SDN云網平臺的服務質量模型研究

鄭 冰，李 華

內蒙古大學 計算機學院，呼和浩特 010021

SDN（software defined networking）為云計算解決方案提供網絡可編程能力和更強的網絡管理控制能力，學術界和業界給出了各種基于SDN的云網融合方案[1]。SDN的云網平臺（以下簡稱“云網平臺”）是SDN支撐的云計算平臺（SDN-enabled cloud computing platform）[2]，指基于SDN 思想，面向云網一體的軟硬件網絡資源的統一管理、操作和運營的系統，可以屏蔽云環境下網絡底層異構的物理硬件、設備等基礎設施，將其抽象為支撐上層業務的網絡能力并可以為用戶提供自助的網絡服務。云網平臺是支撐云網協同工作的實體，保證云網平臺的服務質量（quality of service，QoS），對于支撐上層業務正常運行和滿足用戶需求至關重要。

云網逐漸進入深度融合階段[1]。從范圍上看，云網融合最初在云平臺內部實現，但隨著云間網絡通信需求的增加，出現了SD-WAN[1]。從應用場景看，出現了5G網絡、分布式云邊緣架構下的物聯網、信息中心網絡等應用場景[2-3]。從支撐的上層業務看，對實時性要求較高的語音和實時視頻業務出現爆發式的增長?；谠凭W平臺也推出了如云專線、云聯網等云網產品[3]。這些變化拓展了服務質量評價的維度。基于SDN的云網平臺是內部有豐富功能組件的復雜系統，對其進行服務質量評價涉及到云計算與SDN 的相關技術，是一項具有挑戰性的任務。

雖然信息技術（information technology，IT）服務、云服務、網絡服務和通用軟件的質量評價已有大量的質量模型，并有權威的質量模型框架，例如，SQuaRE（software product quality requirements and evaluation，軟件產品質量需求與評價）系列標準中的IT服務質量模型[4]。但是，由于SDN 技術具有明顯的開放性和IT 化特征[5]，云網平臺提供的服務既具有傳統IT 服務的特征，還具有云服務和網絡服務的特征，現有的質量模型不足以滿足對云網平臺服務質量進行定量分析評價的需求，導致模型的可操作性較差。

以IT 服務質量模型為指導，結合云環境下SDN 的架構和特點，提出特定于云網平臺的服務質量模型，并且只考慮與網絡功能相關的服務質量部分，可以量化評價云網平臺的服務質量。本文主要貢獻如下：

（1）為基于SDN 云網平臺的服務提出了一種有針對性的服務質量模型QM-SDNCCP。該模型考慮了云網平臺服務具有的通用云服務和軟件化的特點，從服務提供者和用戶兩個視角出發，對云網平臺服務質量模型的設計進行了需求分析，獲得了服務質量模型兩個層次的分類維度。

（2）給出了QM-SDNCCP模型中質量特性和子特性的結構設計和描述，并給出具體度量元的分類計算方法，可用于描述并量化評價云網平臺的服務質量。對QM-SDNCCP特性和子特性的設計進行了信度分析，表明所設計的服務質量模型的可靠性和一致性符合一般質量模型設計要求。

1 相關工作

1.1 相關標準和質量模型

服務質量是服務與要求有關的固有特性，在質量評價過程中，只有進行多個維度的評價才能滿足用戶的多方面需求[4]。現有質量模型為建立云網平臺服務質量模型提供了多個維度的參考。國際上已有一些常見的具有抽象概括性的質量模型，對于軟件質量模型，有經典的McCall[6]、Boehm[7]質量模型和Dromey[8]質量模型，國際標準SQuaRE 系列標準[9]中的ISO/IEC 9126-2001 和ISO/IEC 25010-2011 也分別給出了軟件質量模型和使用模型；對于服務質量模型，最早的服務質量評價體系SERVQUAL[10]基于用戶視角給出企業服務質量的五個維度，包括有形性、可靠性、響應性、可保證和共情性，后被引入信息技術和云計算領域；在ISO/IEC 25011-2017[4]中給出的IT服務質量模型將IT服務質量屬性分類為適宜性、易用性、安全性、可靠性、有形性、響應性、適應性和可維護性；國際電信聯盟給出了通信網絡服務質量相關參數的分類和概念模型[11]，該模型只考慮網絡服務性能的質量模型，可以作為度量元的設計參考。我國國家標準給出的細化指標體系在質量評價中具有直接可操作性：GB/T 33850-2017[12]定義了五個信息技術服務質量特性，安全性、可靠性、響應性、有形性和友好性；GB/T 37738-2019[13]給出了云服務質量評價指標，包含安全性、可用性、可靠性、響應性、滿意度和可保障性。由于關注點不同，每個質量模型所包含的質量特性和子特性都有所不同。以上的國際、國家標準按照時間發展具有一定的繼承演化性。

在具有一定通用性的質量模型中，例如SQuaRE，并不針對具體對象的質量提供定量度量或定性度量。而在通用標準的指導下，包括電子政務[14]、金融[15]、軍事[16]以及航天[17]等特定行業領域需求，都有相應的定制質量模型。其中，GB/T 34077.1-2017 針對我國基于云計算的電子政務公共平臺提出的質量模型包括的質量特性有：準確性、有效性、響應性、安全性、可靠性和友好性。同樣，針對云網平臺進行具體的服務質量特性等要素的分析和選擇時，也需要考慮其自身特有的領域性，例如云服務特征、SDN技術特征等，但是針對云網平臺服務質量模型的研究卻非常有限，需要盡快開展。

1.2 云網平臺服務質量的相關研究

在云網平臺服務質量模型設計過程中需要考慮云網平臺的服務質量特性、子特性和具體的度量元，相關的研究主要分為兩個方面：一是與SDN 網絡服務質量特性相關的研究，有針對SDN 數據平面設備和控制器進行性能和功能特性的基準測試研究[18-20]；有對SDN控制器利用相關度量元進行可靠性、安全性和可擴展性的研究[21-22]；也有測試儀表廠商提供專業的評測方案，覆蓋SDN南向協議、編排層、以及虛擬化軟件等評價對象，其中有可供參考的具體的度量元[23]。二是與云服務質量特性相關的研究，有針對云環境下多種云服務的基準評測[24]、隔離性研究[25]，還有云環境下通用服務質量模型的研究[26-29]。隨著基于SDN的云計算網絡[2]等的研究發展，云網進入深度融合階段，網絡作為服務成為趨勢[1]。相應地，出現了與云網平臺服務質量相關的模型和評價方案，有機構給出了宏觀的評價指標，如云計算開源產業聯盟的云網融合發展白皮書[30]等。但是現有的研究主要關注的是云網平臺服務質量的部分特性，并且主要是反映技術層面的指標，并沒有從提供服務的角度考慮服務提供者和用戶共同關注的質量特性。

綜上，通用質量模型無法滿足對云網平臺服務質量有針對性的質量評價，現有相關研究也少有從服務質量特性的角度去度量云網平臺服務質量。在云網深度融合的背景下，隨著技術和需求不斷發展，有必要給出針對性的云網平臺服務質量模型，可以幫助服務提供者和用戶確定它的整體服務質量，實現對云網平臺的服務質量進行持續評價。

2 云網平臺服務質量分析

2.1 服務質量模型的目標使用者

首先，為了明確設計的視角，在識別和確定云網平臺服務的質量特性時，必須考慮到服務質量模型的目標使用者的需求。建立服務質量模型的最終目標是為使用者給出可供應用、判斷和決策的信息，不同類型的使用者對云網平臺有不同的服務質量需求。從服務的角度看，云網平臺服務質量模型的目標使用者包括服務提供者、用戶和第三方評測機構。對于服務提供者，需要評價和改進所提供服務的質量，提高用戶滿意度并獲得盡可能多的收益。對于用戶，需要找到符合需求的服務提供者、確定可接受的服務標準，并對所接受服務的質量做出評價。服務提供者和用戶是云網平臺服務質量模型的主要利益相關使用者，在質量模型的設計中應綜合考慮二者利益。第三方評測機構主要是接受委托對云網平臺服務質量進行評價。使用者對于服務質量模型的使用涉及云網平臺生命周期中的多個階段，包括技術選型、驗收、運維和服務使用等階段。

2.2 云網平臺實現架構的分析

將云網平臺看做灰盒進行分析，即，雖然不考慮源代碼級別的白盒，但是也并不將其完全視作整體對外提供服務的黑盒，而是綜合考慮云網平臺架構中的邏輯實體、由邏輯實體構成的平面之間的交互以及對外提供的服務，由此引入云網環境下SDN 技術帶來的影響和能力提升?；赟DN 云網平臺的實現主要分為兩種方式：一是云管理平臺實現的原生SDN網絡能力，為提高相對薄弱的網絡資源管理能力，云管理平臺本身提供了一些基于SDN 技術的網絡資源調度和管理功能，部分實現了網絡控制與底層轉發設備的解耦；二是引入第三方SDN 控制器的云網平臺，基于相對成熟的獨立SDN控制器解決方案提升云管理平臺的網絡功能，支持擴展L2～L7層的網絡服務，這也是目前較為普遍采用的一種方式[2]，其架構如圖1所示。

為使問題聚焦，只考慮SDN網絡管理相關的部分，并省略部分細節?？紤]主流的基于OpenFlow 模型的SDN 架構，OpenFlow 將網絡中數據包的公共屬性抽象為“流”（flow），最核心的數據結構是流表（flow table），是對流進行相應操作的動作的集合，如轉發、丟棄等。為明確云網平臺架構內部的邏輯功能和存在的跨邏輯平面的交互，需要從以下兩個角度對圖1進行分析：

從分析邏輯功能的角度，云網平臺架構中包含的邏輯實體有：云管理平臺、SDN 控制器、支持SDN 的交換機（以下簡稱交換機，是SDN 網絡中典型的網絡設備）和主機。云管理平臺主要負責其管控域內云資源的管理和任務調度等。SDN控制器負責網絡資源的管理，例如安裝了流表的交換機、網絡鏈路，是SDN網絡中的控制邏輯實體。交換機負責流表的安裝維護以及執行處理特定流的動作等。通過SDN控制器下發不同控制策略到交換機的流表，不同的流可以匹配到不同的流表中，執行不同的動作。另外，用戶可以在SDN控制器平臺上開發自定義的流管理等多種應用程序，即SDN App。通過部署在SDN 控制器平臺上的各類應用程序，例如網絡功能服務鏈應用程序，SDN控制器與云管理平臺協同，可以增強云環境下的網絡管理能力。主機是云網平臺的被管對象，其中也包括用戶發起服務請求的終端。

（1）從分析邏輯平面之間功能交互的角度，云網平臺架構按層次劃分為：資源管理平面、網絡管理平面和數據平面，其中網絡管理平面又細分為控制平面和應用平面。SDN改變了傳統云環境下承載網絡的功能結構，將部分網絡功能從數據平面抽取到控制平面和應用平面，通過這些邏輯平面之間的交互（通過南北向、東西向APIs）使控制平面具有集中管理和擴展能力，提高了網絡服務的可用性，但交互過程也增加了云網平臺內部的通信量，引入通信延遲和安全風險。

2.3 云網平臺服務質量影響因素的分析

2.3.1 SDN對云網環境下服務質量的影響

首先，需要考慮SDN和云計算的本質特征：

（1）SDN 的關鍵技術特征主要包括[5]，控制平面與轉發平面分離、轉發平面抽象、開放的可編程接口和控制平面集中化的網絡控制管理等。

（2）NIST（美國國家標準與技術研究院）在NIST SP 800-146中定義了云計算的五個基本特征[24]：按需自助服務、快速可伸縮性、可度量的服務、無處不在的網絡訪問和資源池化。

其次，需要關注由SDN 引入的服務質量影響。通過2.2 節的架構分析，SDN 將部分屬于底層設備管理的功能抽象到控制平面，需要考慮網絡功能結構改變對服務質量的影響，主要是控制平面和數據平面分離所帶來的影響：

（1）SDN控制平面的處理能力和數據平面的轉發能力是否能夠有效支撐服務[19-20，23]。

（2）作為網絡管理控制的中心，SDN 控制平面是否能夠在出現故障的情況下，提供相應機制保障服務的可靠運行[21-22]。而對于功能簡化的數據平面，同樣需要提供保障用戶數據可靠轉發的機制。

2.3.2 SDN提供的云網平臺服務能力

對于SDN 提供的云網平臺服務能力，參考國際電信聯盟標準[11]，考慮技術實現中SDN提供的技術支撐以及服務提供階段對需求的滿足，給出分析視角如圖2所示。

本文總結的具體SDN提供云網平臺服務能力包括七個方面。結合圖2，服務能力的每個方面都分別從三個角度闡述，包括，云網環境下的網絡需求、SDN提供的云網平臺服務能力支撐、對服務提供者和用戶需求的滿足。具體如下：

（1）細粒度的定制化的感知測量。

可度量的服務是云計算的重要特征之一[28]。云網環境下需要實現更簡單及精確的網絡測量，提升對于網絡帶寬或流量度量的精確度，并可以針對不同類型的服務提供定制化的感知測量。

SDN自身提供了細粒度的流量信息統計功能，可以對每包、每端口、每流表、每隊列和每計量表進行統計[5]。

服務提供者可以按每流或流量匯總等不同粒度收集統計信息，獲取多樣的網絡測量數據，滿足用戶對于準確度量服務的需求。

（2）網絡流量的細粒度的動態調度調優。

云環境下的網絡流量具有高吞吐量、低時延和變化頻繁的特點[3]。為了支撐上層業務的正常運行，云網平臺需要具有動態調整網絡流量的能力，即，及時感知流量負載的變化和出現的網絡擁塞，彈性地實現網絡資源的配置與回收[31]，自動化地調整路由策略。例如，對于網絡直播類的業務，在直播時，短期內會涌入大量的用戶流量，需要增加帶寬資源，在直播后，需要及時釋放帶寬資源。

SDN可以實現基于流的網絡資源解析（L1～L4層），根據上層業務當前狀況以及趨勢預測，通過控制器動態下發策略，實現對全局網絡資源的優化，完成流量的自我調優，結合備份機制，可以降低網絡擁塞發生的概率。更進一步地，可以實現網絡資源和主機的聯合優化[30]。

對于服務提供者，可以增強服務的及時響應性，使網絡帶寬利用率保持在合理的范圍內，在保證服務質量的同時，實現節能環保、降低運營成本的目的。對于用戶，可以獲得良好的體驗并節省開銷。

（3）按需求分配網絡資源。

云計算具有按需使用資源的特性[29]。云環境中部署的應用類型豐富，用戶對網絡相關服務的需求多樣且多變，需要為不同用戶或不同應用提供有區分的服務。

SDN轉發決策是基于流的，同一個流中的所有數據包在轉發設備上都接收相同的服務策略。利用SDN技術對數據流進行分類，實現基于每流的帶寬保證，將資源預留、隊列管理和分組調度等策略相結合，在動態負載均衡基礎上，為特定類型的用戶或應用提供專用帶寬，實現有區分的、不同優先級的帶寬QoS保證，并支持網絡的動態可配置[5]。

對于服務提供者，可以為用戶提供更豐富的網絡服務選擇，例如，多種可選QoS策略，實現QoS策略自動管理。用戶按需使用網絡服務，并擁有對網絡進行配置的自主性，擁有調整QoS策略和進行路由定制的能力等。

（4）網絡資源的統一管理。

在統一的資源平臺上實現用戶的自服務，是云計算的特征之一[24]。云網平臺下，需要屏蔽底層供應商設備的差異，提供網絡資源的統一管理能力。

在虛擬化技術的基礎上，利用SDN 控制平面集中化的網絡控制管理特征，可以實現網絡的統一管理[25]?？刂破矫婵梢韵掳l不同粒度級別的用戶策略。服務提供者將業務網絡模型編排為網絡實例組合，SDN控制平面通過北向接口接收編排信息，通過南向接口下發給數據平面的網絡設備，可以進一步實現自動化統一管理[3]。

對于服務提供者，可以實現云網業務服務的一體化開通和運營，用戶可以自助下單開通服務，提升服務提供和使用的自動化程度、降低管理的復雜度和成本。

（5）網絡資源隔離。

在云網環境下，使用共享資源池的方式為用戶提供服務，會帶來一些的風險，如用戶訪問未分配的網絡資源、其他用戶的網絡資源和相關數據/控制信息[25]。為保證用戶網絡資源和信息的安全需要進行網絡資源隔離，至少包括網絡資源相關的可達性隔離和帶寬隔離。

SDN 中通過流表操作，以流為粒度，從L1 到L4 都可以進行數據流過濾，實現不同用戶和業務間流量的可達性隔離[25]。通過計量表進行限速操作可以實現帶寬隔離。對流表信息隔離需要引入存儲和數據庫相關的安全措施。

對于服務提供者和用戶，網絡資源隔離都是必要的，可以保障服務的安全性。

（6）網絡資源可視化。

云網環境下的云服務具有無形性的特點[26]，不便于用戶管理網絡資源，也降低了用戶對云網平臺服務的接受度。由此提出了網絡資源可視化、網絡拓撲動態檢測及實時更新等可視化需求。

SDN 控制平面提供了管控域內底層網絡的全局視圖信息，在此基礎上，可以為網絡資源負載均衡、網絡故障定位及快速恢復等功能提供便利[22]。

服務提供者為用戶提供有形的網絡服務，提高云網平臺網絡服務的可接受程度，用戶根據可視化的網絡抽象視圖獲得服務有形性，便捷地管理網絡設備和網絡數據流。

（7）網絡組件的軟件化和網絡功能定制。

云計算的按需自助服務從另一角度可以理解為用戶在服務提供者提供的平臺上按需自定義擴展功能。一定程度上，可以將云網平臺提供的服務看作PaaS 服務，用戶可以利用平臺提供的開放API接口進行二次開發，實現定制的網絡功能擴展。

云網平臺中的SDN網絡組件具有軟件化特征[5]，網絡的正常運行很大程度依賴于運行在通用服務器上的軟件。網絡組件的軟件化為解除廠商綁定、實現用戶按需自定義網絡功能提供可能?；赟DN的云網平臺為用戶提供開放的API接口，實現一定程度的網絡可編程性，且SDN 技術中的網絡編程具備一定通用軟件編程特征[2，5]。

用戶通過服務提供者提供的API 接口進行二次開發，實現定制的網絡功能，例如自定義的網絡分析程序，并部署在云網平臺上，也可以更改和刪除定制的網絡功能。

上述云網平臺服務質量影響因素分別從不同角度反映了服務提供者和用戶所關注的云網平臺服務質量模型的建立需求，下面進行服務質量模型設計。

3 服務質量模型的設計

3.1 服務質量模型的結構設計和構建方法

服務質量模型是一組依據需求定義的特性及特性間的關系，實現對質量需求的抽象描述。需要給出結構設計從而明確特性之間的關系[27]。依據經典的McCall模型[6]和SQuaRE系列模型[9]的設計，遵循獨立性、針對性、可度量性、簡明性和可比性的設計原則，建立具有多層次結構的服務質量模型。其中，層次結構設計如圖3所示。

圖3中，質量特性是高層次抽象層，具有一般性；每個特性由若干子特性構成，子特性是對質量特性的解釋，更具體地體現云網平臺特征；子特性又包含若干可以直接量化比較的度量元，便于實施度量。度量元是指在層次結構底層度量所約定的服務需求和最終提供的服務的符合程度[10]，其數值需要通過從云網平臺采集具體的評測數據進行計算獲取。評測數據分為客觀的測量/采集數據和主觀的專家評估量化數據。

在整體多層次結構的基礎上，質量模型結構又分為兩部分，質量特性的樹狀結構和度量元的網狀結構，按照獨立性原則，每個層次的特性、子特性以及具體度量元的設計應盡力減少相互之間的關聯性，從不同角度反映云網平臺服務質量，因此，主體的質量模型特性的組成采用樹型結構，如圖3（a）。在對于度量元的初步篩選過程中發現，不同度量元的評測數據之間存在交集，即，不同度量元可能擁有一個或多個相同評測數據來源。因此，度量元到具體評測數據的部分是不完全連接的網狀結構，如圖3（b）。例如，從SDN網絡轉發設備獲取的“網絡帶寬利用率”的測量統計數據，可以作為衡量“出口鏈路帶寬利用合理性”和“網絡資源配置和回收有效性”兩個度量元的評測數據來源。

按照針對性原則，重點關注從云網平臺服務質量影響因素到質量特性、子特性和度量元的映射[8]。為實現質量模型和評價對象的綁定映射，按照構建順序，層次質量模型的建立方法有三種[8]：一是自頂向下，首先確定頂層質量特性，自頂向下將質量特性分解，從質量特性到云網平臺質量影響因素建立聯系，例如McCall 模型和ISO/IEC 25010；二是自底向上，自云網平臺的質量影響因素到質量特性的映射。通過聚類或因子分析的方式，確定必須滿足的重要影響因素，以及這些因素所影響的頂層質量特性，例如質量屋（house of quality，HOQ）指標選擇方法[32]；三是前兩者的結合，采用自底向上/自頂向下（bottom-up/top-down）的方式進行質量特性的反復迭代識別，例如Dromey質量模型[8]。通過對各層次指標的初步篩選和專家意見，Dromey 質量模型采用的自底向上/自頂向下的方式更適合于構建云網平臺服務質量模型，質量模型各層次指標需要反復迭代確認，實現服務質量影響因素到質量特性的映射。

采用自底向上/自頂向下的構建順序，通過德爾菲法（也稱為專家咨詢法）和頻率分析法確認質量特性。頻率分析法是指，在選取指標的過程當中，以現有權威標準和學術研究中給出的質量特性為數據樣本進行頻率統計分析。該方法根據現有模型的規模（數量）和定義覆蓋范圍（質量）來評估所建議的質量模型的結構特征，為云網平臺質量模型的合理性提供支撐[33]。計算方法為f=f(k)/s，其中，f為頻率，f(k)為第k項指標出現的次數，s為樣本的總數。本文給出了統計結果數據（https：//github.com/zh-b210/qm），照質量模型適用對象不同分為三類，包括：軟件質量模型（D1）、IT 和云服務質量模型（D2）以及Web服務質量模型（D3）。云網平臺服務基于信息技術和互聯網提供，與IT服務、云服務和傳統Web服務都有相似，可借鑒相關研究成果。

各質量特性之間的可靠性和一致性在第4 章通過信度分析進行驗證。以上方法能夠確保云網平臺服務質量特征與質量特性之間建立明確的聯系。

3.2 服務質量模型的設計

3.2.1 參考質量模型和質量特性分類規則

如果按照自底向上/自頂向下的構建方法實現從云網平臺服務質量影響因素（2.3節）到頂層質量特性的映射，還需要確定頂層質量特性的分類方式。

對于服務質量模型的質量特性進行分類的方式主要有三種[27]：基于權威質量模型依從性分類、根據服務質量依賴性分類和根據相關應用場景分類。由于云網平臺所提供服務的應用場景多變，難以依據場景進行類別劃分，因此質量特性的分類設計只好將前兩種方式相結合如下：

首先，考慮到SDN 的IT 化特征和云計算的服務特征，云網平臺提供的服務質量既依賴于IT基礎設施、網絡和軟件等有形產品的質量，又依賴于服務本身獨有的特征[10]，主要參考的權威質量模型出自SQuaRE 系列標準[9]：ISO/IEC 25011 給出的IT 服務質量模型為主要參考模型，并從ISO/IEC 25010的軟件產品質量模型和使用質量模型中篩選出未被覆蓋的特性作為補充。服務質量是產品質量和使用質量的延伸[9]，強調的重點有所不同，ISO/IEC 25011 結合了經典服務質量評價體系SERVQUAL的特性，以服務質量為中心，對參考模型中質量特性與質量子特性進行繼承、裁剪和更改。

其次，給出定制質量特性的分類規則，進一步確保定制的質量特性能夠覆蓋云網平臺的服務質量影響因素和模型使用者的需求，考慮2.1 節給出的主要利益相關使用者，即，服務提供者和用戶。確定質量特性時需要參照規則如下[27]：

（1）對云網平臺服務質量有直接貢獻的特性：從云網平臺作為整體提供服務的角度，通過云網平臺提供和呈現的可度量服務，反映整體服務質量對主要利益相關使用者直接貢獻的特性。規則（1）重點與服務質量相關。

（2）用戶體驗相關特性：從接受服務的角度，用戶關注體驗。云網環境下，用戶需要獲得符合約定性能的準確、有效的服務，達到獲得良好用戶體驗的目的，反映云網平臺相關產品在特定場景下，對于用戶使用服務的需求的滿足性。規則（2）重點與服務在特定條件下的使用質量和提供服務過程中的交互體驗相關。

（3）服務提供者運營成本相關特性：從提供服務的角度，服務提供者關注收益（轉化為運營成本）。云網環境下，服務提供者需要通過云網平臺為用戶提供服務，達到節約運營成本并增加收入的目的。規則（3）重點與服務在特定條件下的使用質量和提供服務中的資源利用效率相關。

（4）云網平臺軟件產品質量相關特性：與規則（1）不同，這一規則強調云網平臺所蘊含的軟件產品本身所提供的功能對使用者需求的滿足程度，例如“準確性”這一子特性。從軟件產品本身的質量看，這部分是專門與產品質量相關的特性。規則（4）重點與軟件產品質量相關。

圖4 給出所參考質量模型依賴關系和相關分類規則。

這里并不強調分類規則的不可重疊性，某些質量特性存在與多個分類規則相關的情形，例如可靠性。這在現有的質量模型構建研究中也較為常見[9，27，33]。

3.2.2 質量特性的選擇

從云網平臺服務質量的影響因素到質量特性，采用自底向上/自頂向下反復迭代的方法，依據權威標準和分類規則，選取7 個服務質量特性，包括：準確性、有效性、響應性、可靠性、安全性、有形性和友好性。分類規則和質量特性的相關性如表1所示。

對于表1，需要說明兩點：

表1 云網平臺服務質量特性的分類規則和相關性Table 1 Classification rules of SDN-enabled cloud computing platform service quality characteristics

（1）質量特性的調整。與ISO/IEC 25011 相比，做出的調整是將“適宜性”替換為ISO/IEC 25010 中的產品質量模型中的“功能性”的子特性“準確性”和使用質量模型中的“有效性”，其中“準確性”更能反映云網平臺服務相關的產品本身的質量和最終對于用戶體驗的影響?！坝行浴笔欠仗峁┱甙凑占s定為用戶提供服務是否可用和可用的水平，直接影響到服務質量，也影響用戶體驗和服務提供者的運營成本。服務提供者對于用戶網絡管理控制請求的及時有效的響應是SDN技術的重要體現，也與用戶使用體驗和服務提供者的運營成本相關，因此作為一個質量特性提出?！耙子眯浴碧鎿Q為GB/T 33850-2017 中的“友好性”[12]，體現云網平臺服務所具有的服務提供者和用戶交互的特點，是服務提供者設身處地為用戶著想和對用戶給予特別關注的能力。相比于傳統網絡，強調云網環境下SDN 所提供的更多的用戶自主性，可定制、更多維度的分析和二次開發能力。在刪除了“適應性”和“可維護性”，頻率分析的調研結果中表明，在一級質量特性的選擇中，本文給出的統計數據中，雖然D1中“可維護性”的選擇頻率較高，但是與云網平臺服務更相近的D2和D3中，“可維護性”出現的頻率分別是0和36%，并且這兩個特性與“友好性”在內涵上有重疊[13，24]，因此刪除。

（2）質量特性與分類規則相關關系的解釋。由于本文質量模型是基于經典模型進行的定制，頂層質量特性均從現有經典質量模型中選擇，其內涵已經相對成熟和穩定，可以認為和分類規則之間的相關性關系也是確定的。因此，依據權威模型中質量特性的內涵和現有研究的分析結果給出相關關系，如表1所示。通過頻率分析的統計結果進行進一步的驗證，例如，在D3中100.00%和82.98%的服務質量模型均選擇“可靠性”和“安全性”作為質量特性，可以確認和服務質量的相關關系。在D2中60%選擇了“響應性”作為質量特性。

3.2.3 服務質量模型QM-SDNCCP

結合需求分析結果，在7 個服務質量特性的基礎上，按照可度量性的原則分解出25 個子特性。在質量子特性的具體設計中參考了與SQuaRE 系列標準有演化關系的兩個國家標準[13，15]，對部分子特性進行了調整。按照圖3（a）的結構設計，圖5給出了適用于云網平臺的服務質量模型QM-SDNCCP（quality model for SDN-enabled cloud computing pltaform）。為便于問題闡述，給出符號表示和形式化說明。

限于篇幅，省略常見子特性和度量元的解釋[6-9]，僅給出與2.2節給出的需求相關的、特定于云網平臺服務質量的部分子特性的度量元的詳細描述以及度量元類型，如表2所示。其中度量元類型的解釋將在3.3節給出。

表2 子特性的度量元分解（部分）Table 2 Metrics decomposition of sub-characteristics（part）

3.3 度量元的取值類型與計算方法

完整的質量模型設計需要給出可操作性的度量元的計算方法[27，34]。一般通過差值[34]和比值[13-14，35]兩種方式進行符合程度的比較。按照簡明性和可比性的設計原則，這里采用更普遍的比值方式。比值方式的好處是可以同時將取值進行無量綱的歸一化處理，將原始數據歸一化到[0，1]之間，便于計算具有可比性的綜合服務質量評價結果。這種方法尤其適用于云網環境下一段時間內流量帶寬等有峰值的情形和相對重要程度的衡量。另外，為了獲得直接可比性，將比值結果均轉換為正向度量元，即度量元取值越大對服務質量的提升越有積極作用。

在通過比值計算度量元的時候，需要根據質量模型的特點確定度量元類型。Manuel[36]的度量元類型被廣泛采用，包括，存在型（P）、比率型（R）、層級型（L）和時間型（T），等。根據對云網平臺特征的分析和自底向上/自頂向下的迭代指標確認過程中的經驗總結，刪減了不適合的度量元類型。例如，如果采用比值方式度量符合程度，那么表示時間間隔的時間型就可以轉化為比率型，控制平面的成功“響應時間”就轉換為“請求處理的及時性”（∈子特性f(2)4）。

以下給出QM-SDNCCP 模型采用的三種度量元類型：

（1）存在型（P），度量元所描述的需求在具體實現中是否滿足。為保持形式統一，仍采用等式，度量元ρ的計算方法如公式（1）所示：

其中，ρ∈{0,1}，對于sp的取值，存在兩種情況，通過評價者賦分值，需求在具體實現中滿足賦1 分，需求在具體實現中沒有滿足賦0分。

例如，度量元“路由定制能力”（∈子特性f(2)3），如果評估對象具有路由定制能力sp=1，則最終取值ρ=1，不具有路由定制能力sp=0，則ρ=0。

（2）比率型（R），數值比率，度量元所描述的需求在服務實現中的計數或具體測量的數值與約定（或相關標準規定）的計數或數值的比值。按照評測數據的類型分為以下幾種情況：

①計數類，表示通過簡單計數獲得的數據，細分為正向計數類和負向計數類。正向計數類表示進行比值運算后獲得的度量元數值和原始值的大小變化趨勢一致數據。度量元計算方法如公式（2）所示：其中，rp∈[0,1]，ns表示約定（或相關標準規定）的計數標準值，n是需求在具體實現中實際被滿足的計數值。

例如，假設約定可視的網絡資源數ns=5，評估對象實際可視的網絡資源數n=4，則度量元“網絡資源可視性”，rp=0.8。

逆向計數類，即對數據進行比值運算后獲得的度量元數值隨著原始值的增大而減小。度量元計算方法如公式（3）所示，參數的解釋與公式（2）類似，不再贅述。

數值類表示在一段時間間隔(t～t+Δt)內采集獲得的實數類型的評測數據（例如，響應時間），同樣有正向數值類和逆向數值類。度量元計算方法如公式（4）和（5）所示：

其中，α∈[0,1]，對于sl的取值，通過評價者賦分值。需求在具體實現中全部滿足賦5 分，較大部分滿足時賦3分，部分滿足時賦1分，完全沒有滿足賦0分。相比于存在型，層級型度量元的評分制引入了更強的主觀性，但是這種情況目前無法避免[36]，可以通過后續在綜合評價計算中引入AHP等方法進行改進[27]。

例如，度量元“統一管理能力”（∈子特性f(2)2），如果評估對象完全實現統一管理需求，則sl=5，α=1；較大部分實現統一管理需求，則sl=3，α=0.6；部分滿足需求，則sl=1，α=0.2；如果完全不滿足統一管理需求sl=0，α=0。

由圖3（b）可知，云網平臺質量模型的度量元采用網狀結構設計，是通過對有交集的評測數據進行計算獲得。從評價對象獲取的評測數據，利用以上分類的計算方法進行運算可以算出度量元數值，之后通過綜合評價獲得最終評價結果。在綜合評價方法的選擇上，很多標準和研究提出的質量模型都給出了參考方法，例如分級加權平均方法[12-14]、模糊綜合評價法[17]等，不再贅述。

4 服務質量模型QM-SDNCCP的信度分析

服務質量模型QM-SDNCCP具有多層次結構，用于對云網平臺進行服務質量評價的多指標體系。為了確保通過QM-SDNCCP獲得的評價結果可靠且一致，需要對其主要組成部分的指標體系進行信度分析。信度分析是一種測度指標體系是否具有一定可靠性和一致性的有效分析方法[30，36]，用于衡量質量模型評價結果的穩定性。具備高信度的指標體系，內部結構良好，各指標之間獨立，并且指標關系一致。QM-SDNCCP主體是由質量特性和子特性兩個層次構成，需要對二者進行信度分析。具體步驟如下：

（1）樣本數據采集。邀請云網領域的專家和用戶對所提出的服務質量特性和子特性進行評分，其中用戶的類型分為數據中心網絡運維人員和有云網平臺開發測試經驗的人員。通過專家和用戶的個人經驗判斷，按照服務質量影響的重要程度，分別對7個質量特性和25個子特性進行打分。通過李克特式5點量表法[17]收集專家和用戶的主觀評分，最終共搜集59份評分數據，打分表如表3所示。

表3 服務質量評價影響打分表Table 3 Scoring scale for impact of service quality evaluation

（2）計算信度系數。信度系數是表明信度大小的統計量，一般通過對信度系數的計算進行信度分析，最常使用的是Cronbach’s Alpha信度系數[17]，計算方法如公式（7）所示：

其中，N為用于測量信度的特性/子特性的數目，σ2Yi為第i個特性/子特性得分的方差，σ2X為總得分的方差。Alpha 越大，則說明利用指標體系進行評價所獲得的結果越可靠；反之，則說明專家和用戶雖然使用相同的指標體系，但所得評價數據之間差異較大，指標體系不具有可靠性。

利用統計軟件SPSS20.0 對步驟（1）所獲得的服務質量評價影響打分數據進行信度分析，結果如表4所示。

表4 可靠性統計量Table 4 Reliability statistics

（3）對信度系數的計算結果進行分析討論。通常情況下，當Alpha∈(0.7, ]1 表明該指標體系具有極高信度，當Alpha∈[ ]0.35,0.7 ，表明該指標體系具有一般信度，而當Alpha∈[0,0 .35 )，表明該指標體系具有極低信度。從表4 的結果可以看到，質量模型的7 個特性都具有極高信度。同時，考慮到特性的劃分主要依據相關權威標準，在IT 服務質量和云服務質量評價等領域中有多年的應用，并且表1中給出了詳細的分類規則，因此，認為QM-SDNCCP 特性的可靠性和一致性滿足要求。25個子特性更具有云網平臺服務特征的針對性，是通過需求分析獲得，不可避免地引入了更多主觀性，其信度分析結果更有參考價值。表4 的信度分析結果表明QM-SDNCCP子特性的設計具有極高的信度，可靠性和一致性滿足要求。

5 結論

目前，SDN技術在云計算環境下的應用范圍逐漸變廣，需要對云網平臺提供服務的質量進行系統的評價。本文在給出云網平臺服務質量模型設計需求分析的基礎上，對權威服務質量模型SQuaRE 進行了裁剪和定制，提出了云網平臺服務質量模型QM-SDNCCP，并給出了度量元的計算方法，達到描述并量化評價云網平臺服務質量的目的。對服務質量模型QM-SDNCCP 進行了信度分析，表明QM-SDNCCP模型的特性和子特性的設計具有可靠性和一致性。QM-SDNCCP 可以應用在技術選型、驗收、運維和服務使用階段，為服務提供者和用戶提供云網平臺服務選擇和質量改進的參考。

本文只給出一個多方面需求覆蓋的服務質量模型，由于篇幅所限，沒有對服務質量模型中特性、子特性的描述以及具體度量元給出更加細化的分析，例如針對彈性、隔離性等服務提供者和用戶都重點關注的度量。另外，雖然出現了諸如Kubernetes這類所謂容器云管理平臺[3]，但是基于SDN的云網平臺所支持的服務能力并沒有本質變化。未來，服務質量模型QM-SDNCCP也將根據技術的發展和應用場景的豐富做出相應的調整。

致謝：感謝內蒙古大學計算機學院的云計算與服務軟件內蒙古自治區工程實驗室、內蒙古自治區社會計算與數據處理重點實驗室和內蒙古紀檢監察大數據實驗室提供的實驗環境支持。