云計算及其架構(gòu)技術(shù)研究

李舒磊

摘要：隨著我國計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計算是在并行計算、分布式計算、網(wǎng)格計算的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但是，云計算及云平臺的系統(tǒng)架構(gòu)一直是許多計算機(jī)工作者研究的對象，主要集中于云計算平臺底層基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建和云平臺軟件系統(tǒng)構(gòu)建兩個層面。本文詳細(xì)的介紹云計算的相關(guān)概念和理論，分析了實(shí)現(xiàn)云平臺的核心技術(shù)，并基于此，針對云計算架構(gòu)實(shí)施了研究，包括云計算硬件基礎(chǔ)設(shè)計架構(gòu)和軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：云計算網(wǎng)格計算系統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器集群

1 概述

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，在諸多研究者的努力之下，已經(jīng)誕生了許多新技術(shù)，云計算技術(shù)就是一種新型的計算機(jī)技術(shù)[1]。目前，作為計算機(jī)界研究和應(yīng)用最為熱門的技術(shù)之一，云計算將許多熱門的、先進(jìn)的信息技術(shù)及其應(yīng)用大眾化，便于人們理解，人們通常對使用云技術(shù)或者云裳的服務(wù)時，類似于使用家里的水電氣一樣。

云計算是一種基于并行處理、分布式處理和網(wǎng)格計算等技術(shù)發(fā)展起來的一種適應(yīng)現(xiàn)代人們工作、生活和學(xué)習(xí)需要的新型計算模式，其能夠優(yōu)化計算機(jī)資源組合，創(chuàng)新了計算機(jī)提供的服務(wù)模式[2]。在現(xiàn)代分布式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，引入云計算技術(shù)，可以大大的降低政企單位IT開發(fā)實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行維護(hù)的成本，同時降低了能源消耗，有效的加快了信息化建設(shè)的進(jìn)程，另外，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，也催生了信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)的模式發(fā)生改變，云計算技術(shù)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和傳統(tǒng)信息管理技術(shù)不斷的有機(jī)交融，高速驅(qū)動和促進(jìn)了人們的需求和商業(yè)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。

作為計算機(jī)學(xué)科的新興技術(shù)之一，云計算已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注和研究，其架構(gòu)技術(shù)就是諸多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)者研究的方向和熱點(diǎn)，本文研究主要集中于云計算平臺底層基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建和云平臺軟件系統(tǒng)構(gòu)建兩個層面。

2 云計算相關(guān)理論技術(shù)

2.1 云計算概念

云計算融合了虛擬化技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)和Web服務(wù)技術(shù)，其能夠有效的組織互聯(lián)信息資源，滿足用戶的需求，是一種新興的網(wǎng)絡(luò)資源組織結(jié)構(gòu)。云計算作為一種新興的計算架構(gòu)和應(yīng)用模式，具有很多優(yōu)勢，主要包括高可靠性、超大規(guī)模及其可擴(kuò)展性和信息服務(wù)的便捷性和通用性[3]。

2.1.1 超大規(guī)模及其可擴(kuò)展性?！霸啤本哂新o邊際、超大規(guī)模的自然特征，“云計算”雖然是一種計算技術(shù)，但是其同樣具有上述特性，能夠利用網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建超大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施、信息基地、信息服務(wù)等為用戶服務(wù)，云計算能夠?qū)⑦@些用戶終端或者服務(wù)設(shè)施擴(kuò)展到大規(guī)模的集群上，實(shí)現(xiàn)無縫對接，可以同時處理數(shù)量級規(guī)模的節(jié)點(diǎn)請求，因此，對用戶來講，“云”的規(guī)模可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)伸縮，以便滿足用戶不同時期不同大小的需求，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

2.1.2 高可靠性。虛擬化技術(shù)、分布式計算技術(shù)和網(wǎng)格計算技術(shù)日趨成熟，并且應(yīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此，這些實(shí)現(xiàn)云計算的基本技術(shù)保障了云計算的可靠性；在安全方面，云計算技術(shù)使用的大量的不同的服務(wù)器計算節(jié)點(diǎn)可以采用同構(gòu)互換技術(shù)，具有極好的容錯容災(zāi)能力，能夠確保數(shù)據(jù)的安全性、完整性，進(jìn)而確保了用戶使用的可靠性。

2.1.3 信息服務(wù)的通用性和便捷性。云計算誕生以后，用戶可以隨時隨地享受云計算帶來的優(yōu)勢，不會受到時空限制，用戶在享受云平臺的服務(wù)時，用戶只需要擁有通過Internet或者通過收費(fèi)或者免費(fèi)獲取的訪問驗證信息即可使用云服務(wù)，也不會受到訪問平臺和系統(tǒng)的制約。

2.2 云計算核心技術(shù)

作為一種高性能的服務(wù)計算模式，其涉及了許多先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，其核心技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、大規(guī)模服務(wù)器串聯(lián)技術(shù)和分布式的并行編程模型等四種[4]。

2.2.1 云數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。云計算平臺承載的用戶規(guī)模數(shù)量級上升，因此，為了滿足海量用戶的需求，云數(shù)據(jù)雖然存儲在不同的節(jié)點(diǎn)上，但是為了滿足這么大規(guī)模的用戶訪問，需要保證存儲器的容量，并且提供高吞吐率和高傳輸率等訪問性能?；谠朴嬎愕腉oogle平臺采用了GFS文件系統(tǒng)，其串聯(lián)了數(shù)以萬計的普通硬盤，可以按照GB級的數(shù)據(jù)處理度量。

2.2.2 云數(shù)據(jù)管理技術(shù)。云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是專門管理分布式數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)的，其用來處理PB級的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)用戶訪問的透明性，對于用戶來講，其訪問數(shù)據(jù)就猶如在一個終端上。

2.2.3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器串聯(lián)技術(shù)。云計算數(shù)據(jù)中心能夠串聯(lián)龐大的、海量的數(shù)據(jù)服務(wù)器集群，串聯(lián)技術(shù)包括集群的部署、服務(wù)器的串聯(lián)方式、動態(tài)數(shù)據(jù)遷移和數(shù)據(jù)快照等。

2.2.4 云編程模型。云編程模型可以為云數(shù)據(jù)提供訪問模型，為用戶提供編程接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行訪問和存儲等功能，Google云數(shù)據(jù)采用的云編程模型的核心技術(shù)是MapReduce，該技術(shù)也是目前被廣泛應(yīng)用于云計算的編程模型。

3 云計算架構(gòu)模式研究

3.1 云計算架構(gòu)模式概述

云計算作為一個具有高可靠性、高并行性、分布性的計算和服務(wù)模式，其架構(gòu)一直受到諸多學(xué)者的關(guān)注和研究。雷萬云等人認(rèn)為云計算的體系架構(gòu)包括六層，其能夠由各種服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、終端用戶節(jié)點(diǎn)等共同組成，并且能夠利用邏輯編程語言實(shí)現(xiàn)接口模式，以便供用戶使用；Youself等人[5]認(rèn)為，云計算架構(gòu)是一種棧結(jié)構(gòu)，由軟硬件構(gòu)成的固件、云平臺系統(tǒng)共同構(gòu)成；王鵬等人[6]認(rèn)為云計算是一種基于不可信節(jié)點(diǎn)的計算架構(gòu)，并且給出了從構(gòu)成云計算平臺的底層硬件到表層應(yīng)用的9層模型；JohnW.Rittinghouse等人[7]提出了通信即服務(wù)、技術(shù)設(shè)施即服務(wù)、檢測即服務(wù)、平臺即服務(wù)和軟件即服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)；總的來說云計算應(yīng)該由實(shí)體部分即基礎(chǔ)設(shè)施和軟件部分即計算系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 云計算硬件基礎(chǔ)設(shè)計架構(gòu)

云計算硬件基礎(chǔ)架構(gòu)是云計算的承載實(shí)體，是構(gòu)建云計算平臺的必備硬件，其架構(gòu)主要包括三個組成部分：服務(wù)器集群、海量存儲設(shè)備和高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬鏈路。

3.2.1 服務(wù)器集群。云計算最明顯的特征就是串聯(lián)了海量的服務(wù)器設(shè)備，因此，作為實(shí)現(xiàn)云計算的基礎(chǔ)，需要解決大規(guī)模服務(wù)器串聯(lián)的問題，比如串聯(lián)服務(wù)器需要散熱問題，云計算數(shù)據(jù)中心采用了“貨柜式”的放置方法，其能夠?qū)⒋罅康姆?wù)器集群整體擺放在一個類似于大貨車的集裝箱里面。為了能夠有效的實(shí)現(xiàn)云計算平臺的功能，這些規(guī)模龐大的服務(wù)器集群需要采用可伸縮性強(qiáng)、規(guī)模大、數(shù)據(jù)重復(fù)性和容錯功能強(qiáng)、平衡負(fù)載能力強(qiáng)的串聯(lián)技術(shù)。目前，許多云計算數(shù)據(jù)中心采用護(hù)衛(wèi)備份的方法，以便有效的維護(hù)服務(wù)器集群間的平衡，將計算工作映射均分到各個服務(wù)器集群上去[8]。

3.2.2 海量存儲空間設(shè)備。云計算作為基礎(chǔ)設(shè)施既是服務(wù)（Laas）的承載實(shí)體，其需要為海量用戶提供高性能的計算服務(wù)，同時必須能夠存儲海量數(shù)據(jù)，以便滿足用戶對不斷增強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息存儲的需求，目前，Google公司在全球擁有36個大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，其可以為用戶提供115.2萬兆字節(jié)的內(nèi)容供世界各地的用戶使用，通過GFS和BigTable數(shù)據(jù)管理軟件管理海量數(shù)據(jù)。

3.2.3 高速網(wǎng)絡(luò)帶寬。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的計算服務(wù)模式，分布在世界各處的服務(wù)器群和超大規(guī)模的存儲器需要進(jìn)行訪問交互和存儲，其要求云計算數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器之間必須使用高帶寬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，客戶端也需要擁有高速的網(wǎng)絡(luò)和頻寬，以便滿足用戶的實(shí)時性、高速型需求。

3.3 云計算軟件系統(tǒng)平臺架構(gòu)

云計算的硬件基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)云計算服務(wù)的承載實(shí)體，為了更好的組織這些物理實(shí)體，必須設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，組織這些物理實(shí)體，以便更好的發(fā)揮物理實(shí)體的作用。