基于云計(jì)算理論體系對(duì)云計(jì)算應(yīng)用和實(shí)踐的探索和展望

左保河，羅 璇

(華南理工大學(xué)軟件學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

作為世界上擁有最多服務(wù)器的谷歌，自從其101項(xiàng)目［1］以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)訪問非本地資源服務(wù)的計(jì)算服務(wù)條件的成熟，為了達(dá)到方便協(xié)同地提供各種服務(wù)，“云計(jì)算”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算是從PC應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一次技術(shù)變革。云計(jì)算即為新的Web 2.0，它的核心思想是將大量的網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)資源集合，以服務(wù)于用戶，它是數(shù)據(jù)共享與服務(wù)共享計(jì)算模式的結(jié)合體［2］。狹義地講，云計(jì)算是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易于擴(kuò)展方式使用IT基礎(chǔ)設(shè)施資源的模式;廣義地講是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易于擴(kuò)展方式使用交付的服務(wù)模式。

1 云計(jì)算及其體系

1.1 云計(jì)算定義

IBM 技術(shù)白皮書“Cloud Computing”［3］中對(duì)云計(jì)算進(jìn)行定義:“云計(jì)算用來同時(shí)描述一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)或一種類型的應(yīng)用程序。云計(jì)算平臺(tái)按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)的部署(Provision)、配置(Configuration)、重新配置(Reconfigure)以及取消服務(wù)(Deprovision)。云計(jì)算是并行運(yùn)算(Parallel Computing)、分布式計(jì)算(Distributed Computing)及網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展［4］，是一種商業(yè)實(shí)現(xiàn)，它是虛擬化(Virtualization)、效用計(jì)算(Utility Computing)［5］的綜合?！?/p>

可以說云計(jì)算是從網(wǎng)格技術(shù)的思想上進(jìn)化而來，卻又帶著自身的獨(dú)特性。網(wǎng)格計(jì)算［6］即分布式計(jì)算，把一個(gè)需求巨大計(jì)算能力才能解決的問題分成許多程序段，然后把這些程序段分配給許多計(jì)算機(jī)處理，最后綜合這些計(jì)算結(jié)果得到最終結(jié)果。網(wǎng)格計(jì)算強(qiáng)調(diào)資源共享，任何人可以使用或貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)資源，它把工作量轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程可用計(jì)算資源上;云計(jì)算吸取網(wǎng)格計(jì)算的思想精髓，其強(qiáng)調(diào)專有，由少數(shù)團(tuán)體提供專有資源，使用者不需要貢獻(xiàn)自己資源，云計(jì)算包含了以軟件作為服務(wù)的應(yīng)用、網(wǎng)格計(jì)算以及虛擬化技術(shù)。

1.2 云計(jì)算的需求背景

(1)需求是動(dòng)力:IT設(shè)施成為社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)在面臨高成本的瓶頸，云計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生，用戶不需要專業(yè)的IT團(tuán)隊(duì)，不要購買、維護(hù)、安放有形的IT產(chǎn)品，降低了成本，提高了效率，快捷地使用IT服務(wù)，同時(shí)提高軟件、硬件、人力等資源的利用率。

(2)技術(shù)是基礎(chǔ):云計(jì)算自身核心技術(shù)的發(fā)展，如硬件技術(shù)、虛擬化技術(shù)、海量存儲(chǔ)技術(shù)、分布式并行計(jì)算、多用戶構(gòu)架。這種技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了應(yīng)用。

此背景下，在Google、IBM、微軟等IT巨頭的帶動(dòng)下，逐步形成了云計(jì)算的商業(yè)模式，以網(wǎng)絡(luò)為中心和以服務(wù)為產(chǎn)品形態(tài)，按需使用和付費(fèi)。

1.3 云計(jì)算特征

(1)超大規(guī)模:各大公司具有數(shù)以萬計(jì)的服務(wù)器，形成了強(qiáng)大的計(jì)算能力。其規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮的，邊界是模糊的。

(2)虛擬化:支持用戶隨時(shí)隨地用各種網(wǎng)絡(luò)終端獲取服務(wù)。減少設(shè)備依賴，虛擬化層把云平臺(tái)上方的應(yīng)用軟件和下方基礎(chǔ)設(shè)施隔離開，設(shè)備維護(hù)和軟件更新分離。

(3)按需彈性服務(wù):云是個(gè)龐大資源池，用戶可以按照需求通過云平臺(tái)的管理，將整合的計(jì)算資源根據(jù)應(yīng)用訪問的具體情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(4)性價(jià)比高:云的特殊的容錯(cuò)措施使得可以采用低價(jià)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成云，其公共性和通用性使資源利用率大幅提升。

(5)云計(jì)算達(dá)到了兩個(gè)分布式計(jì)算的目標(biāo):可拓展性和高可用性?？赏卣剐员磉_(dá)了云計(jì)算能夠無縫地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模集群之上，甚至包括數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處理。高可用性代表了云使用數(shù)據(jù)多容錯(cuò)性、計(jì)算節(jié)點(diǎn)可換等措施來保障服務(wù)，云的規(guī)模可以動(dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需求。

1.4 云計(jì)算服務(wù)形式

云計(jì)算現(xiàn)在應(yīng)用在3個(gè)方面:將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)IaaS(Infrastructure as a Service)，將平臺(tái)作為服務(wù)PaaS(Platform as a Service)和將軟件作為服務(wù)SaaS(Software as a Service)。

SaaS服務(wù)是提供商部署應(yīng)用軟件在服務(wù)器上，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訂購，便可以直接通過瀏覽器使用。這種服務(wù)方便快捷，無需對(duì)系統(tǒng)或環(huán)境做過多改變。

PaaS服務(wù)是客戶將自己的應(yīng)用程序部署到云基礎(chǔ)設(shè)施上，客戶無法管理和控制底層云基礎(chǔ)設(shè)施，但可以控制云端應(yīng)用程序及其環(huán)境配置。缺點(diǎn)是缺少了互操作性和可移植性。

IaaS服務(wù)是廠商把多臺(tái)服務(wù)器組成云端基礎(chǔ)設(shè)施，作為計(jì)量服務(wù)提供給客戶。具有代表的是Google Docs(類似微軟Office在線辦公軟件，通過網(wǎng)絡(luò)分享并設(shè)置共享權(quán)限)，Google APP(企業(yè)應(yīng)用套件，處理企業(yè)級(jí)龐大信息量，方便快捷地與客戶合作伙伴溝通協(xié)作)。

現(xiàn)階段云計(jì)算主要應(yīng)用在科學(xué)領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域。特別是在商業(yè)應(yīng)用上，云計(jì)算有公共云(Public Cloud)，企業(yè)內(nèi)部使用的私有云(Private Cloud)，商業(yè)使用的企業(yè)云(Enterprise Cloud)。公共云，即在互聯(lián)網(wǎng)上將云服務(wù)公開免費(fèi)給大眾使用，其方便訪問、具備彈性伸縮性、節(jié)約資源并與硬件無關(guān)。私有云是導(dǎo)入企業(yè)內(nèi)部使用，主要解決企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全高要求問題。企業(yè)云是專門應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)云系統(tǒng)，主要用來處理客戶關(guān)系、人力資源管理、維護(hù)數(shù)據(jù)庫等。商業(yè)模式還分為保護(hù)服務(wù)模式和合作模式。服務(wù)模式是針對(duì)用戶而言，主要研究云計(jì)算在逐步的商用過程中需要解決的問題。合作模式是針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈合作而言，主要研究為搭建合理有序的云計(jì)算產(chǎn)業(yè)所能夠采取的合作模式。

1.5 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

1.云計(jì)算體系包括物理資源層、資源池層、管理中間件層和SOA(Service-Oriental Architecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))。其中，物理資源層包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和軟件等。資源池層是將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源集合。管理中間層負(fù)責(zé)資源管理、任務(wù)管理、用戶管理、安全管理。SOA是將應(yīng)用程序的不同功能單元通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。

2.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)。

(1)虛擬化技術(shù)［7］:VMware Infrastructure，其特點(diǎn)是通過服務(wù)器整合，表示上虛擬化來降低IT成本、提高靈活性、減少停機(jī)以改進(jìn)業(yè)務(wù)連續(xù)性。智能運(yùn)行較少的服務(wù)器并動(dòng)態(tài)關(guān)閉不使用的服務(wù)器，達(dá)到計(jì)算節(jié)點(diǎn)透明和任務(wù)透明的效果。

虛擬化架構(gòu)安全離不開可信計(jì)算?？尚庞?jì)算的主要思想是在終端產(chǎn)品(如PC機(jī))上引入安全芯片，即構(gòu)建可信計(jì)算平臺(tái)(TPM)將可信根(為度量、存儲(chǔ)、報(bào)告用的可信根)植入TPM，并從BIOS、Loader到操作系統(tǒng)內(nèi)核層，再到應(yīng)用層都構(gòu)建信任關(guān)系，建立相應(yīng)的信任鏈;推出可信終端(如可信PC)，當(dāng)終端受到攻擊時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)、自我管理和自我恢復(fù)。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù):滿足大量用戶使用需求，具有分布式、高吞吐率和高傳輸率等特征。它是云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)，在云計(jì)算中處于基礎(chǔ)核心地位。例如Google的GFS(Google File System)(非開源)和HDFS(Hadoop Distributed File System)(開源)都在廣泛地被應(yīng)用。

(3)資源管理技術(shù)［8］:合理進(jìn)行資源優(yōu)化配置，提高數(shù)據(jù)的更新率和隨機(jī)讀取速率。

(4)分布式編程和計(jì)算:在保證后臺(tái)復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度上使得編程模型簡單化，當(dāng)前Map-Reduce模型有Map(映射)階段和Reduce(化簡)階段。

(5)虛擬資源管理調(diào)度:融合物理資源形成資源池，通過資源管理器對(duì)池內(nèi)資源調(diào)度。

1.6 云計(jì)算安全問題

由于云計(jì)算應(yīng)用的無邊界性、流動(dòng)性導(dǎo)致新的安全問題。云平臺(tái)采用虛擬化技術(shù)配置資源，進(jìn)行安全性部署;根據(jù)海量用戶身份差異，提供身份標(biāo)識(shí)，建立授權(quán)機(jī)制;基于用戶對(duì)自身敏感數(shù)據(jù)高安全的需求，提供面向用戶的安全隱私保障;基于云計(jì)算高可用性，建立數(shù)據(jù)容錯(cuò)備份機(jī)制和服務(wù)故障診斷及恢復(fù)機(jī)制。從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?不竊取、不泄露、合法認(rèn)證)［9］，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性(位置明確、相互隔離、便于遷移和災(zāi)難恢復(fù))。

云安全(Cloud Security)是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代信息安全新體現(xiàn)，融合了并行處理、網(wǎng)格計(jì)算、未知病毒行為判斷等新興技術(shù)和概念，通過網(wǎng)絡(luò)的大量客戶端對(duì)網(wǎng)絡(luò)中軟件行為的異常監(jiān)測，獲取互聯(lián)網(wǎng)中木馬、惡意程序的最新信息，推送到Server端進(jìn)行自動(dòng)分析和處理，再把病毒和木馬的解決方案分發(fā)到每一個(gè)客戶端。識(shí)別和查殺病毒不僅僅是依靠本地硬盤中的病毒庫，而是依靠龐大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行采集分析和處理，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)形成一個(gè)整體殺毒系統(tǒng)，參與者越多就越安全。

其中密鑰存儲(chǔ)設(shè)備服務(wù)的“安全服務(wù)品質(zhì)協(xié)議”的制定、交付驗(yàn)證、第三方檢驗(yàn)等，逐漸發(fā)展形成一種新型的技術(shù)體系與管理體系。

2 云計(jì)算實(shí)踐應(yīng)用

2.1 Google云計(jì)算

Google云計(jì)算平臺(tái)［10］業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量巨大，面向全球用戶提供實(shí)時(shí)服務(wù)。Google云技術(shù)包括:Google分布式文件系統(tǒng)(GFS)，提供海量儲(chǔ)存和訪問能力;分布式計(jì)算編程模型MapReduce，使海量信息并行處理簡單便捷;分布式鎖機(jī)制 Chubby［11］;分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable［12］進(jìn)行海量數(shù)據(jù)管理和組織;分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)Megastore實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和NoSQL間巧妙融合。

Google云計(jì)算平臺(tái)整體架構(gòu)包括:(1)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。外部網(wǎng)絡(luò)(Exterior Network)、運(yùn)營商的骨干網(wǎng)和Google自己搭建的不同地區(qū)的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò);內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Interior Network)連接各個(gè)Google自建的數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(2)硬件系統(tǒng)。單個(gè)服務(wù)器，整合了多服務(wù)器機(jī)架和存放連接各個(gè)服務(wù)器機(jī)架的數(shù)據(jù)中心(IDC)。(3)軟件系統(tǒng)。(4)軟件開發(fā)工具C++、Java等。(5)具體應(yīng)用軟件。

Google文件系統(tǒng)GFS［13］是一個(gè)大型分布式文件系統(tǒng)，提供海量存儲(chǔ)，非開源系統(tǒng)。GFSII Cell是Google文件系統(tǒng)最基礎(chǔ)的模塊，所有文件盒數(shù)據(jù)都要利用這種底層模塊。GFSII通過基于Linux分布存儲(chǔ)的方式，分成主服務(wù)器(Master Servers)和塊存儲(chǔ)服務(wù)器(Chunk Servers)。塊服務(wù)器上以64M為單位的存儲(chǔ)空間，分成了許多存儲(chǔ)塊，由主服務(wù)器進(jìn)行調(diào)度和分配。每份數(shù)據(jù)1式3份，儲(chǔ)存于不同的服務(wù)集群中，以保證數(shù)據(jù)的安全性和高吞吐率。GFS操作以添加為主，支持容錯(cuò)，高吞吐量，數(shù)據(jù)安全保障，擴(kuò)展能力強(qiáng)，支持壓縮，提供用戶空間。除了性能，可伸縮性，可靠性以及可用性以外，GFS設(shè)計(jì)還受到Google應(yīng)用負(fù)載和技術(shù)環(huán)境的影響。體現(xiàn)如下:(1)考慮節(jié)點(diǎn)失效問題，集成容錯(cuò)性和自動(dòng)恢復(fù)功能;(2)構(gòu)成特殊文件，以G字節(jié)計(jì)量;(3)增加文件追加操作，優(yōu)化順序讀寫;(4)某些操作非透明，需協(xié)助才能完成。

Google應(yīng)用引擎(App Engine)是一個(gè)開發(fā)托管網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序平臺(tái)，使用Google管理的數(shù)據(jù)中心，可以讓用戶在Google的基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。其架構(gòu)包括:Front End(前端);Static Files(靜態(tài)文件)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求給服務(wù)器，并進(jìn)行負(fù)載均衡和靜態(tài)文件傳輸;App Server(應(yīng)用服務(wù)器)，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用的運(yùn)行時(shí)(Runtime);應(yīng)用管理節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)啟停和計(jì)費(fèi)。應(yīng)用引擎環(huán)境是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供對(duì)常用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完全支持;具有持久存儲(chǔ)性并有查找、分類、自動(dòng)擴(kuò)展和負(fù)載平衡等功能［14］;提供用戶身份驗(yàn)證的 API。其特點(diǎn)是將 Web應(yīng)用部署到Google的基礎(chǔ)設(shè)施上，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，例如集成Gmail、Google User等多種 API。

2.2 Amazon彈性計(jì)算云

作為最大互聯(lián)網(wǎng)在線零售商Amazon是第一批提供云服務(wù)的公司之一。首先發(fā)布簡單存儲(chǔ)服務(wù)(Simple Storage Service，S3)，用戶使用 SOAP 協(xié)議存放和獲取自己的數(shù)據(jù)對(duì)象，其允許在虛擬儲(chǔ)存服務(wù)中存儲(chǔ)5GB數(shù)據(jù)項(xiàng)。接著推出簡單隊(duì)列服務(wù)(Simple Queue Service，SQS)，這項(xiàng)服務(wù)使得托管虛擬主機(jī)間信息交換，支持分布式程序間數(shù)據(jù)傳輸。又提供EBS(Elastic Block Storage)服務(wù)，為用戶提供塊級(jí)別的存儲(chǔ)接口。對(duì)于長期保存的或比較重要的數(shù)據(jù)，采用彈性塊存儲(chǔ)(Elastic Block Store，EBS)技術(shù)。EBS允許用戶創(chuàng)建卷(Volume)，其功能類似移動(dòng)硬盤，其可劃分地理區(qū)域(Region Zone)和可用區(qū)域(Availability Zone)，可用區(qū)域的劃分通常是根據(jù)是否有獨(dú)立的供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

Amazon云核心是彈性計(jì)算云(Elastic Compute Cloud，EC2)，它由Amazon的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展而來，它提供了在Amazon云中準(zhǔn)備、管理和撤銷虛擬服務(wù)器的Web Services API。EC2主要特點(diǎn):(1)靈活性。EC2允許用戶對(duì)運(yùn)行實(shí)例類型和數(shù)量自行配置，并靈活選擇實(shí)例地理位置。(2)低成本。使得企業(yè)不必為業(yè)務(wù)增長購入額外服務(wù)器等設(shè)備。(3)安全性。EC2提供完整的安全措施，包括基于密鑰機(jī)制的SSH方式訪問和可配置的防火墻機(jī)制等。(4)簡單易用。用戶可根據(jù)所提供的模板自由構(gòu)建自己的應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)用戶的服務(wù)請(qǐng)求自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載平衡。(5)容錯(cuò)性。引入安全組(Security Group)概念，使用彈性IP地址，故障發(fā)生時(shí)，最大程度地保證用戶服務(wù)維持在穩(wěn)定水平。EC2在云中提供可調(diào)整大小的計(jì)算容量的Web服務(wù)，并旨在使開發(fā)人員更容易地對(duì)Web進(jìn)行伸縮。

3 展望

云計(jì)算是數(shù)據(jù)共享計(jì)算模式與服務(wù)共享計(jì)算模式的結(jié)合體，是下一代計(jì)算模式的發(fā)展方向。云計(jì)算未來主要有兩個(gè)發(fā)展方向:(1)構(gòu)建與應(yīng)用程序緊密結(jié)合的大規(guī)模底層基礎(chǔ)設(shè)施，使得應(yīng)用拓展更大規(guī)模;(2)通過構(gòu)建新型云計(jì)算應(yīng)用程序，在網(wǎng)絡(luò)上提供更加豐富的用戶體驗(yàn)如教育系統(tǒng)和醫(yī)療體系等。云計(jì)算代表IT領(lǐng)域向集約化、規(guī)?；c專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢(shì)。

根據(jù)預(yù)測未來幾年IT云服務(wù)上的支出將持續(xù)增長，而且由于云計(jì)算的發(fā)展理念符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)與綠色計(jì)算的總體趨勢(shì)，可能發(fā)展成為未來網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)，將被世界各國大力倡導(dǎo)與推動(dòng)。云計(jì)算代表了IT領(lǐng)域迅速向集約化、規(guī)模化與專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢(shì)，可以說云計(jì)算可能成為當(dāng)前信息領(lǐng)域正在發(fā)生的一場科技化化革命。但是也有一些問題需要謹(jǐn)慎面對(duì)，如云計(jì)算行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、建立基線和指標(biāo)、云計(jì)算性能檢測工具的認(rèn)定、處理新興安全問題等。

4 結(jié)束語

從全球化經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看，云計(jì)算將推動(dòng)IT領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)細(xì)化，云服務(wù)商通過購買服務(wù)的方式減少對(duì)非核心業(yè)務(wù)的投入，從而強(qiáng)化自己核心領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢(shì)。最終，各種類型的云服務(wù)商之間形成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、協(xié)作共生關(guān)系，推動(dòng)信息技術(shù)領(lǐng)域加速實(shí)現(xiàn)全球化，并最終形成真正意義上的全球性的“云”。未來云計(jì)算將形成一個(gè)以云基礎(chǔ)設(shè)施為核心、涵蓋云基礎(chǔ)軟件和平臺(tái)服務(wù)與云應(yīng)用服務(wù)等多個(gè)層次的巨型全球化IT服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)體。

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