云計(jì)算技術(shù)綜述

修長(zhǎng)虹 梁建坤 董鴻曄

沈陽藥科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心 遼寧 110016

0 前言

隨著多核處理器、虛擬化、分布式存儲(chǔ)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化管理等技術(shù)的發(fā)展以及信息化處理需求的增長(zhǎng)云技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，云計(jì)算作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，將傳統(tǒng)的以桌面為核心的任務(wù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)為核心的任務(wù)處理，通過網(wǎng)絡(luò)利用云中的各種資源，實(shí)現(xiàn)IT基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)、按需使用，提高資源的利用率，降低成本。

1 云計(jì)算

1.1 云計(jì)算的概念

云計(jì)算(Cloud Computing)是網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)、分布式計(jì)算(Distributed Computing)、并行計(jì)算(Parallel Computing)、效用計(jì)算(UtilityComputing)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(Load Balance)等技術(shù)的發(fā)展，或者說是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型。它將計(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、存儲(chǔ)空間和各種軟件服務(wù)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)資源池被稱為“云”。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取，按需使用，按使用付費(fèi)。狹義云計(jì)算是指 IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源；廣義云計(jì)算是指服務(wù)的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)。這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的任意其他的服務(wù)，它具有超大規(guī)模、虛擬化、可靠、安全等特點(diǎn)。

1.2 云計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)模型

云計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)模型可分為3層：訪問層、應(yīng)用接口層和基礎(chǔ)管理層。訪問層包括個(gè)人空間服務(wù)、運(yùn)營(yíng)空間租賃；企事業(yè)單位數(shù)據(jù)備份、網(wǎng)站大容量在線存儲(chǔ)等。應(yīng)用接口層可以將云計(jì)算能力封裝成一套標(biāo)準(zhǔn)的接口服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)接入、用戶認(rèn)證、權(quán)限管理；公用API接口、應(yīng)用軟件、web service等。基礎(chǔ)管理層負(fù)責(zé)對(duì)云計(jì)算的資源進(jìn)行管理，采用合適的算法調(diào)度資源，提供高效的服務(wù)，包括集群系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、并行計(jì)算等。

從云計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)模型，可以看出：對(duì)于開發(fā)一個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)，必須掌握以下幾點(diǎn)技術(shù)：高可靠的系統(tǒng)集群技術(shù)，并行計(jì)算技術(shù)，分布式文件系統(tǒng)，終端開發(fā)技術(shù)等。

支撐云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行的是集群系統(tǒng)，由多臺(tái)同構(gòu)或異構(gòu)的計(jì)算機(jī)連接起來協(xié)同完成特定的任務(wù)就構(gòu)成了集群系統(tǒng)。在這樣的工作環(huán)境下就構(gòu)成了計(jì)算的分布性，被解決的問題劃分出的模塊是相互關(guān)聯(lián)的，若是其中一塊算錯(cuò)了，那么必定會(huì)影響到其他模塊，對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性就要依賴集群系統(tǒng)了。

云計(jì)算系統(tǒng)核心技術(shù)：并行計(jì)算。并行計(jì)算是指同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問題的過程，是提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算速度和處理能力的一種有效手段。它的基本思想是用多個(gè)處理器來協(xié)同求解同一問題，即將被求解的問題分解成若干個(gè)部分，各部分均由一個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)來并行計(jì)算。并行計(jì)算系統(tǒng)既可以是專門設(shè)計(jì)的、含有多個(gè)處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也可以是以某種方式互連的若干臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集群。通過并行計(jì)算集群完成數(shù)據(jù)的處理，再將處理的結(jié)果返回給用戶。

分布式文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足透明性、并發(fā)控制、可伸縮性、容錯(cuò)以及安全需求等。客戶端對(duì)于文件的讀寫不應(yīng)該影響其他客戶端對(duì)同一個(gè)文件的讀寫。分布式文件系統(tǒng)需要做出復(fù)雜的交互，盡量保證文件服務(wù)在客戶端或者服務(wù)端出現(xiàn)問題的時(shí)候能正常使用是非常重要的。分布式文件系統(tǒng)能提供備份恢復(fù)機(jī)制以保證了分布式處理的可靠性。

作為一個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)，是為需要的人提供服務(wù)和計(jì)算，而服務(wù)和計(jì)算都在“云”中，“云”對(duì)用戶來說是個(gè)黑盒子，用戶可以看作一個(gè)云網(wǎng)絡(luò)虛擬出來的操作系統(tǒng)，不需要知道它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只需要根據(jù)“云”內(nèi)的各種服務(wù)來實(shí)現(xiàn)自己的業(yè)務(wù)，而業(yè)務(wù)的使用和展現(xiàn)都在終端。現(xiàn)階段，通過瀏覽器幾乎覆蓋了所有的網(wǎng)絡(luò)操作，瀏覽器現(xiàn)在已經(jīng)成為了用戶和“云”進(jìn)行交互的主要工具，云計(jì)算系統(tǒng)通過瀏覽器向用戶提供服務(wù)。隨著云計(jì)算的發(fā)展，當(dāng)云計(jì)算運(yùn)用到為非瀏覽器終端提供服務(wù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非瀏覽器終端。面對(duì)不同用戶的需求，要開發(fā)不同的終端，提供更加高效的服務(wù)。

1.3 云計(jì)算服務(wù)層次

SPI是最常見的云計(jì)算服務(wù)模式的縮寫

Saas：Software as a Service 軟件即服務(wù)

Paas：Platform as a service 平臺(tái)即服務(wù)

Iaas：Infrastructure as a Service 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)

在云計(jì)算中，根據(jù)其服務(wù)集合所提供的服務(wù)類型，整個(gè)云計(jì)算服務(wù)集合被劃分成4個(gè)層次：應(yīng)用層、平臺(tái)層、基礎(chǔ)設(shè)施層和虛擬化層。這4個(gè)層次每一層都對(duì)應(yīng)著一個(gè)子服務(wù)集合，下面所示為云計(jì)算服務(wù)層次。

與大家熟悉的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中層次的劃分不同。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)層次都實(shí)現(xiàn)一定的功能，層與層之間有一定關(guān)聯(lián)。而云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)中的層次是可以分割的，即某一層次可以單獨(dú)完成一項(xiàng)用戶的請(qǐng)求而不需要其他層次為其提供必要的服務(wù)和支持。

(1) SaaS

軟件即服務(wù)(Software-as-a-service,SaaS)是云計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的服務(wù)。它是一種通過互聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供軟件及應(yīng)用程序的服務(wù)方式。由于基于 SaaS的軟件只有在用戶需要時(shí)才被使用，SaaS也被稱為“按需”軟件。SaaS模式大大降低了軟件，尤其是大型軟件的使用成本，并且由于軟件是托管在服務(wù)提供商服務(wù)器上，減少了客戶的管理維護(hù)成本，可靠性也更高。對(duì)普通用戶而言，他們主要面對(duì)的是 SaaS這種服務(wù)模式，而且?guī)缀跛械脑朴?jì)算服務(wù)最終的呈現(xiàn)形式都是SaaS。

(2) PaaS

平臺(tái)即服務(wù)(Platform-as-a-Service,PaaS)是把計(jì)算環(huán)境、開發(fā)環(huán)境等平臺(tái)作為一種服務(wù)提供的商業(yè)模式。云計(jì)算服務(wù)提供商可以將操作系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境等平臺(tái)級(jí)產(chǎn)品通過Web以服務(wù)的方式提供給用戶。通過PaaS服務(wù)，軟件開發(fā)人員可以不購買服務(wù)器的情況下開發(fā)新的應(yīng)用程序。

(3) IaaS

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure-as-a-Service,IaaS)是把數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)設(shè)施硬件資源通過Web分配給用戶使用的商業(yè)模式。IaaS領(lǐng)域最引人注目的例子就是亞馬遜公司的Elastic Compute Cloud。值得一提的是，IaaS服務(wù)很好地實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算按需付費(fèi)的理念，通過“彈性云”用戶可只在需要時(shí)才接入這些基礎(chǔ)設(shè)施資源，并只為自己使用的部分。

事實(shí)上，這三個(gè)領(lǐng)域的界線并不是想象的那么清晰，它們之間存在很多交叉。大多數(shù)云計(jì)算服務(wù)提供商也并不是只提供某一種服務(wù)。

2 云計(jì)算的目的、作用、特點(diǎn)

2.1 目的和作用

它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的計(jì)算實(shí)體整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的系統(tǒng)，在此系統(tǒng)之上，對(duì)用戶提供所需服務(wù)。云計(jì)算的核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用終端用戶簡(jiǎn)化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。云計(jì)算將所有的計(jì)算資源集中起來，并由云核心管理軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理，無需人為參與。這使得應(yīng)用用戶更加專注于自己的業(yè)務(wù)，有利于創(chuàng)新和降低成本。

2.2 云計(jì)算的特點(diǎn)

(1) 超大規(guī)模

“云”具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，Google云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬臺(tái)服務(wù)器， Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺(tái)服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器。“云”能賦予用戶前所未有的計(jì)算能力。

(2) 虛擬化

云計(jì)算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請(qǐng)求的資源來自“云”，而不是固定的有形的實(shí)體。應(yīng)用在“云”中某處運(yùn)行，但實(shí)際上用戶無需了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺(tái)筆記本或者一個(gè)手機(jī)，就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來實(shí)現(xiàn)我們需要的一切，甚至包括超級(jí)計(jì)算這樣的任務(wù)。

(3) 高可靠性

“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

(4) 通用性

云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，在“云”的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個(gè)“云”可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

(5) 高可擴(kuò)展性

“云”的規(guī)模可以動(dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。

(6) 按需服務(wù)

“云”是一個(gè)龐大的資源池，按需購買；云可以像自來水，電，煤氣那樣計(jì)費(fèi)。

(7) 使用成本低

由于“云”的特殊容錯(cuò)措施可以采用極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成云，“云”的自動(dòng)化集中式管理使大量企業(yè)無需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，“云”的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升，因此用戶可以充分享受“云”的低成本優(yōu)勢(shì)，經(jīng)常只要花費(fèi)幾百美元、幾天時(shí)間就能完成以前需要數(shù)萬美元、數(shù)月時(shí)間才能完成的任務(wù)。 云計(jì)算可以徹底改變?nèi)藗兾磥淼纳睿瑫r(shí)也要重視環(huán)境問題，這樣才能真正為人類進(jìn)步做貢獻(xiàn)，而不是簡(jiǎn)單的技術(shù)提升。

(8) 潛在的危險(xiǎn)性

云計(jì)算服務(wù)除了提供計(jì)算服務(wù)外，還必然提供了存儲(chǔ)服務(wù)。但是云計(jì)算服務(wù)當(dāng)前壟斷在企業(yè)手中，而他們僅僅能夠提供商業(yè)信用。對(duì)于政府機(jī)構(gòu)、商業(yè)機(jī)構(gòu)(特別像銀行這樣持有敏感數(shù)據(jù)的商業(yè)機(jī)構(gòu))對(duì)于選擇云計(jì)算服務(wù)應(yīng)保持足夠的警惕。一旦商業(yè)用戶大規(guī)模使用私人機(jī)構(gòu)提供的云計(jì)算服務(wù)，無論其技術(shù)優(yōu)勢(shì)有多強(qiáng)，都不可避免地讓這些私人機(jī)構(gòu)以“數(shù)據(jù)(信息)”的重要性挾制整個(gè)社會(huì)。對(duì)于信息社會(huì)而言，“信息”是至關(guān)重要的。另一方面，云計(jì)算中的數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)所有者以外的其他用戶云計(jì)算用戶是保密的，但是對(duì)于提供云計(jì)算的商業(yè)機(jī)構(gòu)而言確實(shí)毫無秘密可言。所有這些潛在的危險(xiǎn)，是商業(yè)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)選擇云計(jì)算服務(wù)、特別是國(guó)外機(jī)構(gòu)提供的云計(jì)算服務(wù)時(shí)，不得不考慮的一個(gè)重要的前提。

3 云計(jì)算技術(shù)展望

就云計(jì)算本身而言，它將很有可能徹底改變用戶使用電腦的習(xí)慣，使用戶從以桌面為核心使用各項(xiàng)應(yīng)用轉(zhuǎn)移到以Web為核心進(jìn)行各種活動(dòng)。而計(jì)算機(jī)也有可能退化成一個(gè)簡(jiǎn)單的終端，不用再像現(xiàn)在一樣需要安裝各種軟件，同時(shí)為這些軟件的配置和升級(jí)費(fèi)心費(fèi)神。未來的計(jì)算機(jī)可能僅僅用作網(wǎng)絡(luò)連接以及使用云計(jì)算之上的各項(xiàng)服務(wù)。

從短期來看，云計(jì)算所帶來的各項(xiàng)變化對(duì)個(gè)人的影響還比較小，或許和從前的許多技術(shù)一樣，云計(jì)算將首先給企業(yè)(尤其是中小企業(yè))帶來最為直接的變化：他們能夠快速搭建自己想要的各種應(yīng)用，而不用再為服務(wù)器資源而煩惱。而云計(jì)算最終能否普及至個(gè)人，恐怕還需看未來一段時(shí)間的發(fā)展。

[1]吳朱華.云計(jì)算核心技術(shù)剖析.人民郵電出版社.2011.

[2]劉鵬.云計(jì)算.電子工業(yè)出版社.2011.

[3](美)david s. linthicum(著),馬國(guó)耀(譯).云計(jì)算與 soa.人民郵電出版社.2011.