云計算概念的產(chǎn)生、定義、原理及前景分析

斯琴其木格

（赤峰學(xué)院 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

云計算概念的產(chǎn)生、定義、原理及前景分析

斯琴其木格

（赤峰學(xué)院 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文簡述了云計算概念的產(chǎn)生、定義，簡單介紹了云計算核心技術(shù),并分析了云計算技術(shù)面臨的問題和需要研究的方向，同時對云計算技術(shù)的前景進(jìn)行了分析.

云計算；網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；數(shù)據(jù)存儲

1 引言

在傳統(tǒng)模式下，企業(yè)建立一套IT系統(tǒng)不僅需要購買硬件等基礎(chǔ)設(shè)施，還要買軟件的許可證，并需要專門人員維護(hù).當(dāng)企業(yè)的規(guī)模擴大時又要繼續(xù)升級各種軟硬件設(shè)施以滿足需求.對于企業(yè)來說，計算機硬件和軟件本身并非他們真正需要的，而只是完成工作、提供效率的工具而已.對個人來說，正常使用電腦需要安裝許多軟件，但是，對不經(jīng)常使用該軟件的用戶來說這似乎有些浪費.能不能有一個這樣的服務(wù)，給我們提供可以租用的軟硬件資源？

這就是引用云計算概念的最初想法.云計算的想法可以追溯到20世紀(jì)60年代，John McCarthy曾經(jīng)提到“計算遲早有一天會變成一種公用基礎(chǔ)設(shè)施”.這就意味著計算能力可以作為一種商品進(jìn)行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便、費用低廉.云計算最大的不同在于它是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)?從最根本的意義來說，云計算就是數(shù)據(jù)存儲在云端，應(yīng)用和服務(wù)存儲在云端，充分利用數(shù)據(jù)中心強大的計算能力，實現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自適應(yīng)性.

2007年10月IBM和Google宣布在云計算領(lǐng)域的合作后，云計算吸引了眾多人的關(guān)注，并迅速成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點[1].

2 云計算的概念

云計算（Cloud Computing）是由分布式計算（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）、網(wǎng)格計算（Grid Computing）發(fā)展來的，是一種新興的商業(yè)計算模型.目前，對于云計算的認(rèn)識在不斷的發(fā)展變化，云計算仍沒有普遍一致的定義.號稱“網(wǎng)格之父”的美國Argonne國家實驗室的資深科學(xué)家、Globus項目的領(lǐng)導(dǎo)人Ian Foster在“Cloud Computing and Grid Computing 360-Degee Compared”一文中這樣定義云計算：“云計算是由規(guī)模經(jīng)濟(jì)拖動，為互聯(lián)網(wǎng)上的外部用戶提供一組抽象的、虛擬化的、動態(tài)可擴展的、可管理的計算資源能力、存儲能力、平臺和服務(wù)的一種大規(guī)模分布式計算的聚合體”.中國網(wǎng)格計算、云計算專家劉鵬給出如下定義：“云計算將計算任務(wù)分布在大量計算機構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務(wù)”[2].

通俗的理解是，云計算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群上的資源，它包括硬件資源（服務(wù)器、存儲器、CPU等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等），本地計算機只需要通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個需求信息，遠(yuǎn)端就會有成千上萬的計算機為你提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計算機，這樣，本地計算機幾乎不需要做什么，所有的處理都在云計算提供商所提供的計算機群來完成.

3 云計算的核心技術(shù)

云計算系統(tǒng)運用了許多技術(shù)，其中以編程模型、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云計算平臺管理技術(shù)最為關(guān)鍵.

3.1 編程模型

MapReduce是Google開發(fā)的java、Python、C++編程模型，它是一種簡化的分布式編程模型和高效的任務(wù)調(diào)度模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運算.嚴(yán)格的編程模型使云計算環(huán)境下的編程十分簡單.MapReduce模式的思想是將要執(zhí)行的問題分解成映射（Map）和化簡（Reduce）的方式，先通過Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計算機處理，達(dá)到分布式運算的效果，再通過Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯總整合并輸出.

3.2 海量數(shù)據(jù)分布存儲技術(shù)

云計算系統(tǒng)由大量服務(wù)器組成，同時為大量用戶服務(wù).因此，云計算系統(tǒng)采用分布式存儲的方式存儲數(shù)據(jù)，用冗余存儲的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性.云計算系統(tǒng)中廣泛使用的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是Google的GFS和Hadoop團(tuán)隊開發(fā)的GFS的開源實現(xiàn)HDFS（Hadoop Distributed File System）.GFS即Google文件系統(tǒng)（Google File System）是一個可擴展的分布式文件系統(tǒng)，用于大型的、分布式的、對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的應(yīng)用.GFS的設(shè)計思想不同于傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，是針對大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和Google應(yīng)用特性而設(shè)計的.它運行于廉價的普通硬件上，但可以提供容錯功能.它可以給大量的用戶提供總體性能較高的服務(wù).一個GFS集群由一個主服務(wù)器（master）和大量的塊服務(wù)器（chunkserver）構(gòu)成，并被許多客戶訪問.主服務(wù)器存儲文件系統(tǒng)所有的元數(shù)據(jù)，包括名字空間、訪問控制信息、從文件到塊的映射以及塊的當(dāng)前位置.它也控制系統(tǒng)范圍的活動，如塊租約（lease）管理，塊的垃圾收集，塊服務(wù)器間的塊遷移.主服務(wù)器定期通過HeartBeat消息與每一個塊服務(wù)器通信，給塊服務(wù)器傳遞指令并收集它的狀態(tài).GFS中的文件被切分為64MB的塊并以冗余存儲，每份數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中保存3個以上備份.客戶與主服務(wù)器的交換只限于對元數(shù)據(jù)的操作，所有數(shù)據(jù)方面的通信都直接和塊服務(wù)器聯(lián)系，這種機制大大提高了系統(tǒng)的效率，防止主服務(wù)器負(fù)載過重.

3.3 海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計算需要對分布的、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析.因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠高效的管理大量的數(shù)據(jù).云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT（BigTable）數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團(tuán)隊開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBase.BT是建立在GFS，Scheduler，Lock Service和MapReduce之上的一個大型的分布式數(shù)據(jù)庫.與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫不同，它把所有數(shù)據(jù)都作為對象來處理，形成一個巨大的表格，用來分布存儲大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù).Google的很多項目使用BT來存儲數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)頁查詢，Google earth和Google金融.這些應(yīng)用程序?qū)T的要求各不相同：數(shù)據(jù)大?。◤腢RL到網(wǎng)頁到衛(wèi)星圖象）不同，反應(yīng)速度不同（從后端的大批處理到實時數(shù)據(jù)服務(wù)）.對于不同的要求，BT都成功地提供了靈活高效的服務(wù).

3.4 虛擬化技術(shù)

通過虛擬化技術(shù)可實現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，它包括將單個資源劃分成多個虛擬資源的分裂模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式.虛擬化技術(shù)根據(jù)對象可分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等，計算虛擬化又分為系統(tǒng)級虛擬化、應(yīng)用級虛擬化和桌面虛擬化.

3.5 云計算平臺管理技術(shù)

云計算資源規(guī)模龐大，服務(wù)器數(shù)量眾多并分布在不同的地點，同時運行著數(shù)百種應(yīng)用，如何有效的管理這些服務(wù)器，保證整個系統(tǒng)提供不間斷的服務(wù)是巨大的挑戰(zhàn).云計算系統(tǒng)的平臺管理技術(shù)能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便地進(jìn)行業(yè)務(wù)部署和開通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化的手段實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運營.

4 云計算技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題

實現(xiàn)云計算系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的云計算系統(tǒng)的部署相對分散，各自內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬內(nèi)存的自動分配、管理和容錯等，但云計算系統(tǒng)之間的交互還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).關(guān)于云計算系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作還需要更進(jìn)一步的研究.還有一系列亟待解決的問題.

首先云計算系統(tǒng)中，用戶數(shù)據(jù)存儲在云端，如何保證用戶的數(shù)據(jù)不被非法訪問和泄露是系統(tǒng)必須要解決的兩個重要問題，即數(shù)據(jù)的安全和隱私問題.同時云計算系統(tǒng)本身的可擴展性、可用性、可靠性、可管理性等都是要重點解決的問題.在服務(wù)的層次上，云計算系統(tǒng)必須要解決服務(wù)的描述及轉(zhuǎn)換問題，如何將用戶的業(yè)務(wù)理念需求轉(zhuǎn)換成對基礎(chǔ)設(shè)施的需求、如何確定高層的服務(wù)需求和度量到基礎(chǔ)設(shè)施的需求和度量之間的映射、如何保證多級別的QoS，這些都是云計算系統(tǒng)要解決的問題.在云計算系統(tǒng)的管理方面，云系統(tǒng)之間的互操作是必須要考慮的一個問題.當(dāng)一個云系統(tǒng)需要使用另外一個云系統(tǒng)的計算資源時，要能夠提供跨云的管理策略，從而使得云系統(tǒng)之間能夠自動交互.同時為了保證SLA（Service-Level Agreement），系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行SLA的監(jiān)測，當(dāng)有服務(wù)失敗時，自動地進(jìn)行資源的重新分配.在基礎(chǔ)設(shè)施層次上，云計算系統(tǒng)要能夠進(jìn)行服務(wù)的動態(tài)遷移，目前的虛擬機只支持共享存儲的遷移，如何將虛擬機遷移到?jīng)]有共享存儲的其他物理主機上也是云計算系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一[1].

5 結(jié)論

云計算的最終目標(biāo)是將計算、服務(wù)和應(yīng)用作為一種公共設(shè)施提供給公眾，使人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣使用計算機資源.云計算模式即為電廠集中供電模式.在云計算模式下，用戶的計算機會變的十分簡單，或許不大的內(nèi)存、不需要硬盤和各種應(yīng)用軟件，就可以滿足我們的需求.因為用戶的計算機除了通過瀏覽器給“云”發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)外基本上什么都不用做便可以使用云服務(wù)提供商的計算資源、存儲空間和各種應(yīng)用軟件.這就像連接“顯示器”和“主機”的電線無限長，從而可以把顯示器放在使用者的面前，而主機放在遠(yuǎn)到甚至計算機使用者本人也不知道的地方.云計算把連接“顯示器”和“主機”的電線變成了網(wǎng)絡(luò)，把“主機”變成云服務(wù)提供商的服務(wù)器集群.在云計算環(huán)境下，用戶的使用觀念也會發(fā)生徹底的變化：從“購買產(chǎn)品”到“購買服務(wù)”轉(zhuǎn)變，因為他們直接面對的將不再是復(fù)雜的硬件和軟件，而是最終的服務(wù).

〔1〕張建勛，古志民，鄭超.云計算研究進(jìn)展綜述[J].計算機應(yīng)用研究,2010，27（2）：429，433.

〔2〕申麗君 楊蘭娟 趙華.云計算與網(wǎng)格計算的比較研究[J].Computer Know ledge and Technology電腦知識與技術(shù)，Vol.7，No.17,June 2011,pp,4032-4034,4037.

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1673-260X（2011）12-0030-02