云計算(2)

云計算是目前被廣泛討論的互聯網熱點，各大IT巨擘都推出了自己的云計算產品。本講座將分3期對云計算技術進行討論:第一講從云計算服務的使用者角度簡單敘述云計算的由來、基本特點以及當前的典型應用;第二、三講從技術角度探討云內部的具體內容，分析云計算的組成、體系結構、計算模型，比較云計算與其他分布式計算技術的區別，探討云計算的成功案例、云計算商業模式、相關的經濟技術問題、云計算發展趨勢等。

6 云計算體系結構

要想知道云計算到底是什么，就得看看這云里邊到底包括什么成分以及采用何種體系結構組成。就像自然界的云是指停留大氣層上的水滴或冰晶膠體的集合體。云是地球上龐大的水循環的有形結果。太陽照在地球表面，水蒸發形成水蒸氣，一旦水汽過飽和，水分子就會聚集在空氣中的微塵(凝結核)周圍，由此產生的水滴或冰晶將陽光散射到各個方向，這就產生了云的外觀。但是其成分并不僅是水、微塵，還有導致閃電的正負電荷，甚至由于污染物造成的酸類物質。云中各類成分構成比例不同，對氣候會產生不同的影響。

通常一個軟硬件應用系統的體系結構包含從不同角度察看系統所得到的不同視圖。我們同樣采用這種方式來刻畫云計算系統。云內部的成分及其組織方式也將影響到云系統的功能和使用。

下面就從不同角度來看云的組成、云的分類、云的服務層次、云計算開放體系結構和面向市場的云計算。當然，云計算還不成熟，文中的闡述并非一家之言，但是讀者可以從中對云計算相關的技術有基本了解。

6.1 云的組成

從上一講中的云計算概觀圖可以看到，云計算系統由許多云計算服務提供商共同組成。從計算機軟硬件角度來說，云計算系統是由各類計算機、存儲設備、通信設備，以及在這些硬件設備上運行的軟件系統構成的。

這只是一個極其簡化的示意圖，表明云系統內部的組成。但是僅從這張圖還是看不出云能做什么、以及如何做到的。在云計算的環境中，數據大多駐留在互聯網某個位置的服務器上，而應用程序則運行于云服務器和用戶瀏覽器上。

6.2 云的分類

有研究人員把云計算分為3類，即公共云、私有云和混合云。如圖3所示:

公共云:或者外云，表示傳統主流意義上的云計算，即非本地的第三方云服務提供商在Internet上通過Web應用或Web服務的方式為客戶提供基于自服務的精細化的共享資源，以及基于效用計算的精細化資源賬單。

私有云:或者內云，是指一些廠商用來描述在其私有網內提供云計算服務的新詞匯。這些虛擬化產品聲稱能夠“交付有優點沒有弱點的云計算服務”，主要關注數據安全、企業可管理、和可靠性方面。有批評指出用戶“仍然需要購買、搭建和管理私有云”，不能在降低前端資本投資和減少管理方面受益，而恰恰是這個經濟模型才成就了云計算這個奇妙的東西。

混合云:混合云環境包含多個內部和/或外部云構成，“將會適合大多數企業的典型云環境”。

總的來說，云計算強調一種互聯網資源利用的新模式，它是一種把 IT 資源當作服務來提供的手段。幾乎所有 IT 資源都可以作為云服務來提供:應用程序、計算能力、存儲容量、網絡通信服務和協作工具。因此，下面我們從服務的角度來看看云計算。

6.3 云的服務層次

截止到2009年，大部分的云計算基礎構架是由通過數據中心傳送的可信賴的服務和建立在服務器上的不同層次的虛擬化技術組成的。人們可以在任何提供有網絡基礎設施的地方使用這些服務。云計算軟件和數據均存儲在數據中心，并通過Web方式提供通用的商業應用服務，而用戶則采用瀏覽器訪問在線應用服務。

云計算一般被認為包括幾個層次的服務:基礎設施即服務(IaaS)，平臺即服務(PaaS)和軟件即服務(SaaS)。人們?？吹降年P于云計算的結構圖如圖4所示。

云客戶端可以在各類設備上(包括移動設備)運行Web瀏覽器，但它使用的云應用服務是由云計算平臺提供的。

云應用層(SaaS)在應用軟件層次上實現云計算，通常不需要在客戶端安裝和運行應用程序，從而可減輕用戶進行軟件運維的負擔。在這一層次上典型的應用如Web應用Facebook、YouTube，軟件即服務的Google Apps(如Gmail)、Salesforce，內容分發服務BitTorrent(BT下載)等。

云平臺(PaaS)將計算平臺或解決方案作為服務交付，通常需要云基礎設施并支撐上層云應用。例如:支付服務平臺Paypal、解決方案Google App Engine、文件存儲Amazon S3等。

云基礎設施(IaaS)是將計算機基礎設施(通常是平臺的虛擬化環境)也作為服務交付。例如:Amazon EC2虛擬機等。

云服務器層由計算機硬件和相應軟件組成，專門為云服務的交付而設計。

與云計算密切相關的概念是 “一切即服務”(XaaS)。更有研究者把人的群體智能也納入服務棧，利用大眾的力量共同為某些服務作貢獻，例如維基百科、“有新聞價值的”視頻流等。上述服務棧進一步細化后如圖5所示:

簡單的服務可以進一步組合成復雜多樣的應用服務。這不僅可以在SaaS層實現，也可以在低層上實現。比如AmazonWeb Services 的應用GrepTheWeb采用簡單隊列服務(SQS)實現控制器的解耦合，在EC2實例的集群上實現Hadoop MapReduce，S3和SimpleDB 用于數據存儲和檢索。

6.4 云計算開放體系結構

虛擬化是實現云資源共享的核心技術，結合面向服務體系結構(SOA)的靈活性、可擴展性和可重用性，有研究人員參考開放系統互連參考模型(OSI)七層模型設計了云計算開放體系結構，并作為云計算系統實施的參考模型。

該體系結構涵蓋了云生態系統實施環境、云基礎設施及其管理、服務導向、基于供給和訂閱的云核心服務、提供可組合的云服務、云信息體系結構和管理以及云質量分析。該體系結構的一系列設計原則有:

(1)云生態的集成管理。一個體系結構必須支持云計算生態系統的管理，這個生態系統包括在云計算環境中涉及提供或消費共享資源的全體的服務和解決方案廠商、合作伙伴、以及最終用戶。強調在云計算環境的價值鏈中云廠商和合作伙伴之間的協作關系。

(2)云基礎設施的虛擬化。硬件虛擬化實現設備的即插即用，軟件虛擬化采用軟件映像管理或代碼虛擬化技術實現軟件共享。其他軟件虛擬化技術包括動態代碼組裝和執行。例如在Internet應用中，一些JavaScript代碼元素可以動態檢索并插入到一個Ajax包中以便在Web客戶端實現新的功能或特性。

(3)服務導向是另一個通過云計算來實現資產重用、應用合成、和混搭服務，進而實現商業價值的驅動力。公共可重用服務可用于云核心服務的供給和訂閱，以及構建提供IaaS、SaaS、甚至業務流程即服務(BPaaS)云服務。

(4)云服務供給、訂閱及可擴展性。可擴展性是云計算系統的獨特特性，沒有它云計算體系結構中供給部分只能支持某些類的資源共享。隨著時間的推移，免費用戶和付費用戶均可能在服務提供和消費之間轉換，并且能在3個不同的服務層次上進行。

(5)可配置云業務解決方案。體系結構須保證云計算平臺和服務的可配置性。模塊化的云生態管理、虛擬化、服務導向、云核心服務為確保計算平臺可配置、可組合、和可管理提供了堅實的基礎。

(6)統一的信息表示和交換框架。云計算資源信息的表示和消息交換對于云計算中實現協作是至關重要的特性。云計算資源包括所有業務實體(云客戶端、合作伙伴和廠商)和支撐資源(如虛擬化模塊、服務導向模塊、云核心服務、云服務提供)。云信息體系結構就是在統一云計算實體描述框架內實現這些云實體的表示，而消息路由和交換協議以及消息轉換能力則構成云信息體系結構的基礎。

(7)云質量和管理。定義并標識云計算環境中質量指標，以及一組指南指導云服務提供相關的設計、部署、運行、和管理。

上述方法總體來說，就是結合SOA和虛擬化技術一起來實現并發掘云計算的商業價值。

6.5 面向市場的云

云計算是一種基于互聯網的新的資源共享模式，強調的是其運行的商業模式。那么，這種特性對于云計算本身有什么影響呢?有研究人員提出面向市場的云計算體系結構以及用于服務交易的全球云交易和市場基礎設施，并展開了深入的研究。

6.5.1 面向市場的云計算體系結構

墨爾本大學的云計算實驗室的研究人員在期刊《下一代的計算機系統》上撰文“云計算和最新的IT平臺:將計算作為第五類公用事業交付的愿景、假設和現實”，從另一個角度提出面向市場的云計算體系結構，支持云計算環境中基于服務質量(QoS)協商和服務等級協議(SLA)的資源分配。如圖7所示。

其中包含4類實體:

用戶/中間商:代表自身可以從全球任何地方向云計算中心提交服務請求。

SLA資源分配器:作為云服務提供商和外部用戶/中間商之間的接口，需要下列交互機制來達到面向SLA的資源管理;

服務請求檢查和接納控制:當服務請求到達時，首先解析其QoS需求并根據資源負載以決定接受或拒絕請求，再根據資源可用情況(虛擬機(VM)監控)和負載處理(服務請求監控)作出有效的資源分配決策，然后將服務請求指派給VM并確定該VM資源使用權。

定價機制:基于提交時間(閑忙時)、費率、資源的可用性等為服務請求定價。

記賬:為服務請求記錄資源的實際使用情況以便最后計算并向用戶收取費用。

VM監控:跟蹤VM及其可用資源的情況。

服務請求監控:對服務請求的執行情況進行跟蹤。

VM:在一臺物理主機上可以按需啟動/停止多個虛擬機以滿足接受的服務請求需要。

物理主機:大量服務器構成計算資源群以滿足服務需求。

作為商用的基于市場的云服務提供商必須能夠:

支持客戶驅動的服務管理。

定義計算風險管理戰術，以甄別、評估、和管理運行客戶程序可能帶來的風險。

制定合適的基于市場機制的資源管理策略，以滿足上述兩方面要求以維持面向SLA的資源分配。

嵌入自動資源管理模型，實現服務需求變化的自我管理，同時滿足原有服務的義務和新服務的需求。

實現VM技術，根據服務需求動態分配共享資源。

6.5.2 云計算服務交易市場

企業采用云計算來改善其服務的可伸縮性以解決突發事件的資源需求，但當前云服務商的專用接口和貧乏的資源定價策略限制了客戶在多個服務商之間的遷移。云計算要走向成熟，服務必須遵循標準的接口，這樣服務就可以被商品化，從而為建立支持服務交易市場的基礎設施鋪平了道路。在云計算市場中，服務消費者希望在費用最小化的同時滿足QoS，而服務提供商則希望投資回報最大化的同時保持客戶，這就需要研究資源價值的表示、轉換、強化等相關的機制、工具和技術?；诂F實市場交易的云計算服務市場系統模型如圖8所示:

其中，市場目錄方便參與者定位供應商或消費者已獲得供需信息，拍賣商定期更新從市場參與者收到的買入價和賣出價，銀行系統保證參與方達成一致的金融交易能夠順利進行。

中間商的作用與現實世界的市場中一致，他們在供應商和消費者之間起著中介者的作用，即從供應商處購買計算(服務)能力，然后轉租給消費者。消費者、中間商和供應商之間受制于SLA，SLA規定了經各方同意的所提供服務的量化細節以及違背時的罰則。這樣的市場機制能夠在不同的云之間架起橋梁，允許消費者通過事先簽訂SLA或當場購買能力來選擇能滿足其需求的供應商。供應商的定價機制能夠根據市場狀況、用戶需求、以及當前的資源利用率水平等為資源進行定價。供應商的采納控制機制可以選擇采用拍賣或通過中間商進行協商，協商過程最終達成SLA或放棄。中間商通過差價獲利，因而中間商可以選擇客戶以及供應商。而消費者的需求則包括截至日期、結果的準確性、運行時間以及有限的預算等。對于企業消費者而言，可以把其有限的IT資源部署到云上。這樣企業計算就可以采用這些資源作保障，也可以租用其它供應商的資源作為應用擴展。

將計算資源納入效用市場機制的想法由來已久。許多研究項目涉及基于VM的按時間片進行資源分配的交易機制，上面介紹的資源中間商則可以實現和資源供應商進行協商的能力。墨爾本大學的云計算實驗室在原來開發企業網格的基礎上實現了一個面向市場的云平臺Aneka，它是一個基于NET的面向服務資源管理平臺，實現了云計算模式的許多特性。

6.6 集群、網格、云計算比較

我們在上一講曾簡單提及用戶能直接感受到的云計算的若干特性。從技術角度來看，還有許多特性可以用來區分集群、網格和云計算平臺。

云計算和集群、網格具有許多共性，但云計算平臺也具有一些獨特屬性和能力，如對虛擬化的支持，通過Web服務接口提供動態組合服務，支持創建基于云計算、存儲和應用服務的第三方增值服務等。 一些關鍵特性的比較如表1所示。

收稿日期:2009-11-06

王柏，北京郵電大學計算機學院教授、副院長，主要研究方向為下一代電信運營支撐系統、分布計算技術、復雜網絡可視化分析等，已發表論文60余篇、專著3部。

徐六通，北京郵電大學計算機學院教授，主要研究方向為數據挖掘、網格計算與分布式系統及其在電信領域的應用研究，已發表論文20余篇。