超級(jí)云的概念和設(shè)計(jì)

徐蓉

摘要：隨著云技術(shù)地不斷發(fā)展，云計(jì)算資源與消費(fèi)者之間的耦合關(guān)系限制了各種服務(wù)的擴(kuò)展。為了解決今天云計(jì)算的緊密耦合問題，我們提出了超級(jí)云的概念，使云計(jì)算的配送與供應(yīng)商及物理資源無關(guān)。通過引入Xen覆蓋層的概念，使用戶可以在不修改虛擬機(jī)映像的情況下，跨越多個(gè)云供應(yīng)商并且享受更靈活的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：云技術(shù)； 超級(jí)云；Xen覆蓋層

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0046-02

作為商品化的計(jì)算資源，云計(jì)算常常會(huì)被用來和其他設(shè)施模型進(jìn)行比較，比如電力設(shè)施。與電力提供商類似，云供應(yīng)商也提供大量的計(jì)算資源。然而，和電力設(shè)施模型不同的是，電力的產(chǎn)生細(xì)節(jié)對(duì)消費(fèi)者而言是完全透明的，而云消費(fèi)者卻必須和供應(yīng)商的物理設(shè)施緊密耦合，而且要遵守不同供應(yīng)商的各種規(guī)范（如虛擬棧、管理API等）。按實(shí)際情況來說，今天的云配送模式類似于十九世紀(jì)八十年代后期的直流電配電模式，即與當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電機(jī)緊密耦合在一起的。

美國西屋電力公司的通用電力系統(tǒng)，是現(xiàn)代電力發(fā)電、配送和商品化的基礎(chǔ)。在這個(gè)通用系統(tǒng)中，高電壓轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為不同的電壓，消費(fèi)者只需要關(guān)心電力是否可用。電力如何產(chǎn)生對(duì)于消費(fèi)者是完全透明的，因此電力消費(fèi)和電力產(chǎn)生的耦合被解除掉了，而這種解耦恰恰是當(dāng)代電力系統(tǒng)配送及商品化的基礎(chǔ)。我們可以參考這一思路，來建設(shè)我們的云基礎(chǔ)設(shè)施。

為了解決今天云計(jì)算的緊密耦合問題，我們提出了超級(jí)云的概念，使云計(jì)算的配送與供應(yīng)商及物理資源無關(guān)。從表面上看，超級(jí)云的用戶看到的計(jì)算資源和目前的云系統(tǒng)是一樣的。但在表象之下，超級(jí)云將底層各種云資源轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的抽象層。超級(jí)云定義并完全控制整個(gè)云協(xié)議棧，使其獨(dú)立于提供商的物理設(shè)施，從而將用戶與云供應(yīng)商解耦。

超級(jí)云的實(shí)現(xiàn)不需要對(duì)現(xiàn)存的云系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在本文中，我們將演示如何在現(xiàn)存的云系統(tǒng)上面來創(chuàng)建超級(jí)云，將內(nèi)嵌的虛擬化系統(tǒng)作為平臺(tái)，使其類似于電力通用系統(tǒng)中的高電壓轉(zhuǎn)換器。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)嵌的半虛擬化管理程序，稱為Xen1覆蓋層，它可以運(yùn)行在不同供應(yīng)商之上，使超級(jí)云跨越不同的云系統(tǒng)。因此，一個(gè)超級(jí)云可以管理客戶端的虛擬機(jī)（VM），使其獨(dú)立于供應(yīng)商的虛擬棧，從而跨越不同的計(jì)算資源。例如，一個(gè)超級(jí)云可以使VM在提供商之間在線遷移，同時(shí)它可以運(yùn)行任何的云管理?xiàng)?，包括OpenStack， Eucalyptus，甚至是完全自定義的棧。

1 超級(jí)云的設(shè)計(jì)

1.1 云計(jì)算的通用系統(tǒng)

通用系統(tǒng)中的資源設(shè)施模型，比如電力設(shè)施，包括三個(gè)獨(dú)立的角色：發(fā)電，配送，消費(fèi)。在最末端，發(fā)電機(jī)提供資源。配送商把不同發(fā)電器產(chǎn)生的原始資源作為商品，生成服務(wù)。最后消費(fèi)者與配送商提供的服務(wù)交互，從而使用這些資源。

IaaS云所使用的普遍模型只有兩個(gè)實(shí)體：一個(gè)云供應(yīng)商和一個(gè)云使用者。這種情況是將云看成一個(gè)公共設(shè)施，云供應(yīng)商扮演著發(fā)電機(jī)的角色，并將計(jì)算資源提供給虛擬機(jī)，云使用者扮演著消費(fèi)者的角色。

在今天的云環(huán)境中，配送的角色可能由云供應(yīng)商或第三方機(jī)構(gòu)扮演，但兩種情況都有局限。一些云供應(yīng)商既充當(dāng)發(fā)電機(jī)又充當(dāng)配送商。他們完全控制著物理資源，可以實(shí)現(xiàn)大量的產(chǎn)品作為服務(wù)提供給用戶。然而，這些產(chǎn)品本質(zhì)上是與單個(gè)供應(yīng)商捆綁，因此阻止了配送服務(wù)跨越不同供應(yīng)商，比如供應(yīng)商失敗容差。作為另一種方案，第三方供應(yīng)商（如RightScale）可以扮演配送的角色。通過與多個(gè)云供應(yīng)商交互，他們提供云服務(wù)和管理產(chǎn)品。然而，這些第三方供應(yīng)商缺乏對(duì)云供應(yīng)商平臺(tái)的控制，最終他們無法提供虛擬機(jī)遷移，CPU突發(fā)，透明虛擬機(jī)容錯(cuò)等服務(wù)。

今天的云模型缺乏一個(gè)強(qiáng)健的方法來創(chuàng)建云分配器。這樣的分配器應(yīng)該可以從不同云供應(yīng)商那里消費(fèi)資源，同時(shí)保持對(duì)這些資源的控制。換而言之，所缺乏的是一個(gè)分配層，可以將云發(fā)電機(jī)和云消費(fèi)者解耦。超級(jí)云所完成的就是這個(gè)角色，它將云供應(yīng)商看作可互換的發(fā)電機(jī)。超級(jí)云可以為計(jì)算資源在不同云供應(yīng)商之間提供價(jià)格策略和現(xiàn)貨市場(chǎng)，在供應(yīng)商之間復(fù)制虛擬機(jī)，并且簡化管理。

1.2 挑戰(zhàn)和要求

IaaS2云供應(yīng)商是相異的，他們的服務(wù)與物理資源緊密耦合。為了成為獨(dú)立的分配器，一個(gè)超級(jí)云必須包含一個(gè)轉(zhuǎn)換器或者一種徹底從物理設(shè)備解耦資源的機(jī)制-包括計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)。第一步，我們集中考慮從物理設(shè)施解耦計(jì)算資源。在IaaS云中，計(jì)算在兩方面與云供應(yīng)商捆綁，必須使用轉(zhuǎn)換器來解耦。

第一，運(yùn)行在一個(gè)云供應(yīng)商上的虛擬機(jī)映像很難在不同的云上面實(shí)例化。例如，EC23和Rackspace4使用不同的映像格式，分別是AMI和OVF。虛擬機(jī)使用的半虛擬化設(shè)備接口都是相似地多樣化，EC2和Rackspace上的虛擬機(jī)分別使用Xen和virtio。一個(gè)超級(jí)云需要從不同的云供應(yīng)商那里將計(jì)算資源作為商品來使用，因此必須將虛擬機(jī)映像格式從供應(yīng)商那里解耦。

第二，IaaS提供給虛擬機(jī)的服務(wù)也是多樣化的。例如，Amazon EC2提供云監(jiān)控服務(wù)， 自動(dòng)擴(kuò)縮容量， 和負(fù)載均衡，而Rackspace支持虛擬機(jī)遷移來抗衡服務(wù)器主機(jī)降級(jí)，同時(shí)支持CPU突發(fā)來向其他實(shí)例借用周期。由于運(yùn)行在管理層上的工具無法被獲取，沒有統(tǒng)一格式的工具可以讓用戶在物理設(shè)備上定義虛擬機(jī)，虛擬機(jī)之間的頁面共享，或資源的超額認(rèn)購。超級(jí)云必須以云提供商欠缺的功能來增強(qiáng)服務(wù)，而且使這些服務(wù)在不同的云資源之間無縫連接。

2 建立超級(jí)云

Xen覆蓋層是一個(gè)內(nèi)嵌的虛擬化系統(tǒng)，超級(jí)云的核心部分利用這個(gè)覆蓋層將任意一個(gè)由供應(yīng)商定義的虛擬機(jī)實(shí)例轉(zhuǎn)換為一個(gè)統(tǒng)一的，基于分配器的實(shí)例。如圖1所示，虛擬機(jī)實(shí)例中的內(nèi)嵌虛擬系統(tǒng)包含了兩層管理程序。在這個(gè)模型中，提供商繼續(xù)擁有第一層的管理程序，而超級(jí)云擁有第二層管理程序。同時(shí)，在這個(gè)模型中，不同的超級(jí)云（即不同的分配商）可以共存。

Xen覆蓋層主要包含兩層。第一，上層為超級(jí)云用戶提供了一個(gè)超級(jí)云控制的虛擬機(jī)接口和工具包，使客戶端的虛擬機(jī)映像在不修改的情況下可以運(yùn)行在任何供應(yīng)商設(shè)施之上。第二，下層與底層通信管理程序接口，它根據(jù)不同的供應(yīng)商變化，這樣底層的管理程序就不需要任何改變。

Xen覆蓋層的下層保障超級(jí)云可以跨越不同的云系統(tǒng)，而不必對(duì)底層的云系統(tǒng)或管理程序進(jìn)行修改。假設(shè)云供應(yīng)商支持X86系統(tǒng)上的硬件輔助虛擬技術(shù)，但我們不能模擬設(shè)備的I/O接口，因此覆蓋層的管理程序必須知道底層管理程序以及并行虛擬I/O接口。Xen覆蓋層與各種不同的底層設(shè)備的并行虛擬接口對(duì)接。設(shè)備并行虛擬接口對(duì)于運(yùn)行性能是必不可少的，但現(xiàn)在仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)存在。Xen覆蓋層如果要支持非標(biāo)準(zhǔn)的接口，則必須修改下層使其包含特定的覆蓋層驅(qū)動(dòng)。

Xen覆蓋層將供應(yīng)商特定的虛擬機(jī)映像格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將管理程序環(huán)境轉(zhuǎn)換為一個(gè)通用的格式。然而，超級(jí)云如果要將云供應(yīng)商與消費(fèi)者完全解耦，則必須對(duì)供應(yīng)商的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行解耦。特別地，一個(gè)超級(jí)云必須提供統(tǒng)一的機(jī)制將虛擬機(jī)安置在網(wǎng)絡(luò)上，同時(shí)還要和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行交互。

云供應(yīng)商提供一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)抽象層來將網(wǎng)絡(luò)地址與云基礎(chǔ)設(shè)施解耦。例如，亞馬遜的VPC（虛擬私有云）允許用戶將他們的虛擬網(wǎng)絡(luò)延伸到云系統(tǒng)中。在消除了技術(shù)地址的挑戰(zhàn)后，超級(jí)云還需要完善一個(gè)策略，即使虛擬機(jī)可以在不同的供應(yīng)商之間切換，但彼此之間通信頻繁的虛擬機(jī)仍然留在同一個(gè)云系統(tǒng)上。

網(wǎng)絡(luò)地址問題的解決使得虛擬機(jī)可以從超級(jí)云系統(tǒng)內(nèi)部的任何位置訪問存儲(chǔ)設(shè)備。但如果虛擬機(jī)訪問的是另一個(gè)云系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)使性能降低。超級(jí)云可以采用緩沖和復(fù)制的技術(shù)，并且在存儲(chǔ)成本和傳輸數(shù)據(jù)之間取得一個(gè)性能上的平衡，甚至可以考慮在不同的供應(yīng)商之間使用類似于RAID的技術(shù)。

3 總結(jié)

通過Xen覆蓋層，超級(jí)云可以控制管理層以實(shí)現(xiàn)豐富的云服務(wù)。并且，Xen覆蓋層不需要修改現(xiàn)在的云供應(yīng)商設(shè)施，所以超級(jí)云的實(shí)現(xiàn)是現(xiàn)實(shí)可行的。在未來，超級(jí)云可以跨越多個(gè)供應(yīng)商，提供完備的管理協(xié)議棧，革新和實(shí)驗(yàn)性的云服務(wù)，并為特定的應(yīng)用提供定制特征。

注解：

1.Xen 是一個(gè)開放源代碼虛擬機(jī)監(jiān)視器，由劍橋大學(xué)開發(fā)。Xen無需特殊硬件支持，就能達(dá)到高性能的虛擬化。

2.Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，消費(fèi)者通過Internet可以從完善的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。

3.（EC2，Elastic Compute Cloud）-亞馬遜彈性計(jì)算云，是一個(gè)讓使用者可以租用云端電腦運(yùn)行所需應(yīng)用的系統(tǒng)。

4.Rackspace是全球三大云計(jì)算中心之一，1998年成立，是一家全球領(lǐng)先的托管服務(wù)器及云計(jì)算提供商，公司總部位于美國，在英國，澳大利亞，瑞士，荷蘭及香港設(shè)有分部。

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