：①圖書館服務性質的特殊性，其不是單一的盈利機構；②圖書館云服務中，圖書館的角色既可以是服務提供者，也可以是服務使用者。基于以上兩點原因，本文將從用戶的角度來構建圖書館云服務的成本計算模型。對圖書館云服務的成本與資源利用情況加以研究，有以下三方面的意義：①可以為云計算在圖書館中的資金使用狀況起到參考咨詢作用；②為圖書館以及提供商之間的服務質量起到保障作用；③在圖書館云服務中，圖書館作為用戶方而言，可以為其如何采購云服務提供指導作用。

2 研究現狀

在云計算環境下，圖書館獲得了更好的信息服務平臺。美國圣母大學（Notre Dame University）圖書館的高級系統管理員Robert提出使用類似購買軟件許可證或簽訂SLA的形式，保證云計算環境下圖書館的服務能以特定的價格在特定的時間交付特定的服務質量。一些大學圖書館或公共圖書館已經開始購買云計算的IaaS、PaaS和SaaS等服務。通過購買云服務，圖書館把與IT技術有關的活動或職能托管給云計算服務提供商，由云計算服務提供商負責提供所需的IT技術，自己則可以將人員及經歷放在核心服務及業務創新上。如美國匹茲堡大學圖書館、俄亥俄州圖書館咨詢系統使用 Amazon 負責圖書館資源的存儲。加州理工學院東部肯塔基大學圖書館用Google Analytics來收集統計網站、目錄和博客的信息，用Google Apps作為日常工作的應用程序，用Google Calendar來安排指令和會議。這些云計算應用，有利于減少圖書館的IT技術壓力，提高圖書館的工作效率。Michael認為云是圖書館中很有價值的信息資源，鼓勵圖書館使用各種整合設備來自由接入云、訪問云端的資源、利用云來節約獲取資源的時間和金錢，并允許用戶在云端做個性化設置及在個人設備上做定位搜索。

服務等級協議在國外的圖書館中早已有所應用，其應用方式有兩種：

第一種是圖書館作為客戶方，購買提供商的服務并與提供商簽訂服務等級協議，作為獲得服務質量的保證方式。如大英圖書館與JISC簽訂了SLA，使用JISC的監測裝置來監測EThOS的各種功能的性能及使用數據，并且該SLA詳細描述服務性能和報告的例外情況。

另一種是圖書館作為提供方，將自己提供的圖書館服務和功能交付給用戶使用。與用戶簽訂的SLA是作為讓用戶明確使用圖書館服務所應遵守的相關規定和政策。英國的許多圖書館都通過與用戶（包括大學、當地政府）簽訂協議，發現服務目標與用戶的需求和期望之間的差距，以開發更多、更有價值的服務，如謝菲爾德大學圖書館、大英圖書館、倫敦大學伯克貝克學院圖書館、利物浦約翰摩爾大學圖書館、巴希爾登醫療圖書館等。謝菲爾德大學圖書館詳細描述了圖書館所提供的15項服務內容（聯絡服務、館藏服務、編目、查詢服務、借閱服務等）的服務等級協議。美國的耶魯大學圖書館、費吉尼亞社區學院圖書館管理系統也向用戶提供了使用圖書館的服務、功能和資源的SLA。

服務等級協議在國外圖書館的應用較多，但理論研究的成果相對較少。Smith最早定義和描述了大英圖書館所使用的服務等級協議，分析了服務等級協議在圖書館信息服務環境中所包含的內容，指出服務等級協議在圖書館中的優劣勢，如圖書館可利用SLA嚴格執行服務條款和服務等級的優勢，了解更多的用戶需求和用戶期望。Calvert解釋了SLA的基本原理，描述了圖書館等信息部門與提供商、上級機構等可能存在的關系，用SLA作為厘清關系、職責的方式，指導圖書館構建和實施SLA，保證圖書館的服務質量和投資價值。OCLC向其成員提供了完全網絡化的圖書館服務，它用商業化的SLA闡明其所提供服務的服務等級和性能目標，如CONTENTdm Quick Start SLA和 CONTENTdm Hosting Service SLA。

與國外圖書館應用服務等級協議的情況相反，國內圖書館至今尚未使用“服務等級協議”一詞描述服務雙方的職責，只使用了一般的商業合同或協議。

在云服務成本研究方面，Macias 和 Guitart提出了通過使用資源供給方式和按需動態設定價格的方法最大化IaaS的收益。在一些項目中對分布式系統中用戶需求規范加以了研究。正如Karaenke和Kirn所描述的，大多數關于WSLA和WS-Agreement的研究都是使用SLA規范，而這一研究都是缺乏經濟屬性和簽署協議的。為了彌補這些缺點，Oldham等引入了基于WSDL-S和OWL的語義網技術來加強WS-Agreement的規范化，來實現自動的 SLA 匹配。同樣的，Dobson 和 Sanchez-Macian，Green介紹了一個QoS本體應用，包括基于本體的SLA框架實現所有場景的構建。然而，這些研究都僅僅局限于靜態的SLA，沒有考慮到動態變化的資源分配和市場需求。許多研究項目討論了系統資源市場的實施。Buyya等就網格市場和市場機制構建了市場框架GRACE，然而卻沒有考慮本身的計算資源。Nimis等提出的SORMA同樣致力于研究開放的網格市場，定義了許多的市場請求，比如配置效果、預算平衡、信譽和個體理性，但沒有考慮到市場資源的流動性。

3 圖書館云服務的SLA

在圖書館云服務中，圖書館信息服務的參與方相比較傳統的圖書館信息服務的參與方數量有所增加，同時在其內容和服務過程的角色中也有所不同，在本文的研究中，主要將其劃分為通信服務提供商（Transmission service provider，TSP）、網絡服務提供商（Internet service provider，ISP）、云服務提供商（Cloud service provider，CSP）、信息資源服務提供商（Information resource service provider，IRSP）及終端用戶（User）。這些參與方的角色具有多重性、用戶需求具有多樣化，使得成本和QoS之間的平衡尤為復雜和困難；同一個服務提供商，它的角色既可以是服務的提供方，也可以是服務的接收方。這種多重角色形成了一條復雜的關系鏈（見圖1）。而以圖書館云服務為中心的SLA，由于服務與服務之間的交互、關聯或支持，形成了一條SLA鏈。根據SLA鏈的結點，可以將SLA分為與讀者簽訂的外部SLA、與供應商/合作者簽訂的SLA及圖書館云內部的SLA這三類。圖書館云的業務過程之間、參與者之間所交互的服務及其資源，可以分析出圖書館云服務交互的服務訪問接入點（Service Access Points，SAP）、服務要素（Service Elements，SE）與實體（Entity）。

圖1 圖書館云SLA鏈條

通過上述對各個參與方的描述可以發現，各方的關系是復雜的，并且在圖書館云服務體系中的角色隨時都有可能發生轉變，每一個參與方都有可能會轉換自身的角色。這六個參與方可以歸納為提供方與接受方兩類。

圖書館云服務的供應鏈傳遞的是產品或服務，圖書館云服務的SLA鏈傳遞的則是服務的職責，特別是服務質量的保證，因為服務質量才是可以被計量的。在圖書館云SLA鏈條中，當圖書館云服務提供商將服務賣給機構圖書館或其他中介時，它是提供商的身份。而當圖書館云服務提供商需要購買其它服務提供商的服務要素時，它就是一個客戶的角色。在這種角色的多重性、身份多變復雜的交互環境中，一個環節的服務質量出現問題，必然會牽連到其他系列服務的客戶。為保證服務質量可計量評估、可追溯研究，提供商間應保持衡量參數的一致性。SLA在其中起到與質量參數之間關聯的作用，有助于將終端客戶的質量參數和提供商的性能參數都準確地匹配并定義在相應的SLA中，保證提供商之間理解的一致性。

4 基于SLA的圖書館云服務計費策略

4.1 計費策略理論

基于SLA的圖書館云服務計費流程主要是：（1）首先根據簽訂的SLA對不同業務不同服務等級制定不同的單價。當圖書館使用業務時，在接入網關上按照SLA進行合理的資源分配，避免擁塞；（2）然后在區分服務體系中，一旦發生擁塞，實行動態擁塞定價；（3）最后在目的網關采集實際使用業務的QoS信息，按用戶實際享受的服務進行計費。

在圖書館與各合作方簽訂SLA后，即表示已經提出了業務請求，此時，將產生費用。具體的費用內容闡述如下：

使用費用：使用費用包括接入費用、擁塞費用和浮動費用。使用費用是根據業務類型的不同和數據流量的不同，按照業務等級設定的。用戶如何選用使用費用，這將取決于用戶所需的業務類型。其中接入費用是指依據圖書館的選擇確定服務等級，得到該業務的使用單價，與流量結合，生成使用費用。這里主要是指通過計算流量費用，得到該業務的接入費用。擁塞費用是指若此時處于擁塞狀態，并且網絡對該業務進行了服務，計費模塊會根據計費策略得出該業務的擁塞費用。在制定擁塞費用過程中，需要按照流量的不同來制定有區分度的業務費用，這樣便于調節對閑置流量的使用率。浮動費用是指在虛擬池資源的訪問空間尚有剩余的情況下，可以實行動態機制來設定用戶動態需求所產生的費用。在圖書館的使用費用計算過程中，本文主要考慮其虛擬資源的租賃費用和流量使用成本。

違約費用：計費模塊處理服務質量信息，若有SLA違約發生，則產生SLA違約賠償。

擁塞費用、SLA違約費用發生的情況可能比較少，若要設置一套實時的結算設備，資源利用率比較低，考慮到對系統資源利用的最優化，對擁塞費用、SLA違約賠償、接入費用進行周期性處理。

服務降級（Service Degradation）是SLA的一大特點，它是指服務仍然可用，但是相對以上參數在SLA中的值來說，其參數值已經有所下降了。如果是由于提供商引起的服務降級，圖書館將按照SLA的規定獲得賠償，比如：下一個月享受更大的折扣或者更低的費用。而如果是由于圖書館有違約情況，提供商也將降低服務標準。

這種多費用的體系和以往的單一計費方式有所不同，其能夠解決多用戶多需求、單一用戶動態需求和虛擬資源閑置狀態等問題，從而能夠在保證用戶需求的前提下，同時也能使得服務提供商獲得一定的利益。

4.2 計費實例

由于圖書館服務的多樣性，這里選取典型服務，按照提供商對圖書館和圖書館對用戶分類進行計費實例的研究。

提供商對圖書館的服務主要指IaaS、DaaS。IaaS計費一般是與硬件有關的，涉及到的度量有服務器每小時按需服務的費用、預留服務器所需的費用、根據應用程序性能增加或減少計算資源單元的費用、根據使用的實例數進行基于存儲卷的費用、預付與預留的基礎架構資源費用、集群服務器資源的費用、編譯平臺硬件環境、API功能、主機性能，這些內容大部分都是按月計費的，也就是說，整個月累計的收費包含運行了整整30天的服務器實例費用和只運行了一分鐘的服務器實例費用。DaaS一般指數據庫及電子資源期刊的購買、租用等?；谀壳皥D書館收費調查以及Amazon EC2云服務收費情況，按照前文對服務質量SLA關鍵參數的綜合考慮，提供商向圖書館服務的收費標準如表1所示。

由表1可以看出，在圖書館云服務中，基礎設施的折舊周期最低為三年（電子設備折舊年限最低為三年）。而以Amazon EC2的云服務為例，其在定義彈性云服務過程中，提供了1年和3年兩種年度租用方式，并且根據不同的租用方式收取不同的費用。

5 基于SLA的圖書館云服務成本計算模型構建

5.1 相關定義

圖書館云服務成本計算中，根據前文對圖書館云服務成本費用體系的分析，我們認為其成本主要包括虛擬資源成本、流量使用成本和違規懲罰成本。

我們定義虛擬資源成本為VMCost，流量使用成本為FlowCost，違規罰款成本為 PenaltyCost。

其中，虛擬資源成本包括服務器租賃成本（ServerCost）、內存租賃成本（CPUCost）、機器類型成本（TypeCost）和預留實例成本（InsCost），其計算如公式1所示：

違規罰款成本如公式2所示：

（β為罰款率，DelayTime為延遲時間）

因此，延遲時間是指SLA中規定的響應時間和用戶等待服務的響應時間之間的等待時間。懲罰的成本取決于延遲時間DelayTime，罰款率β和常量α。

流量使用成本包括數據量流動成本（DataFlowCost）、數據存儲成本（DataSaveCost）和數據庫成本（DataBaseCost），如公式 3所示：

5.2 情景描述

本文研究的圖書館云服務的成本計算模型是建立在基于SLA的成本計費體系基礎上的，結合圖書館云服務的實際情況，在成本計算模型研究中，計費體系主要涉及到接入費用、擁塞費用、違約費用和浮動費用這四個費用方面。并且采用了分等級的多用戶動態資源需求的計算規則來討論圖書館云服務的成本計算模型。

表1 提供商向圖書館服務收費標準（本表數據來源于Amazon EC2的收費標準）

通過實地調查（以武漢大學為例），館舍購置固定服務器、主機、存儲器等硬件使用經費計300萬元；內裝修使用經費計20元；電源布線和網絡布線使用經費計6萬元；使用經費計5萬元；購進光盤柜4個，使用經費計0.5萬元。共計使用經費計331.5萬元。數字資源的建設與管理費用主要是數據庫使用費用，共計約為300萬元。人員費用支出是數字圖書館工作人員的工資及福利，共計支出152.5萬元。組織管理費用支出指數字圖書館日常組織管理費用，如辦公費及電費等，共計約為10萬元。

本文從租賃類型和租賃時間兩個角度來研究圖書館云服務的成本情況。

假設個人及團體使用Windows，企業用戶使用Linux/Unix系統。個人團體用戶使用小型和中型機型，企業用戶使用大型和超大型。只選取關鍵指標如流量、人數、內存、時間作為比較變量。個人及小團體使用數據量大于10TB/月、小于40TB/月，企業一般商業活動使用數據量大于100TB/月、小于350TB/月，企業金庫使用數據量大于524TB/月。彈性數據塊為用戶提供可擴展的云存儲，即在套餐范圍內的存儲量之外。彈性IP地址代表了訪問圖書館的人數。高校圖書館藏書量巨大，因此選擇大型數據庫來存儲數據資源（見表2，其中費用單位為元，t表示時間，單位是小時）。

5.3 仿真實驗

本文的實驗仿真工具采用的是MATLAB。

（1）比較1年與3年租賃成本情況。

首先，假設流入流出數據量（小于10TB，都固定為12286.8）、彈性數據塊存儲（都固定為10TB）、彈性IP地址（在1000內免費）、數據庫大小（小于150GB范圍內，皆為1000元）等相同的情況下，個人及小團體選擇一年和三年的成本包括資源成本和違規成本，其具體情況為：

①資源成本：

如選擇租賃時間為一年，其費用為：

如選擇租賃時間為三年，其費用為：

②SLA違規罰款成本為：

違規罰款成本的計算我們采用公式（6）。其中，β我們選取在（2,15）范圍的1,2,5,7,18。DelatTime同樣選取在Amazon EC2的規定標準（AmazonEC的時限與發生延遲時間的相關參數比例見表3，實驗結果見圖2）。其關鍵代碼如下所示：

表2 圖書館成本分類情況

其中，y1為VMCost1，Vy2為MCost3，a為常量 a（分為a=0和 a=50兩種情況），y為 PenaltyClst，t表示Delay Time（我們設其比例值為t=0：100：3000，單位為秒）。

表3 AmazonEC2的時限與發生延遲時間的相關參數比例表

圖2中實線是租賃1年的費用隨使用時間的變化情況，虛線是租賃3年的費用隨使用時間的變化情況。從長期趨勢來看，3年期的租賃比1年期的更合算經濟。

圖21年與3年費用對比圖

（2）云環境下圖書館服務的流量成本。

我們假定其他的模塊收入為0，只關注隨流量增加的成本變化，其流量成本FlowCost的費用如公式7所示。實驗結果如圖3所示。

圖3 流量成本變化圖

由圖3可以看出，在圖書館云服務中，隨著其流量的遞增，費用/數據量增長趨勢逐漸緩慢。當流量達到一定值（100～120）后的費用的增長率變得相對平緩，這說明云用戶可以根據數據傳輸量來確定各自的需求類型。

（3）云服務提供商在提供虛擬資源時，其計費策略主要包括數據量的輸入和輸出、數據存儲容量、CPU使用情況和數據庫容量的大小。

（4）圖書館云服務是根據不同的服務等級來確定具體的費用。就提供商而言，要想更好地提供給用戶云服務，就需要提高云服務的響應時間。因此，服務提供商可以在非高峰時段減少預留實例數，在高峰時段增加預留實例數。

（5）從彈性IP地址的收費可以看出，圖書館云服務根據用戶對彈性云計算需求的規模來選擇存儲方式。因此云服務提供商可以以用戶請求次數作為存儲付費方式來節省云存儲成本。

（6）從圖書館云服務的虛擬資源成本公式可以看出，圖書館云服務資源的集成程度與云用戶的滿意度成正比。因此，在圖書館云服務中，以選擇3年為周期的租賃方式為佳。

6 結語

本文將針對云提供商構建的成本計算模型應用到圖書館云服務中來，根據圖書館云服務的特殊性構建基于SLA的圖書館云服務成本計算模型。在圖書館云服務成本計算模型研究中：①圖書館服務內容質量等級劃分的分析尚且存在不足，對于經濟收入的分析也需要在將來云計算普及化且商業模型規范化后加以完善；②由于圖書館在圖書館云服務中角色的特殊性，本文的研究在服務提供商、圖書館、用戶三方的最大滿意化模型研究方面還有待提高。

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