云計(jì)算技術(shù)概述

彭安鑫 石磊

1山東師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 250014 2山東省教育招生和考試院 山東 250014

0 引言

本文介紹了云計(jì)算的發(fā)展歷史，分析了云計(jì)算的定義、特征、分類和云架構(gòu)的基本層次，闡述了云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景，并指出了云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算等相關(guān)概念的區(qū)別。

1 什么是云計(jì)算

1.1 云計(jì)算的特征

通過分析云計(jì)算的定義，可以看出云計(jì)算的特征主要有以下四點(diǎn)。

(1) 硬件和軟件都是資源，通過互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)的方式提供給用戶。在云計(jì)算中，資源已經(jīng)不限定在諸如處理器、網(wǎng)絡(luò)寬帶等物理范疇，而是擴(kuò)展到了軟件平臺(tái)、Web服務(wù)和應(yīng)用程序的軟件范疇。

(2) 這些資源都可以根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和配置。

(3) 這些資源在物理上以分布式的共享方式存在，但最終在邏輯上以單一整體的形式呈現(xiàn)。對(duì)于分布式的理解有兩個(gè)方面。一方面，計(jì)算密集型的應(yīng)用需要并行計(jì)算來提高運(yùn)算效率；另一方面，是指地域上的分布式。云計(jì)算中的分布式資源向用戶隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并最終以單一整體的形式呈現(xiàn)給用戶。

(4) 用戶按需使用云中的資源，按實(shí)際使用量付費(fèi)，而不需要管理它們。

1.2 云計(jì)算的分類

云計(jì)算可以按服務(wù)類型分類，所謂服務(wù)類型，就是指為其用戶提供什么樣的服務(wù)；通過這樣的服務(wù)，用戶可以獲得什么樣的資源。目前業(yè)界普遍認(rèn)為可以分為三類。

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施云(Infrastructure Cloud)。這種云為用戶提供的是底層的、接近于直接操作硬件資源的服務(wù)接口。通過調(diào)用這些接口，用戶可以直接獲得計(jì)算和存儲(chǔ)能力，而且非常自由靈活，幾乎不受邏輯上的限制。但是用戶需要進(jìn)行大量的工作來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施云除了為用戶提供計(jì)算和存儲(chǔ)等基礎(chǔ)功能外，不進(jìn)一步做任何應(yīng)用類型的假設(shè)。

(2) 平臺(tái)云(Platform Cloud)。這種云為用戶提供一個(gè)托管平臺(tái)，用戶可以將他們所開發(fā)和運(yùn)營的應(yīng)用托管到云平臺(tái)中。但是，這個(gè)應(yīng)用的開發(fā)部署必須遵守該平臺(tái)特定的規(guī)則和限制，如語言、編程框架、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型等。

(3) 應(yīng)用云(Application Cloud)。這種云為用戶提供可以為其直接所用的應(yīng)用，這些應(yīng)用一般是基于瀏覽器的，針對(duì)某一項(xiàng)特定的功能。但是，它們也是靈活性最低的，因?yàn)橐环N應(yīng)用云只針對(duì)一種特定的功能，無法提供其他功能的應(yīng)用。

云計(jì)算也可以按服務(wù)方式分類，業(yè)界按照云計(jì)算提供者與使用者的所屬關(guān)系為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將云計(jì)算分為以下三類。

(1) 公有云(Public Cloud)。公有云是由若干企業(yè)和用戶共享使用的云環(huán)境。在公有云中，用戶所需的服務(wù)由一個(gè)獨(dú)立的、第三方云提供商提供。該云提供商也同時(shí)為其他用戶服務(wù)，這些用戶共享這個(gè)云提供商所擁有的環(huán)境。

(2) 私有云(Private Cloud)。私有云是指為企業(yè)或組織所專有的云計(jì)算環(huán)境。在私有云中，用戶是這個(gè)企業(yè)或組織的內(nèi)部成員，這些成員共享著該云計(jì)算環(huán)境所提供的所有資源，公司或組織以外的用戶無法訪問這個(gè)云計(jì)算環(huán)境提供的服務(wù)。

(3) 企業(yè)云(Enterprise Cloud)。企業(yè)云也就是專門應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)云系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)客戶管理軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)給商業(yè)公司使用的云系統(tǒng)。

一般中小型企業(yè)和創(chuàng)業(yè)公司將選擇公有云，而金融機(jī)構(gòu)、政府機(jī)關(guān)和大型企業(yè)則更傾向于選擇私有云或混合云。

1.3 云架構(gòu)的基本層次

云計(jì)算中的云按服務(wù)方式的分類其實(shí)已經(jīng)包含了云架構(gòu)(Cloud Architecture)的基本層次。云架構(gòu)通過虛擬化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化得方式有機(jī)地整合了云中的硬件和軟件資源，并通過網(wǎng)絡(luò)將云中的服務(wù)交付給用戶。云架構(gòu)分為以下三個(gè)基本層次。

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure)層。它是經(jīng)過虛擬化后的硬件資源和相關(guān)管理功能的集合。云的硬件資源包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源。該層通過虛擬化技術(shù)抽象物理資源，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部流程自動(dòng)化和資源管理優(yōu)化。從而向外部提供動(dòng)態(tài)、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。

(2) 平臺(tái)(Platform)層。它介于中間，是具有通用性和可復(fù)用性的軟件資源的集合，為云應(yīng)用提供了開發(fā)、運(yùn)行、管理和監(jiān)控的環(huán)境。能夠更好地滿足云的應(yīng)用在可伸縮性、可用性和安全性等方面的要求。

(3) 應(yīng)用(Application)層。它是云上面應(yīng)用軟件的集合，這些應(yīng)用構(gòu)建在基礎(chǔ)設(shè)施層提供的資源和平臺(tái)層提供的環(huán)境之上，通過網(wǎng)絡(luò)交付給用戶。云應(yīng)用既可以是廣大群體的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，也可以是定制的服務(wù)應(yīng)用，或者是用戶開發(fā)的多元應(yīng)用。

2 云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)

云計(jì)算是一種新興的計(jì)算模式，其發(fā)展離不開自身獨(dú)特的技術(shù)和所涉及的一系列其它傳統(tǒng)技術(shù)的支持。

(1) 快速部署(Rapid Deployment)。自數(shù)據(jù)中心誕生以來，快速部署就是一項(xiàng)重要的功能需求。數(shù)據(jù)中心管理員和用戶一直在追求更快、更高效、更靈活的部署方案。云計(jì)算環(huán)境對(duì)快速部署的要求將會(huì)更高。首先，在云環(huán)境中資源和應(yīng)用不僅變化范圍大而且動(dòng)態(tài)性高。用戶所需的服務(wù)主要采用按需部署方式。其次，不同層次云計(jì)算環(huán)境中服務(wù)的部署模式是不一樣的。另外，部署過程所支持的軟件系統(tǒng)形式多樣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各不相同，部署工具應(yīng)能適應(yīng)被部署對(duì)象的變化。

(2) 資源調(diào)度(Resouce Despatching)。指在特定環(huán)境下，根據(jù)一定的資源使用規(guī)則，在不同資源使用者之間進(jìn)行資源調(diào)整的過程。這些資源使用者對(duì)應(yīng)著不同的計(jì)算任務(wù)，每個(gè)計(jì)算任務(wù)在操作系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)于一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程。虛擬機(jī)的出現(xiàn)使得所有的計(jì)算任務(wù)都被封裝在一個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)部。虛擬機(jī)的核心技術(shù)是虛擬機(jī)監(jiān)控程序，它在虛擬機(jī)和底層硬件之間建立一個(gè)抽象層，把操作系統(tǒng)對(duì)硬件的調(diào)用攔截下來，并為該操作系統(tǒng)提供虛擬的內(nèi)存和CPU等資源。目前Vmware ESX和Citrix XenServer可以直接運(yùn)行在硬件上。由于虛擬機(jī)具有隔離性，可以采用虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)來完成計(jì)算任務(wù)的遷移。

(3) 大規(guī)模數(shù)據(jù)處理(Massive Data Processing)。以互聯(lián)網(wǎng)為計(jì)算平臺(tái)的云計(jì)算，將會(huì)更廣泛地涉及到大規(guī)模數(shù)據(jù)處理任務(wù)。由于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理操作非常頻繁，很多研究者在從事支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的編程模型方面的研究。當(dāng)今世界最流行的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的編程模型可以說是 Google公司所設(shè)計(jì)的MapReduce編程模型。MapRduce編程模型將一個(gè)任務(wù)分成很多更細(xì)粒度的子任務(wù)，這些子任務(wù)能夠在空閑的處理節(jié)點(diǎn)之間調(diào)度，使得處理速度越快的節(jié)點(diǎn)處理越多的任務(wù)，從而避免處理速度慢的節(jié)點(diǎn)延長整個(gè)任務(wù)的完成時(shí)間。

(4) 大規(guī)模消息通信(Massive Message Communication)。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是資源和軟件功能都是以服務(wù)的形式發(fā)布的，不同服務(wù)之間經(jīng)常需要進(jìn)行消息通信協(xié)作，因此，可靠、安全、高性能的通信基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于云計(jì)算的成功至關(guān)重要。異步消息通信機(jī)制可以使得云計(jì)算每個(gè)層次中的內(nèi)部組件之間及各個(gè)層次之間解耦合，并且保證云計(jì)算服務(wù)的高可用性。目前，云計(jì)算環(huán)境中的大規(guī)模數(shù)據(jù)通信技術(shù)仍在發(fā)展階段。

(5) 大規(guī)模分布式存儲(chǔ)(Massive Distributed Storage)。分布式存儲(chǔ)要求存儲(chǔ)資源能夠被抽象表示和統(tǒng)一管理，并且能夠保證數(shù)據(jù)讀寫操作的安全性、可靠性、性能等各方面要求。分布式文件系統(tǒng)允許用戶像訪問本地文件系統(tǒng)一樣訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器的文件系統(tǒng)，用戶可以將自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器上，分布式文件系統(tǒng)基本上都有冗余備份機(jī)制和容錯(cuò)機(jī)制來保證數(shù)據(jù)讀寫的正確性。云環(huán)境的存儲(chǔ)服務(wù)基于分布式文件系統(tǒng)并根據(jù)云存儲(chǔ)的特征做了相應(yīng)的配置和改進(jìn)。典型的分布式文件系統(tǒng)有 Google公司設(shè)計(jì)的可伸縮的Google File System(GFS)。目前，在云計(jì)算環(huán)境下的大規(guī)模分布式存儲(chǔ)方向已經(jīng)有了一些研究成果和應(yīng)用。Google公司設(shè)計(jì)的用來存儲(chǔ)大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)BigTable用來將網(wǎng)頁存儲(chǔ)成分布式的、多維的、有序的圖。

3 相關(guān)概念辨析

云計(jì)算是在并行計(jì)算、分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算并沒有明顯的區(qū)別，兩者均可以看成是并行計(jì)算和分布式計(jì)算技術(shù)衍生出來的概念。兩者的差異主要表現(xiàn)在對(duì)資源的組織、分配和使用上的不同，云計(jì)算更強(qiáng)調(diào)虛擬化、靈活地使用資源。

3.1 并行計(jì)算

并行計(jì)算(Parallel computing)是指同時(shí)使用多種計(jì)算機(jī)資源解決計(jì)算問題的過程，為了更快速地解決問題，更充分地利用計(jì)算機(jī)資源而出現(xiàn)的一種計(jì)算方法。其缺點(diǎn)是：將被解決的問題劃分出來的模塊是相互關(guān)聯(lián)的，如果其中一塊出錯(cuò)，必定影響其他模塊，再重新計(jì)算就降低了運(yùn)算效率。

3.2 分布式計(jì)算

分布式計(jì)算(Distributed computing)是利用互聯(lián)網(wǎng)上眾多的閑置計(jì)算機(jī)能力，將其聯(lián)合起來解決某些大型計(jì)算問題的一門學(xué)科。與并行計(jì)算同理，也是把一個(gè)巨大的計(jì)算機(jī)能力才能解決的問題分成很多部分，再分配給多個(gè)計(jì)算機(jī)處理，最終將結(jié)果匯總。與并行計(jì)算不同的是，分布式計(jì)算所劃分的任務(wù)相互之間是獨(dú)立的，某一個(gè)小任務(wù)的出錯(cuò)不會(huì)影響其他任務(wù)。

3.3 網(wǎng)格計(jì)算

網(wǎng)格計(jì)算(Grid computing)是專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式，它把互聯(lián)網(wǎng)上的眾多計(jì)算資源整合成一臺(tái)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)，再將以CPU為主的各種資源聯(lián)系在一起，從而達(dá)到資源共享的目的。可以說，網(wǎng)格計(jì)算是將互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)所有人的計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)供你個(gè)人使用的超級(jí)處理器，而分布式計(jì)算就是你和其他人一起組成的一個(gè)超級(jí)處理器。

4 結(jié)束語

云計(jì)算的出現(xiàn)，讓 IT業(yè)從以前以網(wǎng)站為核心的信息流轉(zhuǎn)，變?yōu)榱艘孕畔橹行牡牧鬓D(zhuǎn)。隨著這種變革的到來，云計(jì)算對(duì)傳統(tǒng)IT業(yè)帶來了根本性的改變。但是，在云計(jì)算的發(fā)展過程中，我們?nèi)孕枰M(jìn)一步深入研究，仍需克服不少挑戰(zhàn)，比如服務(wù)的高可用性、服務(wù)的遷移、數(shù)據(jù)的安全性、服務(wù)的性能等。云計(jì)算的雛形正在逐步形成，在未來的時(shí)間里必將引領(lǐng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新浪潮。

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