云計(jì)算研究綜述

劉瑋+陳苗

摘要：云計(jì)算能夠提供給用戶可靠的，安全的，自定義的，分布式計(jì)算與存儲(chǔ)服務(wù)，是未來最大化的利用計(jì)算機(jī)資源的重要途徑。闡述了云計(jì)算的基本概念，剖析了云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)服務(wù)模型。綜述了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬化技術(shù)，分布式數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)以及云計(jì)算安全技術(shù)。最后指出了云計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用的前景和挑戰(zhàn)，為云計(jì)算的下一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；體系結(jié)構(gòu)；虛擬化；分布式；安全

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）10-0005-03

近年來，隨著數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)以及用戶對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)能力的要求越來越高，計(jì)算模式由最初的把任務(wù)集中交付給大型處理機(jī)模式，到后來基于網(wǎng)絡(luò)的分布式處理模式，再到近年來的按需處理的云計(jì)算（cloud computing）模式（圖1）。從技術(shù)上來講，云計(jì)算是一種融合了分布式計(jì)算、虛擬化技術(shù)、WEB服務(wù)和網(wǎng)格計(jì)算的新技術(shù)。它可以最大限度的降低用戶端的軟硬件采用費(fèi)用，為用戶提供及時(shí)的、安全的、可靠的服務(wù)，用戶使用這些資源能夠像使用水、電、天然氣一樣簡(jiǎn)單，可靠，因此云計(jì)算服務(wù)是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一，也是未來計(jì)算服務(wù)的重要趨勢(shì)[1]。目前，國(guó)外各個(gè)IT巨頭如IBM，Google，Sun，Microsoft，Amazon都推出了自己研發(fā)的云計(jì)算平臺(tái)，國(guó)內(nèi)云計(jì)算廠商BAT也在積極部署自己的云計(jì)算存儲(chǔ)和處理平臺(tái)。學(xué)術(shù)界也從不同方面探索云技術(shù)的相關(guān)理論和應(yīng)用，這些研究和探索都從不同方面推動(dòng)著云計(jì)算向縱深發(fā)展。例如文獻(xiàn)[2]從云計(jì)算的體系架構(gòu)上定義云計(jì)算的服務(wù)模式并劃分服務(wù)類型。文獻(xiàn)[3]則從云計(jì)算的安全出發(fā)，重點(diǎn)分析云計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)理論研究現(xiàn)狀，給出降低云計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策。但是這些更多的是停留在應(yīng)用服務(wù)層討論，缺少對(duì)云計(jì)算的主要關(guān)鍵的整體比較。本文首先綜述了云計(jì)算的定義，然后給出了云計(jì)算的服務(wù)結(jié)構(gòu)和體系模式，并且根據(jù)服務(wù)模式對(duì)服務(wù)進(jìn)行劃分。接著針對(duì)云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)：虛擬化技術(shù)，分布式存儲(chǔ)技術(shù)和安全可靠性問題進(jìn)行深入研究。最后展望了云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用和挑戰(zhàn)，為相關(guān)研究提供參考。

1 云計(jì)算的定義和特點(diǎn)

對(duì)于云計(jì)算的定義，不同的文獻(xiàn)給出了不同的表述，大致有以下幾種代表性的定義。

定義1：云計(jì)算（cloud computing）是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。

定義2：云計(jì)算（cloud computing），由位于網(wǎng)絡(luò)上的一組服務(wù)器把其計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)等資源以服務(wù)的形式提供給請(qǐng)求者以完成信息處理任務(wù)的方法和過程。在此過程中被服務(wù)者僅需提供需求并獲取所需服務(wù)結(jié)果，對(duì)于需求被服務(wù)的過程并不知情。同時(shí)服務(wù)者以最優(yōu)利用的方式動(dòng)態(tài)地把資源分配給眾多的服務(wù)請(qǐng)求者，以求達(dá)到最大效益。

定義3：云計(jì)算是一種并行的、分布式的系統(tǒng)，由虛擬化的計(jì)算資源構(gòu)成。這些資源可以根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)的重新配置，已達(dá)到最優(yōu)化使用的目的。服務(wù)提供上能根據(jù)和用戶事先商定好的服務(wù)等級(jí)協(xié)議，給用戶提供有償付費(fèi)服務(wù)。

根據(jù)云計(jì)算的定義可以看出，云計(jì)算具有虛擬化、異構(gòu)化、可擴(kuò)展化、容錯(cuò)化、可自治及可度量化等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)都為研究云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)提供了不同的方向。文獻(xiàn)[3]從云計(jì)算的服務(wù)資源，可擴(kuò)展性，寬帶網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，可度量性和可靠性對(duì)云計(jì)算的特點(diǎn)做了概括說明。同時(shí)對(duì)比了云計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算和web服務(wù)三者的不同。這種概括基于應(yīng)用層來分析，主要從服務(wù)的提供和使用方面來研究云計(jì)算服務(wù)。它沒有說明如何度量云計(jì)算服務(wù)的質(zhì)量，如何劃分云計(jì)算的服務(wù)粒度以及適合應(yīng)用云計(jì)算的軟件的屬性等。文獻(xiàn)[4]簡(jiǎn)述了云計(jì)算的定義，并介紹了實(shí)現(xiàn)云計(jì)算各項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并且對(duì)目前幾個(gè)具有代表性的云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)缺少對(duì)云計(jì)算的服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)安全等重要關(guān)鍵技術(shù)的探討。文獻(xiàn)[5]以谷歌的云計(jì)算為例，總結(jié)了云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（Google File System），數(shù)據(jù)管理技術(shù)（Bitable），編程模型和任務(wù)調(diào)度模型等，分析了云計(jì)算和傳統(tǒng)網(wǎng)格計(jì)算及超級(jí)計(jì)算的區(qū)別。針對(duì)特定平臺(tái)的云計(jì)算服務(wù)研究很難適用所有云計(jì)算的平臺(tái)。為了能夠更全面深入的理解云計(jì)算的特征和云服務(wù)的分類，必須首先對(duì)云計(jì)算進(jìn)行解構(gòu)，抽象出云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)劃分云計(jì)算所提供的服務(wù)和相關(guān)層次的關(guān)鍵技術(shù)。

2 云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)及服務(wù)模式

通過研究現(xiàn)有的各種云計(jì)算系統(tǒng)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)，云計(jì)算可以按照服務(wù)層次和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層（圖2）：

1） 基礎(chǔ)設(shè)施層（Iaas）。這層包括了所有的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，是云計(jì)算向用戶提供服務(wù)的硬件實(shí)體。它可以給用戶提供虛擬化的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。在這一層上提供服務(wù)的主要有亞馬遜的彈性云（Amazon，EC2）[6]和Apache的開源項(xiàng)目Hadoop[7]

2） 平臺(tái)服務(wù)層（Paas）。平臺(tái)服務(wù)層是整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)的核心層，主要包括軟件程序開發(fā)環(huán)境，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和分布式文件系統(tǒng)以及其他實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的管理系統(tǒng)。在這一層上提供服務(wù)的主要有Google App Engine[8]和Microsoft Azure[9]

3） 應(yīng)用服務(wù)層（Saas）。這是一種軟體交付模式，用戶通過瀏覽器就可以訪問響應(yīng)的應(yīng)用程序，不必要了解其背后支持運(yùn)作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)施或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。服?wù)提供商通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶應(yīng)用軟件服務(wù)來收費(fèi)。

根據(jù)云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行服務(wù)模式劃分是目前業(yè)界的主要方式。除此之外，也有的文獻(xiàn)將云計(jì)算按照提供服務(wù)的對(duì)象和服務(wù)的范圍進(jìn)行劃分，按照這種思想可以將云服務(wù)可以劃分為專為某部門或行業(yè)服務(wù)的私有云，為社區(qū)提供社區(qū)云，為所有用戶提供的公共云和同時(shí)為特別用戶和公共用戶提供的混合云。

云計(jì)算通過瀏覽器提供給用戶按需分配的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，而用戶不必要關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部如何實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程對(duì)用戶是透明的，提供給用戶的操作是簡(jiǎn)單可靠的。這些服務(wù)都是基于云計(jì)算的三大關(guān)鍵技術(shù)：虛擬化技術(shù)，分布式計(jì)算與存儲(chǔ)技術(shù)，可擴(kuò)展和可管可控的安全性技術(shù)。

3 云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 云計(jì)算中的虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算中的重要技術(shù)，通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了資源的邏輯抽象和統(tǒng)一標(biāo)示，可以對(duì)規(guī)?；挠脩粜枨筮M(jìn)行精心配置。虛擬主機(jī)的動(dòng)態(tài)配置是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10]提出了通過優(yōu)化虛擬機(jī)的調(diào)度策略和數(shù)據(jù)的遷移算，實(shí)現(xiàn)共享存儲(chǔ)和廣域網(wǎng)環(huán)境下的全系統(tǒng)實(shí)時(shí)遷移，目前這種方法能否真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)遷移和負(fù)載均衡，還需要進(jìn)一步的實(shí)踐驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]利用XenServer技術(shù)設(shè)計(jì)云桌面平臺(tái)，這種平臺(tái)將服務(wù)器虛擬化，組成龐大的服務(wù)器集群，提供海量的計(jì)算能力和靈活的資源調(diào)配機(jī)制，可以通過增加虛擬服務(wù)器來擴(kuò)展系統(tǒng)性能，實(shí)際上也是一種動(dòng)態(tài)主機(jī)的虛擬配置。這種設(shè)計(jì)通過將虛擬機(jī)桌面推送給使用客戶，提供給用戶安全穩(wěn)定的程序推算服務(wù)。文獻(xiàn)[12]也研究了利用虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的方法來解決負(fù)載均衡的問題，并且分析了傳統(tǒng)的資源分配的服務(wù)算法，研究建立基于開源云平臺(tái)OpenStack環(huán)境下的相關(guān)算法的遷移模型，設(shè)計(jì)了用戶衡量虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這種遷移標(biāo)準(zhǔn)僅僅能夠衡量遷移的時(shí)間代價(jià)和寬帶，不能量化遷移的質(zhì)量和安全。

虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移是解決虛擬動(dòng)態(tài)配置的核心，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移包括了內(nèi)存遷移，設(shè)備遷移和存儲(chǔ)遷移。目前云計(jì)算虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移最經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是Xen虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)（圖3），大多數(shù)文獻(xiàn)都是基于Xen 虛擬架構(gòu)提出研究動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)或者通過改進(jìn)Xen虛擬架構(gòu)并提出虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移優(yōu)化的框架。由于動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)不僅要考慮服務(wù)時(shí)間和負(fù)載均衡，也要考慮遷移質(zhì)量和安全可靠。因此關(guān)于遷移的策略逐步成為問題的核心，很多文獻(xiàn)針對(duì)這個(gè)問題提出了不同的解決方法，但是這些動(dòng)態(tài)遷移策略還需要進(jìn)一步通過實(shí)踐的檢驗(yàn)。

3.2 云計(jì)算環(huán)境下的分布式存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算提供給眾多用戶可靠的，按需的服務(wù)，就需要對(duì)分布的，海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，因此高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前云計(jì)算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的GFS， BigTable，MapReduces數(shù)據(jù)和亞馬遜的Dynamo。文獻(xiàn)[13]針對(duì)云數(shù)據(jù)庫(kù)管理的概念，分析了GFS， Big Table ，Dynamo等當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)主流云數(shù)據(jù)管理的基本原理，并針對(duì)未來云數(shù)據(jù)管理架構(gòu)進(jìn)行分析。由于云計(jì)算要處理的數(shù)據(jù)具有海量，異構(gòu)和非確定的特點(diǎn)，因此如何確定數(shù)據(jù)的變化和預(yù)載信息，能夠最大程度的利用已有的存儲(chǔ)資源實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)優(yōu)化，還是目前要進(jìn)一步討論的話題。文獻(xiàn)[14]在研究Apache下的開源分布式計(jì)算平臺(tái)Hadoop的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建基于HDFS的云存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)來解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題。文獻(xiàn)[15]在基于分布式文件系統(tǒng)HDFS的基礎(chǔ)上，通過信息分散存儲(chǔ)的改進(jìn)文件塊存放策略提高存儲(chǔ)的負(fù)載均衡能力，并且通過增加口令認(rèn)證技術(shù)結(jié)合HDFS認(rèn)證相結(jié)合來提高HDFS的安全性。云計(jì)算中數(shù)據(jù)主要是分布式存儲(chǔ)在各個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)上，這些數(shù)據(jù)中心是云計(jì)算的核心基礎(chǔ)設(shè)施，由百萬(wàn)級(jí)以及以上的節(jié)點(diǎn)組成，尤其是一些核心節(jié)點(diǎn)，其上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)規(guī)模往往達(dá)到了PB以及EB級(jí)，因此數(shù)據(jù)失效成為了一種常態(tài)，極大的影響云計(jì)算的應(yīng)用，增加了云計(jì)算的成本。文獻(xiàn)[16]從提高可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，降低成本的角度研究了云計(jì)算分布式環(huán)境下的若干關(guān)鍵技術(shù)，首先對(duì)比介紹了當(dāng)前典型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，其次介紹對(duì)比了當(dāng)前兩種分布式存儲(chǔ)容錯(cuò)技術(shù)，即基于復(fù)制的容錯(cuò)技術(shù)和基于糾刪碼的容錯(cuò)技術(shù)，然后介紹了當(dāng)前的分布式存儲(chǔ)節(jié)能技術(shù)，對(duì)比了各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3 云計(jì)算的安全問題

云計(jì)算使得信息技術(shù)向著集約化，規(guī)?；透咝Щ姆较虬l(fā)展，但它在提高使用效率的同時(shí)也面臨著用戶信息的安全和隱私保護(hù)的巨大挑戰(zhàn)。安全成了云計(jì)算領(lǐng)域需要重要解決的問題，也是衡量云計(jì)算性能的一個(gè)重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[17]根據(jù)云計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)，提出了構(gòu)建包括云計(jì)算安全服務(wù)體系，云計(jì)算安全標(biāo)準(zhǔn)及其評(píng)測(cè)體系的云計(jì)算安全框架，并且集中概括了云計(jì)算安全的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，如可信訪問控制，密文檢索與處理，數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，虛擬安全技術(shù)，云資源訪問控制及可信云計(jì)算等方面。云計(jì)算安全不僅僅是技術(shù)問題，它也涉及監(jiān)管模式和法律法規(guī)等方面，因此在這方面還需要進(jìn)一步的研究，制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[18]根據(jù)云計(jì)算的服務(wù)特點(diǎn)，面臨的安全性挑戰(zhàn)，給出了云計(jì)算安全服務(wù)框架，在此基礎(chǔ)上給出了可管、可控、可度量的云計(jì)算安全架構(gòu)（圖4）。這種架構(gòu)將云計(jì)算的安全劃分成不同的層次，然后根據(jù)安全目標(biāo)的不同實(shí)現(xiàn)方式，研究相應(yīng)的安全機(jī)制，分析比較各種機(jī)制及相互的關(guān)系，提出一種基于多隊(duì)列多服務(wù)器云安全模型的分析思路。這種安全服務(wù)架構(gòu)既給出了安全設(shè)計(jì)的要求，也給出現(xiàn)有機(jī)制的適用范圍。云計(jì)算的任務(wù)和環(huán)境是不斷變化的，如何使現(xiàn)有的安全機(jī)制能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，并且精確描述安全規(guī)模的增長(zhǎng)還需要深入研究。

4 云計(jì)算的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

云計(jì)算能夠?qū)⒂?jì)算資源和存儲(chǔ)資源都集中在云端，客戶端變得精簡(jiǎn)，用戶的操作變得簡(jiǎn)單。這種資源集中，按需分配的方式可以大大降低資源的浪費(fèi)，是建立資源節(jié)約型社會(huì)的主要方式之一。相關(guān)的服務(wù)商能夠更敏捷的部署應(yīng)用，調(diào)整業(yè)務(wù)，從而具有極大的可伸縮性。云計(jì)算能否快速響應(yīng)用戶的需求，并且提供高質(zhì)的服務(wù)是云計(jì)算推廣的一個(gè)方面，同時(shí)個(gè)人用戶信息都存儲(chǔ)在云端，保證用戶的個(gè)人信息安全是云計(jì)算面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。因此在這兩個(gè)方面將是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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