云計(jì)算概念的產(chǎn)生、定義、原理及前景分析

斯琴其木格

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

云計(jì)算概念的產(chǎn)生、定義、原理及前景分析

斯琴其木格

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文簡(jiǎn)述了云計(jì)算概念的產(chǎn)生、定義，簡(jiǎn)單介紹了云計(jì)算核心技術(shù),并分析了云計(jì)算技術(shù)面臨的問(wèn)題和需要研究的方向，同時(shí)對(duì)云計(jì)算技術(shù)的前景進(jìn)行了分析.

云計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)；虛擬化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1 引言

在傳統(tǒng)模式下，企業(yè)建立一套IT系統(tǒng)不僅需要購(gòu)買硬件等基礎(chǔ)設(shè)施，還要買軟件的許可證，并需要專門(mén)人員維護(hù).當(dāng)企業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大時(shí)又要繼續(xù)升級(jí)各種軟硬件設(shè)施以滿足需求.對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)硬件和軟件本身并非他們真正需要的，而只是完成工作、提供效率的工具而已.對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)，正常使用電腦需要安裝許多軟件，但是，對(duì)不經(jīng)常使用該軟件的用戶來(lái)說(shuō)這似乎有些浪費(fèi).能不能有一個(gè)這樣的服務(wù)，給我們提供可以租用的軟硬件資源？

這就是引用云計(jì)算概念的最初想法.云計(jì)算的想法可以追溯到20世紀(jì)60年代，John McCarthy曾經(jīng)提到“計(jì)算遲早有一天會(huì)變成一種公用基礎(chǔ)設(shè)施”.這就意味著計(jì)算能力可以作為一種商品進(jìn)行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便、費(fèi)用低廉.云計(jì)算最大的不同在于它是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)?從最根本的意義來(lái)說(shuō)，云計(jì)算就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，應(yīng)用和服務(wù)存儲(chǔ)在云端，充分利用數(shù)據(jù)中心強(qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自適應(yīng)性.

2007年10月IBM和Google宣布在云計(jì)算領(lǐng)域的合作后，云計(jì)算吸引了眾多人的關(guān)注，并迅速成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[1].

2 云計(jì)算的概念

云計(jì)算（Cloud Computing）是由分布式計(jì)算（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）、網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）發(fā)展來(lái)的，是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型.目前，對(duì)于云計(jì)算的認(rèn)識(shí)在不斷的發(fā)展變化，云計(jì)算仍沒(méi)有普遍一致的定義.號(hào)稱“網(wǎng)格之父”的美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家、Globus項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)人Ian Foster在“Cloud Computing and Grid Computing 360-Degee Compared”一文中這樣定義云計(jì)算：“云計(jì)算是由規(guī)模經(jīng)濟(jì)拖動(dòng)，為互聯(lián)網(wǎng)上的外部用戶提供一組抽象的、虛擬化的、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的、可管理的計(jì)算資源能力、存儲(chǔ)能力、平臺(tái)和服務(wù)的一種大規(guī)模分布式計(jì)算的聚合體”.中國(guó)網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算專家劉鵬給出如下定義：“云計(jì)算將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲(chǔ)空間和各種軟件服務(wù)”[2].

通俗的理解是，云計(jì)算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群上的資源，它包括硬件資源（服務(wù)器、存儲(chǔ)器、CPU等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等），本地計(jì)算機(jī)只需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個(gè)需求信息，遠(yuǎn)端就會(huì)有成千上萬(wàn)的計(jì)算機(jī)為你提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計(jì)算機(jī)，這樣，本地計(jì)算機(jī)幾乎不需要做什么，所有的處理都在云計(jì)算提供商所提供的計(jì)算機(jī)群來(lái)完成.

3 云計(jì)算的核心技術(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)用了許多技術(shù)，其中以編程模型、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)最為關(guān)鍵.

3.1 編程模型

MapReduce是Google開(kāi)發(fā)的java、Python、C++編程模型，它是一種簡(jiǎn)化的分布式編程模型和高效的任務(wù)調(diào)度模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運(yùn)算.嚴(yán)格的編程模型使云計(jì)算環(huán)境下的編程十分簡(jiǎn)單.MapReduce模式的思想是將要執(zhí)行的問(wèn)題分解成映射（Map）和化簡(jiǎn)（Reduce）的方式，先通過(guò)Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計(jì)算機(jī)處理，達(dá)到分布式運(yùn)算的效果，再通過(guò)Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯總整合并輸出.

3.2 海量數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)由大量服務(wù)器組成，同時(shí)為大量用戶服務(wù).因此，云計(jì)算系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用冗余存儲(chǔ)的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性.云計(jì)算系統(tǒng)中廣泛使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是Google的GFS和Hadoop團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的GFS的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)HDFS（Hadoop Distributed File System）.GFS即Google文件系統(tǒng)（Google File System）是一個(gè)可擴(kuò)展的分布式文件系統(tǒng)，用于大型的、分布式的、對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)的應(yīng)用.GFS的設(shè)計(jì)思想不同于傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，是針對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和Google應(yīng)用特性而設(shè)計(jì)的.它運(yùn)行于廉價(jià)的普通硬件上，但可以提供容錯(cuò)功能.它可以給大量的用戶提供總體性能較高的服務(wù).一個(gè)GFS集群由一個(gè)主服務(wù)器（master）和大量的塊服務(wù)器（chunkserver）構(gòu)成，并被許多客戶訪問(wèn).主服務(wù)器存儲(chǔ)文件系統(tǒng)所有的元數(shù)據(jù)，包括名字空間、訪問(wèn)控制信息、從文件到塊的映射以及塊的當(dāng)前位置.它也控制系統(tǒng)范圍的活動(dòng)，如塊租約（lease）管理，塊的垃圾收集，塊服務(wù)器間的塊遷移.主服務(wù)器定期通過(guò)HeartBeat消息與每一個(gè)塊服務(wù)器通信，給塊服務(wù)器傳遞指令并收集它的狀態(tài).GFS中的文件被切分為64MB的塊并以冗余存儲(chǔ)，每份數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中保存3個(gè)以上備份.客戶與主服務(wù)器的交換只限于對(duì)元數(shù)據(jù)的操作，所有數(shù)據(jù)方面的通信都直接和塊服務(wù)器聯(lián)系，這種機(jī)制大大提高了系統(tǒng)的效率，防止主服務(wù)器負(fù)載過(guò)重.

3.3 海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計(jì)算需要對(duì)分布的、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析.因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠高效的管理大量的數(shù)據(jù).云計(jì)算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT（BigTable）數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源數(shù)據(jù)管理模塊HBase.BT是建立在GFS，Scheduler，Lock Service和MapReduce之上的一個(gè)大型的分布式數(shù)據(jù)庫(kù).與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不同，它把所有數(shù)據(jù)都作為對(duì)象來(lái)處理，形成一個(gè)巨大的表格，用來(lái)分布存儲(chǔ)大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù).Google的很多項(xiàng)目使用BT來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)頁(yè)查詢，Google earth和Google金融.這些應(yīng)用程序?qū)T的要求各不相同：數(shù)據(jù)大小（從URL到網(wǎng)頁(yè)到衛(wèi)星圖象）不同，反應(yīng)速度不同（從后端的大批處理到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)）.對(duì)于不同的要求，BT都成功地提供了靈活高效的服務(wù).

3.4 虛擬化技術(shù)

通過(guò)虛擬化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，它包括將單個(gè)資源劃分成多個(gè)虛擬資源的分裂模式，也包括將多個(gè)資源整合成一個(gè)虛擬資源的聚合模式.虛擬化技術(shù)根據(jù)對(duì)象可分成存儲(chǔ)虛擬化、計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等，計(jì)算虛擬化又分為系統(tǒng)級(jí)虛擬化、應(yīng)用級(jí)虛擬化和桌面虛擬化.

3.5 云計(jì)算平臺(tái)管理技術(shù)

云計(jì)算資源規(guī)模龐大，服務(wù)器數(shù)量眾多并分布在不同的地點(diǎn)，同時(shí)運(yùn)行著數(shù)百種應(yīng)用，如何有效的管理這些服務(wù)器，保證整個(gè)系統(tǒng)提供不間斷的服務(wù)是巨大的挑戰(zhàn).云計(jì)算系統(tǒng)的平臺(tái)管理技術(shù)能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便地進(jìn)行業(yè)務(wù)部署和開(kāi)通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過(guò)自動(dòng)化、智能化的手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運(yùn)營(yíng).

4 云計(jì)算技術(shù)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題

實(shí)現(xiàn)云計(jì)算系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的云計(jì)算系統(tǒng)的部署相對(duì)分散，各自內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬內(nèi)存的自動(dòng)分配、管理和容錯(cuò)等，但云計(jì)算系統(tǒng)之間的交互還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).關(guān)于云計(jì)算系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作還需要更進(jìn)一步的研究.還有一系列亟待解決的問(wèn)題.

首先云計(jì)算系統(tǒng)中，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，如何保證用戶的數(shù)據(jù)不被非法訪問(wèn)和泄露是系統(tǒng)必須要解決的兩個(gè)重要問(wèn)題，即數(shù)據(jù)的安全和隱私問(wèn)題.同時(shí)云計(jì)算系統(tǒng)本身的可擴(kuò)展性、可用性、可靠性、可管理性等都是要重點(diǎn)解決的問(wèn)題.在服務(wù)的層次上，云計(jì)算系統(tǒng)必須要解決服務(wù)的描述及轉(zhuǎn)換問(wèn)題，如何將用戶的業(yè)務(wù)理念需求轉(zhuǎn)換成對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求、如何確定高層的服務(wù)需求和度量到基礎(chǔ)設(shè)施的需求和度量之間的映射、如何保證多級(jí)別的QoS，這些都是云計(jì)算系統(tǒng)要解決的問(wèn)題.在云計(jì)算系統(tǒng)的管理方面，云系統(tǒng)之間的互操作是必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題.當(dāng)一個(gè)云系統(tǒng)需要使用另外一個(gè)云系統(tǒng)的計(jì)算資源時(shí)，要能夠提供跨云的管理策略，從而使得云系統(tǒng)之間能夠自動(dòng)交互.同時(shí)為了保證SLA（Service-Level Agreement），系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行SLA的監(jiān)測(cè)，當(dāng)有服務(wù)失敗時(shí)，自動(dòng)地進(jìn)行資源的重新分配.在基礎(chǔ)設(shè)施層次上，云計(jì)算系統(tǒng)要能夠進(jìn)行服務(wù)的動(dòng)態(tài)遷移，目前的虛擬機(jī)只支持共享存儲(chǔ)的遷移，如何將虛擬機(jī)遷移到?jīng)]有共享存儲(chǔ)的其他物理主機(jī)上也是云計(jì)算系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一[1].

5 結(jié)論

云計(jì)算的最終目標(biāo)是將計(jì)算、服務(wù)和應(yīng)用作為一種公共設(shè)施提供給公眾，使人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣使用計(jì)算機(jī)資源.云計(jì)算模式即為電廠集中供電模式.在云計(jì)算模式下，用戶的計(jì)算機(jī)會(huì)變的十分簡(jiǎn)單，或許不大的內(nèi)存、不需要硬盤(pán)和各種應(yīng)用軟件，就可以滿足我們的需求.因?yàn)橛脩舻挠?jì)算機(jī)除了通過(guò)瀏覽器給“云”發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)外基本上什么都不用做便可以使用云服務(wù)提供商的計(jì)算資源、存儲(chǔ)空間和各種應(yīng)用軟件.這就像連接“顯示器”和“主機(jī)”的電線無(wú)限長(zhǎng)，從而可以把顯示器放在使用者的面前，而主機(jī)放在遠(yuǎn)到甚至計(jì)算機(jī)使用者本人也不知道的地方.云計(jì)算把連接“顯示器”和“主機(jī)”的電線變成了網(wǎng)絡(luò)，把“主機(jī)”變成云服務(wù)提供商的服務(wù)器集群.在云計(jì)算環(huán)境下，用戶的使用觀念也會(huì)發(fā)生徹底的變化：從“購(gòu)買產(chǎn)品”到“購(gòu)買服務(wù)”轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗麄冎苯用鎸?duì)的將不再是復(fù)雜的硬件和軟件，而是最終的服務(wù).

〔1〕張建勛，古志民，鄭超.云計(jì)算研究進(jìn)展綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010，27（2）：429，433.

〔2〕申麗君 楊蘭娟 趙華.云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算的比較研究[J].Computer Know ledge and Technology電腦知識(shí)與技術(shù)，Vol.7，No.17,June 2011,pp,4032-4034,4037.

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1673-260X（2011）12-0030-02