云計(jì)算IaaS實(shí)例研究綜述

張力

摘 要：對比傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，分析了云計(jì)算IaaS的組件和工作原理，研究了IBM的PowerLinux架構(gòu)、思科的HyperFlex架構(gòu)以及華為的Openstack架構(gòu)的各自特點(diǎn)及服務(wù)，以期為用戶選擇IaaS服務(wù)提供參考。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；IaaS；Hadoop；云基礎(chǔ)架構(gòu)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171372

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0208-03

0 引言

隨著2006年谷歌推出“101計(jì)劃”，云計(jì)算開始進(jìn)入人們視野。如今，云計(jì)算已在人們的工作、生活中得到了廣泛應(yīng)用。云計(jì)算能給用戶帶來更少的支出、更高的效率、更靈活的擴(kuò)展性，都是源于云計(jì)算是基于對整個(gè)IT領(lǐng)域的變革，其技術(shù)和應(yīng)用涉及硬件與軟件系統(tǒng)、運(yùn)維管理、服務(wù)模式等各個(gè)方面。

云計(jì)算的服務(wù)形式主要有3種：SaaS（軟件即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）、IaaS（基礎(chǔ)即服務(wù)）。IaaS作為云計(jì)算最基礎(chǔ)的服務(wù)，將基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行云化，為應(yīng)用系統(tǒng)的安裝、部署和運(yùn)行維護(hù)提供支撐，以提升應(yīng)用系統(tǒng)工作效率，降低總成本。IaaS由于包含各種軟硬件系統(tǒng)，因此在向云遷移過程中也面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文首先分析IaaS的各種組件和工作原理，然后研究IBM的PowerLinux架構(gòu)、思科的Cisco HyperFlex架構(gòu)、華為的OpenStack架構(gòu)，分析相關(guān)產(chǎn)品特點(diǎn)，最后對3種服務(wù)進(jìn)行比較，以期為用戶選擇合適的基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)提供借鑒。

1 傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)

傳統(tǒng)的IT基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示，屬于專機(jī)專用系統(tǒng)。只要有新應(yīng)用系統(tǒng)上線，就要分析該應(yīng)用系統(tǒng)的資源需求，確定基礎(chǔ)架構(gòu)所需的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備規(guī)格和數(shù)量。傳統(tǒng)模式主要存在以下問題[1]：

（1）硬件資料高配低用。出于對未來業(yè)務(wù)發(fā)展的考慮，在選擇計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備配置時(shí)通常留有余量，但余量一般使用較少，從而使高配置的硬件設(shè)備利用率不高。

（2）整合困難。用戶需要上線新的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，會(huì)優(yōu)先考慮部署在既有的基礎(chǔ)架構(gòu)上。但由于不同應(yīng)用系統(tǒng)所需的運(yùn)行環(huán)境等有很大差異，而且考慮到可靠性、穩(wěn)定性、運(yùn)維管理等問題，將新、舊應(yīng)用系統(tǒng)整合在一套基礎(chǔ)架構(gòu)上的難度非常大，更多用戶往往選擇新增與應(yīng)用系統(tǒng)配套的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備。

綜上述，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)使得整體資源利用率不高，而且占用過多的機(jī)房空間和能源。隨著應(yīng)用系統(tǒng)的增多，IT資源的效率、擴(kuò)展性、可管理性等都面臨很大的挑戰(zhàn)。

2 云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)

云基礎(chǔ)架構(gòu)在傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)硬件層的基礎(chǔ)上，增加了虛擬化層與云層，使得計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及對應(yīng)的虛擬化單個(gè)產(chǎn)品和技術(shù)本身不再是核心，重要的是通過資源整合，形成一個(gè)有機(jī)的、可靈活調(diào)度和擴(kuò)展的資源池，面向云應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的部署、監(jiān)控、管理和運(yùn)維功能。

在云基礎(chǔ)架構(gòu)模式下，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全采用虛擬化技術(shù)，資源池使得產(chǎn)品及對應(yīng)的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及虛擬化策略是動(dòng)態(tài)變化的。云基礎(chǔ)架構(gòu)融合的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)，目前計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)已相對成熟并自成體系，但就整個(gè)IT基礎(chǔ)架構(gòu)而言，網(wǎng)絡(luò)是將計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池、用戶連接在一起的紐帶，只有網(wǎng)絡(luò)能夠充分感知到計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池和用戶訪問的動(dòng)態(tài)變化，才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連通性的同時(shí)，保障網(wǎng)絡(luò)策略的一致性。否則，通過人工干預(yù)和手工配置，將大大降低云基礎(chǔ)架構(gòu)的靈活性、可擴(kuò)展性和可管理性。

3 基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)

云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)主要使用Hadoop分布式系統(tǒng)平臺(tái)，如圖2所示。Hadoop由HDFS、MapReduce、HBase、Hive和ZooKeeper等組成，HDFS（Hadoop Distributed File System）是最基礎(chǔ)與重要的元素，它作為底層分布式文件系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)集群中的所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行使用的是MapReduce引擎。

（1）Pig可加載數(shù)據(jù)、表達(dá)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)最終結(jié)果。Pig內(nèi)置的操作使半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)變得有意義（如日志文件）。同時(shí)Pig可擴(kuò)展使用Java中添加的自定義數(shù)據(jù)類型并支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（2）Hive是基于Hadoop的一個(gè)工具，提供完整的SQL查詢，可以將sql語句轉(zhuǎn)換為MapReduce任務(wù)運(yùn)行。

（3）ZooKeeper是一個(gè)分布式、開放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，為分布式應(yīng)用提供一致性服務(wù)，提供的功能包括：配置維護(hù)、域名服務(wù)、分布式同步、組服務(wù)等。

（4）HBase是一個(gè)開源的、基于列存儲(chǔ)模型的分布式數(shù)據(jù)庫。

（5）HDFS是一個(gè)適合運(yùn)行在通用硬件（Commodity Hardware）上的分布式文件系統(tǒng)，有著高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，適合超大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。

（6）MapReduce是一種計(jì)算框架，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運(yùn)算。

4 各大運(yùn)營商的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)

4.1 IBM的PowerLinux架構(gòu)

定位：適合中型企業(yè)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的端到端基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用程序解決方案。

PowerLinux架構(gòu)具體特點(diǎn)如下：

（1）可靠性。PowerLinux開源基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)在高度安全、極具彈性的 Linux 優(yōu)化系統(tǒng)PowerLinux 7R2 服務(wù)器上運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)更快的交付速度。PowerLinux 7R2 服務(wù)器是一款密集的、僅運(yùn)行 Linux 的雙插槽機(jī)架外形服務(wù)器，配備 16 個(gè) POWER7 處理器內(nèi)核。PowerLinux 7R2 服務(wù)器中的智能線程和 Active Memory Sharing 等 POWER7 技術(shù)還可以提高工作負(fù)載性能與服務(wù)器投資回報(bào)[2]。endprint

（2）更高的硬件利用率。PowerLinux開源基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)利用行業(yè)領(lǐng)先的PowerVM技術(shù)，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。適用于PowerLinux的PowerVM是為PowerLinux機(jī)架式服務(wù)器提供的獨(dú)家產(chǎn)品。此產(chǎn)品為新版本的PowerVM，以與 x86 虛擬化解決方案相當(dāng)?shù)膬r(jià)格提供企業(yè)級的功能。適用于PowerLinux的PowerVM提供的功能可以根據(jù)工作負(fù)載要求動(dòng)態(tài)調(diào)整分配給分區(qū)的系統(tǒng)資源，以及允許虛擬機(jī)（VM）訪問服務(wù)器中可用的最多數(shù)量的內(nèi)存與 CPU 內(nèi)核。多個(gè)共享處理器池、共享專用容量和 Active Memory Sharing 等PowerVM功能使無論是在預(yù)期或非預(yù)期的工作負(fù)載高峰，都可以通過系統(tǒng)資源高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果是更高的服務(wù)器吞吐量。適用于PowerLinux的PowerVM卓越的虛擬化效率支持橫向擴(kuò)展環(huán)境下更少服務(wù)器的單一工作負(fù)載服務(wù)器整合，從而減少服務(wù)器數(shù)量，簡化服務(wù)器管理，并降低IT成本。

4.2 CISCO的HyperFlex架構(gòu)

定位：一個(gè)易于使用的簡化平臺(tái)，它集計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)功能于一體。該平臺(tái)將云的“隨增長，隨投資”消費(fèi)模式套用到內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施上，從而提供敏捷性、效率和適應(yīng)能力。

HyperFlex架構(gòu)具體特點(diǎn)如下：

（1）全面的端到端解決方案。該平臺(tái)集各種軟件定義的功能于一體[3]，通過基于Intel Xeon處理器的思科統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)（思科 UCS）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)軟件定義的計(jì)算；通過強(qiáng)大的新HyperFlex HX 數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)軟件定義的存儲(chǔ)；思科統(tǒng)一交換矩陣能夠與思科的基礎(chǔ)設(shè)施（思科ACI）輕松集成，通過思科統(tǒng)一交換矩陣可實(shí)現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。網(wǎng)絡(luò)功能是超融合系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素，因?yàn)樗潜Ｕ洗鎯?chǔ)平臺(tái)性能、輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以及保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的基礎(chǔ)。通過這種集成可提供支持單點(diǎn)管理的預(yù)集成集群，不僅訂購方便，而且能夠在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)投入使用并可靠運(yùn)行。

（2）采用下一代數(shù)據(jù)技術(shù)。HyperFlex HX 數(shù)據(jù)平臺(tái)控制器將整個(gè)集群的固態(tài)磁盤 （SSD） 驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械磁盤整合到一個(gè)基于對象的分布式多層Datastore中。此環(huán)境可通過冗余實(shí)現(xiàn)高可用性，并通過內(nèi)嵌式重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮功能實(shí)現(xiàn)出色的存儲(chǔ)利用率。不僅如此，它還具備企業(yè)級存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)具備的其它功能，如HyperFlex系統(tǒng)能夠在FCS時(shí)支持通過VMwarevSphere虛擬化及容器化的裸機(jī)環(huán)境。

4.3 華為的OpenStack架構(gòu)

定位：開放、異構(gòu)、支持不同業(yè)務(wù)特征的架構(gòu)。

OpenStack架構(gòu)具體特點(diǎn)如下：

（1）開放兼容。OpenStack架構(gòu)具有很好的兼容性，廣泛支持第3方廠商的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和安全物理硬件和虛擬化軟件產(chǎn)品，有效利舊且能支持長期演進(jìn)，可為客戶提供更加充分的自主選擇權(quán)[4]。在云服務(wù)層面，在OpenStack基礎(chǔ)上提供備份與容災(zāi)、熱遷移、跨數(shù)據(jù)中心資源調(diào)度、電信云定制化擴(kuò)展、業(yè)務(wù)彈性調(diào)度、智能管道調(diào)度、分布式引擎、物理資源池等擴(kuò)展服務(wù)，可滿足企業(yè)隨需部署云業(yè)務(wù)。

（2）性能領(lǐng)先。采用裸金屬架構(gòu)的虛擬化引擎，對物理CPU資源的損耗小于5%，顯著提升服務(wù)器資源利用率高達(dá)80%，減少IT部署成本30%以上。同時(shí)，能滿足運(yùn)營商業(yè)務(wù)中基站控制器對虛擬化引入時(shí)延小于20us的要求，遠(yuǎn)低于業(yè)界主流虛擬化引入的時(shí)延平均水平；分布式存儲(chǔ)虛擬化軟件性能業(yè)界領(lǐng)先，1TB數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)間小于30min，多盤并發(fā)能力可帶來IOPS性能的十倍提升；采用FusionCompute虛擬化平臺(tái)，具有業(yè)界最大的系統(tǒng)容量，支持4 096個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大可管理8萬個(gè)虛擬機(jī)；采用高性能分布式存儲(chǔ)虛擬化軟件，幫助系統(tǒng)提升性能的3倍以上。

5 結(jié)語

各廠商的云基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)均具有敏捷、高效、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在政府及公共事業(yè)、能源、金融、交通、醫(yī)療、教育、制造等各行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。但各產(chǎn)品又各有千秋，IBM PowerLinux集成PowerSystems的強(qiáng)大特性在分析大數(shù)據(jù)方面獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，CISCO的HyperFlex在超融合方面別具一格，華為基礎(chǔ)架構(gòu)的FusionCompute虛擬化平臺(tái)在系統(tǒng)容量方面獨(dú)占鰲頭。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)機(jī)構(gòu)本身的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求、安全需求與計(jì)算需求，選擇適合自己的基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的解決方案[EB/OL].http：//cloud.51cto.com/art/201411/456798.htm.

[2] PowerLinux[EB/OL].http：//powerlinux.csdn.net/.

[3] 思科 HyperFlex HX 系列[EB/OL]. http：//www.cisco.com/c/zh_cn/products/hyperconverged-infrastructure/hyperflex-hx-series/index.html.

[4] OpenStack [EB/OL]. https：//docs.openstack.org/.

[5] 李阿妮，張曉，趙曉南，等.面向IaaS的云計(jì)算系統(tǒng)可用性評估[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2016（10）：33-39.

[6] 葉雪琳，胡忠望.基于云計(jì)算技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室信息化應(yīng)用研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（13）：25-28.

[7] 葛磊，吳建軍.高校云平臺(tái)建設(shè)的研究與探索[J].軟件工程，2016（1）：50-52.endprint