云計(jì)算綜述

戴麗榮，戴 舒

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與材料學(xué)院，天津 300350）

1 云計(jì)算起源

云計(jì)算是在分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種新興的共享基礎(chǔ)架構(gòu)的方法。它可以自我維護(hù)和管理龐大的虛擬計(jì)算資源，提供各種IT服務(wù)。用戶(hù)在使用云計(jì)算提供的服務(wù)時(shí)按需付費(fèi)，不僅降低了使用門(mén)檻，也極大地節(jié)省了開(kāi)銷(xiāo)。

2006年以前谷歌就已經(jīng)有了成熟的云計(jì)算硬件架構(gòu)，軟件方面也開(kāi)發(fā)了操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、并行編程模型、并行計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)等云計(jì)算系統(tǒng)關(guān)鍵部件。

國(guó)內(nèi)華東師大周傲英教授的科研團(tuán)隊(duì)在“數(shù)據(jù)密集型計(jì)算”領(lǐng)域的研究；清華大學(xué)張堯?qū)W院士的科研團(tuán)隊(duì)于1998年提出的“透明計(jì)算”等都可以看作云計(jì)算的前身，都在云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)——虛擬化技術(shù)中做了大量研究。

在以上研究的基礎(chǔ)上，2006年Google首席執(zhí)行官埃里克在搜索引擎大會(huì)上首次提出云計(jì)算概念。隨后IBM和Google宣布在云計(jì)算領(lǐng)域的合作，并迅速成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。目前，Google、IBM、Amazon、Sun、蘋(píng)果等公司在云計(jì)算領(lǐng)域都已經(jīng)取得了顯著的成果，并在基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件等服務(wù)中越來(lái)越完善。

2011年以來(lái)，我國(guó)云計(jì)算已經(jīng)從前期的起步階段開(kāi)始進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段?；ヂ?lián)網(wǎng)公司、基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商、軟硬件IT企業(yè)及各地政府等多方力量都在積極推動(dòng)云計(jì)算發(fā)展。很多行業(yè)也都在試圖應(yīng)用云計(jì)算減少設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本。

2 云計(jì)算概念

云計(jì)算不是一個(gè)單純的產(chǎn)品，也不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，而是一種產(chǎn)生和獲取計(jì)算能力的新的方式。

（1）Google認(rèn)為：云計(jì)算是擁有開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，可以提供安全、快捷和便利的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算服務(wù)的系統(tǒng)。

（2）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所認(rèn)為：云計(jì)算是一種應(yīng)用資源模式，它可以根據(jù)需要用一種很簡(jiǎn)單的方法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)已配置的計(jì)算資源。這些資源由服務(wù)提供商以最小的代價(jià)或?qū)I(yè)的運(yùn)作快速的配置和發(fā)布。

3 云計(jì)算的特點(diǎn)

（1）超大規(guī)模。Google云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器?！霸啤蹦苜x予用戶(hù)前所未有的計(jì)算能力。

（2）虛擬化。云計(jì)算支持用戶(hù)在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請(qǐng)求的資源來(lái)自“云”，而不是固定的有形的實(shí)體。應(yīng)用在“云”中某處運(yùn)行，用戶(hù)無(wú)需了解、不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺(tái)筆記本或者一部手機(jī)，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的一切，甚至包括超級(jí)計(jì)算。

（3）高可靠性。“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

（4）通用性。云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，在“云”的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個(gè)“云”可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

（5）高可擴(kuò)展性?！霸啤钡囊?guī)模可以動(dòng)態(tài)伸縮，滿(mǎn)足應(yīng)用和用戶(hù)規(guī)模增長(zhǎng)的需要。

（6）按需服務(wù)。“云”是一個(gè)龐大的資源池，按需購(gòu)買(mǎi)。云可以像自來(lái)水、電、煤氣那樣計(jì)費(fèi)。

（7）極其廉價(jià)。a.由于“云”的特殊容錯(cuò)措施，云由極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成；b.“云”的自動(dòng)化集中式管理使大量企業(yè)無(wú)需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本；c.“云”的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升。

缺點(diǎn)是潛在的危險(xiǎn)性：云計(jì)算除了提供計(jì)算服務(wù)外，還提供了存儲(chǔ)服務(wù)。但是云計(jì)算服務(wù)當(dāng)前壟斷在私人機(jī)構(gòu)手中，而他們僅僅能夠提供商業(yè)信用。數(shù)據(jù)的安全性保障目前還是個(gè)大問(wèn)題。

4 與分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算的區(qū)別

分布式計(jì)算是一種把需要進(jìn)行大量計(jì)算的工程數(shù)據(jù)分解成小塊，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別計(jì)算，然后將結(jié)果統(tǒng)一合并得出數(shù)據(jù)結(jié)論的科學(xué)。

云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算都屬分布式計(jì)算的范疇。

由于云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算都具有分布式、并行處理等特點(diǎn)。但云計(jì)算并不是網(wǎng)格計(jì)算的“升級(jí)版”，它與網(wǎng)格計(jì)算存在巨大的差異。網(wǎng)格的構(gòu)建大多為完成某一個(gè)特定的任務(wù)需要或者支持挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，云計(jì)算一般來(lái)說(shuō)都是為了通用應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，支持Web應(yīng)用等，普適性更強(qiáng)。網(wǎng)格計(jì)算作為一種面向特殊應(yīng)用的解決方案將會(huì)繼續(xù)在某些領(lǐng)域存在，而云計(jì)算作為一場(chǎng)IT變革，則會(huì)深刻影響整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)和人類(lèi)社會(huì)。

云計(jì)算是一種“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模型，用戶(hù)通過(guò)因特網(wǎng)獲取云計(jì)算系統(tǒng)提供的各種服務(wù)。網(wǎng)格系統(tǒng)是一種“資源共享”模型，資源提供者亦可成為資源消費(fèi)者。云計(jì)算采用集群來(lái)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)資源，運(yùn)行的任務(wù)以數(shù)據(jù)為中心。而網(wǎng)格計(jì)算則是以計(jì)算為中心，計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源分布在因特網(wǎng)的各個(gè)角落。網(wǎng)格將數(shù)據(jù)和計(jì)算資源虛擬化，而云計(jì)算則進(jìn)一步將硬件資源虛擬化。網(wǎng)格內(nèi)各節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，而云計(jì)算在各種操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)上提供各種服務(wù)。

5 有代表性的云計(jì)算廠(chǎng)商

（1）Google最早提出云計(jì)算概念，正在運(yùn)營(yíng)的云計(jì)算商用平臺(tái)稱(chēng)為Google應(yīng)用引擎。平臺(tái)上開(kāi)發(fā)完善了操作系統(tǒng)Chrome OS、MapReduce編程模型、GFS文件系統(tǒng)和BigTable數(shù)據(jù)管理。Google推出了許多新的應(yīng)用，從文檔Google docs，圖片Google Picasa，郵件 Gmail，到日程 Google Calendar，地圖Google map，翻譯Google translate等等，其應(yīng)用涵蓋桌面電腦日常應(yīng)用的方方面面。

（2）亞馬遜在2011年全美評(píng)選十大“云計(jì)算”供應(yīng)商中排名第一。其云計(jì)算主要是提供底層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)處理、信息排隊(duì)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等服務(wù)，不包括應(yīng)用層面的服務(wù)。亞馬遜的云計(jì)算名為AWS（亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)），包括四部分：S3（簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)服務(wù)）；EC2（彈性計(jì)算云）；SQS（簡(jiǎn)單排列服務(wù)）；分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Simple DB。

（3）IBM推出的“藍(lán)云計(jì)劃”在全球建立了數(shù)十家云計(jì)算中心，在中國(guó)選擇了北京和無(wú)錫作為其基地。IBM的藍(lán)云平臺(tái)由數(shù)據(jù)中心、管理軟件、監(jiān)控軟件、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)以及一些虛擬化組件共同組成，是一個(gè)企業(yè)級(jí)的解決方案。

（4）微軟云計(jì)算包括三種運(yùn)營(yíng)模式：第一種模式是公司自己為客戶(hù)提供公有云服務(wù)；第二種是和合作伙伴一起開(kāi)發(fā)應(yīng)用為客戶(hù)服務(wù)；第三種是客戶(hù)建立自己的私有云，微軟提供平臺(tái)、產(chǎn)品、技術(shù)等支持。微軟在部署模式上全面覆蓋了私有云、公有云和混合云的構(gòu)建。提供的服務(wù)包括基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)服務(wù)（PaaS）和軟件服務(wù)（SaaS）。

（5）SUN最早提出“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”。為了讓云計(jì)算更容易使用，SUN做兩件事情：一個(gè)是Network.com，集中了許多基于網(wǎng)格的在線(xiàn)應(yīng)用，用戶(hù)按照使用量來(lái)付費(fèi)；另一個(gè)是Caroline項(xiàng)目，目的是讓需要WEB應(yīng)用和服務(wù)的開(kāi)發(fā)人員可以很容易獲得基于云的資源。SUN云計(jì)算是一個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)，用戶(hù)可以在平臺(tái)上構(gòu)建或者部署自己的應(yīng)用程序，可以把自己的應(yīng)用程序共享出來(lái)，作為服務(wù)提供給其他用戶(hù)。

（6）國(guó)內(nèi)阿里（Alisoft）中小企業(yè)管理軟件平臺(tái)也產(chǎn)生了很大的影響。2009年，阿里巴巴集團(tuán)成立子公司“阿里云”，并專(zhuān)注于云計(jì)算領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)。2012年阿里云為CSDN量身打造的基礎(chǔ)云平臺(tái)的第一個(gè)服務(wù)云郵箱正式上線(xiàn)運(yùn)營(yíng)，緊接著開(kāi)放了存儲(chǔ)業(yè)務(wù)。同年，阿里云聯(lián)手天語(yǔ)打造的新一代云智能手機(jī)。

6 云計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)

6.1 云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備相比，云存儲(chǔ)不僅僅是一個(gè)硬件，而是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器、應(yīng)用軟件等多個(gè)部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)。各部分以存儲(chǔ)設(shè)備為核心，通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)。

云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有Google的非開(kāi)源的GFS（Google File System）和 Hadoop開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的GFS的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)HDFS（Hadoop Distributed File System）。

6.2 云數(shù)據(jù)管理

云計(jì)算數(shù)據(jù)管理技術(shù)中最著名的是Google提出的BigTable數(shù)據(jù)管理技術(shù)。BigTable是管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。它可以處理PB級(jí)數(shù)據(jù)，可以布署數(shù)以千計(jì)的普通計(jì)算機(jī)。

7 編程模型技術(shù)

當(dāng)前IT廠(chǎng)商提出的“云”計(jì)劃編程工具，均基于MapReduce和Dryad的編程模型。MapReduce是提出的一個(gè)軟件架構(gòu)，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行運(yùn)算?！癕ap（映射）”和“Reduce（歸約）”及基本思想來(lái)自于函數(shù)式編程語(yǔ)言。MapReduce的主要思想是將要執(zhí)行的問(wèn)題分解成Map和Reduce兩個(gè)過(guò)程：先通過(guò)Map函數(shù)將問(wèn)題分解成不相關(guān)的區(qū)塊，分配給服務(wù)器并行處理；再通過(guò)Reduce函數(shù)將結(jié)果歸約匯總輸出。微軟發(fā)布的分布式并行計(jì)算平臺(tái)Dryad，可以使開(kāi)發(fā)人員在Windows或者.Net平臺(tái)上編寫(xiě)大規(guī)模的并行應(yīng)用程序，并能夠方便地將單機(jī)上編寫(xiě)的程序運(yùn)行在分布式并行計(jì)算平臺(tái)上。

8 云安全

8.1 云計(jì)算的主要安全風(fēng)險(xiǎn)

a.來(lái)自云計(jì)算服務(wù)提供商的安全風(fēng)險(xiǎn)。

b.來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

c.虛擬化的安全風(fēng)險(xiǎn)。

d.邊界安全模型失效帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

8.2 目前關(guān)于云計(jì)算安全性的研究

安全性研究集中在云計(jì)算安全標(biāo)準(zhǔn)的建立、可信訪(fǎng)問(wèn)控制、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、虛擬安全技術(shù)等方面。目前這些技術(shù)都未十分成熟，對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)，還不能完全依賴(lài)服務(wù)商和安全技術(shù)來(lái)保障自己的數(shù)據(jù)安全。

8.3 降低云計(jì)算的安全風(fēng)險(xiǎn)

a.選擇相對(duì)可靠的云計(jì)算服務(wù)提供商；

b.經(jīng)常備份數(shù)據(jù)；

c.增強(qiáng)安全防范意識(shí)，不將敏感或核心數(shù)據(jù)放在云端；

d.增強(qiáng)訪(fǎng)問(wèn)控制，明確誰(shuí)可以訪(fǎng)問(wèn)企業(yè)的數(shù)據(jù)。

9 云計(jì)算需解決的問(wèn)題

云計(jì)算概念已提出六年，云計(jì)算研究時(shí)間更長(zhǎng)，但云計(jì)算系統(tǒng)還是有很多問(wèn)題沒(méi)有解決。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題：現(xiàn)有的云計(jì)算系統(tǒng)的部署相對(duì)分散，各自?xún)?nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬資源的自動(dòng)分配、管理和容錯(cuò)等，但云計(jì)算系統(tǒng)之間的交互還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于云計(jì)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(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)安全問(wèn)題：在云計(jì)算系統(tǒng)中，用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，如何保證用戶(hù)的數(shù)據(jù)不被非法訪(fǎng)問(wèn)和泄露是系統(tǒng)必須解決的兩個(gè)重要問(wèn)題，即數(shù)據(jù)的安全和隱私問(wèn)題。

（3）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問(wèn)題：云服務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)連接具有持續(xù)性，Web應(yīng)用程序的效率在帶寬不足或不良的網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境下會(huì)大大縮減。即使是網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)快，由于數(shù)據(jù)資源在用戶(hù)端和服務(wù)器集群間不斷傳遞，也會(huì)導(dǎo)致Web應(yīng)用程序比桌面應(yīng)用程序反應(yīng)慢。此外，網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)受到一些外力因素的影響而出現(xiàn)故障。如何應(yīng)對(duì)這些突發(fā)情況，云計(jì)算中心如何快速恢復(fù)故障，也是必須考慮的問(wèn)題。

（4）法律法規(guī)和監(jiān)管問(wèn)題：目前尚沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家或國(guó)際法律法規(guī)來(lái)支持和規(guī)范云計(jì)算，缺乏一個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)來(lái)監(jiān)督管理云計(jì)算。云計(jì)算服務(wù)商和用戶(hù)之間的責(zé)任及糾紛問(wèn)題該如何規(guī)定，都沒(méi)有明確統(tǒng)一的法律依據(jù)。

（5）市場(chǎng)調(diào)節(jié)問(wèn)題：云計(jì)算的影響力正在逐漸向軟件、硬件和服務(wù)等領(lǐng)域漫延。它的出現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)軟件是一個(gè)變革，傳統(tǒng)軟件需要云化，才能改善其服務(wù)能力。也改變了傳統(tǒng)硬件模式，對(duì)硬件供應(yīng)商造成一定的沖擊。同時(shí)，服務(wù)的模式也在發(fā)生變化。由于現(xiàn)有軟件、硬件制造商的利益受到威脅，必會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，這就需要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行正確的引導(dǎo)和調(diào)節(jié)。

［1］張建勛，古志民，鄭超.云計(jì)算研究進(jìn)展綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010（2）：429－433.

［2］孫瑋.云計(jì)算的安全性探討［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2012（8）：5－6.

［3］江代有.云計(jì)算技術(shù)綜述［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（5）：71－73.

［4］劉正偉，文中領(lǐng)，張海濤.云計(jì)算和云數(shù)據(jù)管理技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2012，49（增刊）：26－31.

［5］虞慧群，范貴生.云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)綜述［J］.微型電腦應(yīng)用，2011（10）：1－3.

［6］梁彪，曹宇佶，秦中元，等.云計(jì)算下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全可證明性綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012（7）：2416－2420.

［7］董曉霞，呂廷杰.云計(jì)算研究綜述及未來(lái)發(fā)展［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010（5）：76－80.

［8］錢(qián)瓊芬，李春林，張小慶，等.云數(shù)據(jù)中心虛擬資源管理研究綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，7：2411－2415.

［9］Google.Google Apps Messaging and Collaboration Praducts［R］.Security Whitepaper，20l0.

［10］Lombardi，F(xiàn) R Di Pietro.Secure virtualization for cloud computing.Journal of Network and Computer Applications，2011，34（4）：1113－1122.

［11］張建成，宋麗華.云計(jì)算方案分析研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（1）：165－171.

［12］張堯?qū)W，周悅芝.一種云計(jì)算操作系統(tǒng)TransOS：基于透明計(jì)算的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子學(xué)報(bào)，2011（5）：985－990.

［13］朱長(zhǎng)江，謝苑.云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)及其核心問(wèn)題研究［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2012（7）：19－21.

［14］杜瑾.云計(jì)算在軍事仿真中的應(yīng)用研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（6）：6995－6997.

［15］江曉慶，楊磊，何斌斌.未來(lái)新型計(jì)算模式——云計(jì)算［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009（10）：46－50.

［16］袁國(guó)駿.淺談云計(jì)算及其發(fā)展應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（2）：103－105.