左保河，羅 璇

(華南理工大學軟件學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

作為世界上擁有最多服務器的谷歌，自從其101項目［1］以來，隨著互聯網絡的發(fā)展，通過網絡訪問非本地資源服務的計算服務條件的成熟，為了達到方便協同地提供各種服務，“云計算”技術應運而生。云計算是從PC應用到互聯網發(fā)展的一次技術變革。云計算即為新的Web 2.0，它的核心思想是將大量的網絡連接的計算資源統(tǒng)一管理調度，構成一個資源集合，以服務于用戶，它是數據共享與服務共享計算模式的結合體［2］。狹義地講，云計算是指通過網絡以按需、易于擴展方式使用IT基礎設施資源的模式;廣義地講是指通過網絡以按需、易于擴展方式使用交付的服務模式。

1 云計算及其體系

1.1 云計算定義

IBM 技術白皮書“Cloud Computing”［3］中對云計算進行定義:“云計算用來同時描述一個系統(tǒng)平臺或一種類型的應用程序。云計算平臺按需進行動態(tài)的部署(Provision)、配置(Configuration)、重新配置(Reconfigure)以及取消服務(Deprovision)。云計算是并行運算(Parallel Computing)、分布式計算(Distributed Computing)及網格計算(Grid Computing)的發(fā)展［4］，是一種商業(yè)實現，它是虛擬化(Virtualization)、效用計算(Utility Computing)［5］的綜合?！?/p>

可以說云計算是從網格技術的思想上進化而來，卻又帶著自身的獨特性。網格計算［6］即分布式計算，把一個需求巨大計算能力才能解決的問題分成許多程序段，然后把這些程序段分配給許多計算機處理，最后綜合這些計算結果得到最終結果。網格計算強調資源共享，任何人可以使用或貢獻節(jié)點資源，它把工作量轉移到遠程可用計算資源上;云計算吸取網格計算的思想精髓，其強調專有，由少數團體提供專有資源，使用者不需要貢獻自己資源，云計算包含了以軟件作為服務的應用、網格計算以及虛擬化技術。

1.2 云計算的需求背景

(1)需求是動力:IT設施成為社會的基礎設施，現在面臨高成本的瓶頸，云計算應運而生，用戶不需要專業(yè)的IT團隊，不要購買、維護、安放有形的IT產品，降低了成本，提高了效率，快捷地使用IT服務，同時提高軟件、硬件、人力等資源的利用率。

(2)技術是基礎:云計算自身核心技術的發(fā)展，如硬件技術、虛擬化技術、海量存儲技術、分布式并行計算、多用戶構架。這種技術發(fā)展促進了應用。

此背景下，在Google、IBM、微軟等IT巨頭的帶動下，逐步形成了云計算的商業(yè)模式，以網絡為中心和以服務為產品形態(tài)，按需使用和付費。

1.3 云計算特征

(1)超大規(guī)模:各大公司具有數以萬計的服務器，形成了強大的計算能力。其規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮的，邊界是模糊的。

(2)虛擬化:支持用戶隨時隨地用各種網絡終端獲取服務。減少設備依賴，虛擬化層把云平臺上方的應用軟件和下方基礎設施隔離開，設備維護和軟件更新分離。

(3)按需彈性服務:云是個龐大資源池，用戶可以按照需求通過云平臺的管理，將整合的計算資源根據應用訪問的具體情況進行動態(tài)調整。

(4)性價比高:云的特殊的容錯措施使得可以采用低價的節(jié)點構成云，其公共性和通用性使資源利用率大幅提升。

(5)云計算達到了兩個分布式計算的目標:可拓展性和高可用性。可拓展性表達了云計算能夠無縫地擴展到大規(guī)模集群之上，甚至包括數千個節(jié)點同時處理。高可用性代表了云使用數據多容錯性、計算節(jié)點可換等措施來保障服務，云的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮，滿足應用和用戶規(guī)模增長的需求。

1.4 云計算服務形式

云計算現在應用在3個方面:將基礎設施作為服務IaaS(Infrastructure as a Service)，將平臺作為服務PaaS(Platform as a Service)和將軟件作為服務SaaS(Software as a Service)。

SaaS服務是提供商部署應用軟件在服務器上，用戶通過互聯網訂購，便可以直接通過瀏覽器使用。這種服務方便快捷，無需對系統(tǒng)或環(huán)境做過多改變。

PaaS服務是客戶將自己的應用程序部署到云基礎設施上，客戶無法管理和控制底層云基礎設施，但可以控制云端應用程序及其環(huán)境配置。缺點是缺少了互操作性和可移植性。

IaaS服務是廠商把多臺服務器組成云端基礎設施，作為計量服務提供給客戶。具有代表的是Google Docs(類似微軟Office在線辦公軟件，通過網絡分享并設置共享權限)，Google APP(企業(yè)應用套件，處理企業(yè)級龐大信息量，方便快捷地與客戶合作伙伴溝通協作)。

現階段云計算主要應用在科學領域和商業(yè)領域。特別是在商業(yè)應用上，云計算有公共云(Public Cloud)，企業(yè)內部使用的私有云(Private Cloud)，商業(yè)使用的企業(yè)云(Enterprise Cloud)。公共云，即在互聯網上將云服務公開免費給大眾使用，其方便訪問、具備彈性伸縮性、節(jié)約資源并與硬件無關。私有云是導入企業(yè)內部使用，主要解決企業(yè)對數據安全高要求問題。企業(yè)云是專門應用在商業(yè)領域的商業(yè)云系統(tǒng)，主要用來處理客戶關系、人力資源管理、維護數據庫等。商業(yè)模式還分為保護服務模式和合作模式。服務模式是針對用戶而言，主要研究云計算在逐步的商用過程中需要解決的問題。合作模式是針對產業(yè)鏈合作而言，主要研究為搭建合理有序的云計算產業(yè)所能夠采取的合作模式。

1.5 云計算體系結構和關鍵技術

1.云計算體系包括物理資源層、資源池層、管理中間件層和SOA(Service-Oriental Architecture，面向服務的體系結構)。其中，物理資源層包括計算機、存儲器、網絡設施、數據庫和軟件等。資源池層是將大量相同類型的資源構成同構或接近同構的資源集合。管理中間層負責資源管理、任務管理、用戶管理、安全管理。SOA是將應用程序的不同功能單元通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。

2.云計算關鍵技術。

(1)虛擬化技術［7］:VMware Infrastructure，其特點是通過服務器整合，表示上虛擬化來降低IT成本、提高靈活性、減少停機以改進業(yè)務連續(xù)性。智能運行較少的服務器并動態(tài)關閉不使用的服務器，達到計算節(jié)點透明和任務透明的效果。

虛擬化架構安全離不開可信計算。可信計算的主要思想是在終端產品(如PC機)上引入安全芯片，即構建可信計算平臺(TPM)將可信根(為度量、存儲、報告用的可信根)植入TPM，并從BIOS、Loader到操作系統(tǒng)內核層，再到應用層都構建信任關系，建立相應的信任鏈;推出可信終端(如可信PC)，當終端受到攻擊時，可實現自我保護、自我管理和自我恢復。

(2)數據存儲技術:滿足大量用戶使用需求，具有分布式、高吞吐率和高傳輸率等特征。它是云計算技術的基礎，在云計算中處于基礎核心地位。例如Google的GFS(Google File System)(非開源)和HDFS(Hadoop Distributed File System)(開源)都在廣泛地被應用。

(3)資源管理技術［8］:合理進行資源優(yōu)化配置，提高數據的更新率和隨機讀取速率。

(4)分布式編程和計算:在保證后臺復雜的并行執(zhí)行和任務調度上使得編程模型簡單化，當前Map-Reduce模型有Map(映射)階段和Reduce(化簡)階段。

(5)虛擬資源管理調度:融合物理資源形成資源池，通過資源管理器對池內資源調度。

1.6 云計算安全問題

由于云計算應用的無邊界性、流動性導致新的安全問題。云平臺采用虛擬化技術配置資源，進行安全性部署;根據海量用戶身份差異，提供身份標識，建立授權機制;基于用戶對自身敏感數據高安全的需求，提供面向用戶的安全隱私保障;基于云計算高可用性，建立數據容錯備份機制和服務故障診斷及恢復機制。從而保證了數據傳輸的安全性(不竊取、不泄露、合法認證)［9］，數據存儲的安全性(位置明確、相互隔離、便于遷移和災難恢復)。

云安全(Cloud Security)是網絡時代信息安全新體現，融合了并行處理、網格計算、未知病毒行為判斷等新興技術和概念，通過網絡的大量客戶端對網絡中軟件行為的異常監(jiān)測，獲取互聯網中木馬、惡意程序的最新信息，推送到Server端進行自動分析和處理，再把病毒和木馬的解決方案分發(fā)到每一個客戶端。識別和查殺病毒不僅僅是依靠本地硬盤中的病毒庫，而是依靠龐大的網絡服務，實時進行采集分析和處理，整個互聯網形成一個整體殺毒系統(tǒng)，參與者越多就越安全。

其中密鑰存儲設備服務的“安全服務品質協議”的制定、交付驗證、第三方檢驗等，逐漸發(fā)展形成一種新型的技術體系與管理體系。

2 云計算實踐應用

2.1 Google云計算

Google云計算平臺［10］業(yè)務數據量巨大，面向全球用戶提供實時服務。Google云技術包括:Google分布式文件系統(tǒng)(GFS)，提供海量儲存和訪問能力;分布式計算編程模型MapReduce，使海量信息并行處理簡單便捷;分布式鎖機制 Chubby［11］;分布式結構化數據表Bigtable［12］進行海量數據管理和組織;分布式存儲系統(tǒng)Megastore實現關系型數據庫和NoSQL間巧妙融合。

Google云計算平臺整體架構包括:(1)網絡系統(tǒng)。外部網絡(Exterior Network)、運營商的骨干網和Google自己搭建的不同地區(qū)的數據交換網絡;內部網絡(Interior Network)連接各個Google自建的數據中心間的網絡系統(tǒng)。(2)硬件系統(tǒng)。單個服務器，整合了多服務器機架和存放連接各個服務器機架的數據中心(IDC)。(3)軟件系統(tǒng)。(4)軟件開發(fā)工具C++、Java等。(5)具體應用軟件。

Google文件系統(tǒng)GFS［13］是一個大型分布式文件系統(tǒng)，提供海量存儲，非開源系統(tǒng)。GFSII Cell是Google文件系統(tǒng)最基礎的模塊，所有文件盒數據都要利用這種底層模塊。GFSII通過基于Linux分布存儲的方式，分成主服務器(Master Servers)和塊存儲服務器(Chunk Servers)。塊服務器上以64M為單位的存儲空間，分成了許多存儲塊，由主服務器進行調度和分配。每份數據1式3份，儲存于不同的服務集群中，以保證數據的安全性和高吞吐率。GFS操作以添加為主，支持容錯，高吞吐量，數據安全保障，擴展能力強，支持壓縮，提供用戶空間。除了性能，可伸縮性，可靠性以及可用性以外，GFS設計還受到Google應用負載和技術環(huán)境的影響。體現如下:(1)考慮節(jié)點失效問題，集成容錯性和自動恢復功能;(2)構成特殊文件，以G字節(jié)計量;(3)增加文件追加操作，優(yōu)化順序讀寫;(4)某些操作非透明，需協助才能完成。

Google應用引擎(App Engine)是一個開發(fā)托管網絡應用程序平臺，使用Google管理的數據中心，可以讓用戶在Google的基礎架構上運行自己的網絡應用程序。其架構包括:Front End(前端);Static Files(靜態(tài)文件)轉發(fā)請求給服務器，并進行負載均衡和靜態(tài)文件傳輸;App Server(應用服務器)，同時運行多個應用的運行時(Runtime);應用管理節(jié)點，負責啟停和計費。應用引擎環(huán)境是一種動態(tài)網絡服務，提供對常用網絡技術完全支持;具有持久存儲性并有查找、分類、自動擴展和負載平衡等功能［14］;提供用戶身份驗證的 API。其特點是將 Web應用部署到Google的基礎設施上，提供數據存儲服務，例如集成Gmail、Google User等多種 API。

2.2 Amazon彈性計算云

作為最大互聯網在線零售商Amazon是第一批提供云服務的公司之一。首先發(fā)布簡單存儲服務(Simple Storage Service，S3)，用戶使用 SOAP 協議存放和獲取自己的數據對象，其允許在虛擬儲存服務中存儲5GB數據項。接著推出簡單隊列服務(Simple Queue Service，SQS)，這項服務使得托管虛擬主機間信息交換，支持分布式程序間數據傳輸。又提供EBS(Elastic Block Storage)服務，為用戶提供塊級別的存儲接口。對于長期保存的或比較重要的數據，采用彈性塊存儲(Elastic Block Store，EBS)技術。EBS允許用戶創(chuàng)建卷(Volume)，其功能類似移動硬盤，其可劃分地理區(qū)域(Region Zone)和可用區(qū)域(Availability Zone)，可用區(qū)域的劃分通常是根據是否有獨立的供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

Amazon云核心是彈性計算云(Elastic Compute Cloud，EC2)，它由Amazon的網絡服務發(fā)展而來，它提供了在Amazon云中準備、管理和撤銷虛擬服務器的Web Services API。EC2主要特點:(1)靈活性。EC2允許用戶對運行實例類型和數量自行配置，并靈活選擇實例地理位置。(2)低成本。使得企業(yè)不必為業(yè)務增長購入額外服務器等設備。(3)安全性。EC2提供完整的安全措施，包括基于密鑰機制的SSH方式訪問和可配置的防火墻機制等。(4)簡單易用。用戶可根據所提供的模板自由構建自己的應用程序，同時對用戶的服務請求自動進行負載平衡。(5)容錯性。引入安全組(Security Group)概念，使用彈性IP地址，故障發(fā)生時，最大程度地保證用戶服務維持在穩(wěn)定水平。EC2在云中提供可調整大小的計算容量的Web服務，并旨在使開發(fā)人員更容易地對Web進行伸縮。

3 展望

云計算是數據共享計算模式與服務共享計算模式的結合體，是下一代計算模式的發(fā)展方向。云計算未來主要有兩個發(fā)展方向:(1)構建與應用程序緊密結合的大規(guī)模底層基礎設施，使得應用拓展更大規(guī)模;(2)通過構建新型云計算應用程序，在網絡上提供更加豐富的用戶體驗如教育系統(tǒng)和醫(yī)療體系等。云計算代表IT領域向集約化、規(guī)模化與專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢。

根據預測未來幾年IT云服務上的支出將持續(xù)增長，而且由于云計算的發(fā)展理念符合當前低碳經濟與綠色計算的總體趨勢，可能發(fā)展成為未來網絡空間系統(tǒng)，將被世界各國大力倡導與推動。云計算代表了IT領域迅速向集約化、規(guī)?；c專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢，可以說云計算可能成為當前信息領域正在發(fā)生的一場科技化化革命。但是也有一些問題需要謹慎面對，如云計算行業(yè)標準、建立基線和指標、云計算性能檢測工具的認定、處理新興安全問題等。

4 結束語

從全球化經濟發(fā)展來看，云計算將推動IT領域的產業(yè)細化，云服務商通過購買服務的方式減少對非核心業(yè)務的投入，從而強化自己核心領域的競爭優(yōu)勢。最終，各種類型的云服務商之間形成強強聯合、協作共生關系，推動信息技術領域加速實現全球化，并最終形成真正意義上的全球性的“云”。未來云計算將形成一個以云基礎設施為核心、涵蓋云基礎軟件和平臺服務與云應用服務等多個層次的巨型全球化IT服務化網絡體。

［1］Stephen Baker.Google and Wisdom of Clouds［N］.Business-week，2007-12-13.

［2］Chen K，Zheng W M.Cloud computing:System instances and current research［J］.Journal of Software，2009，20(5):1337-1348.

［3］Boss G，Malladi P，Quan D，et al.Cloud Computing［R］.IBM White Paper，2007.

［4］中國云計算網.什么是云計算?［EB/OL］.http://www.cloudcomputing2china.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=1，2008-05-14.

［5］劉鵬.云計算的定義和特點［EB/OL］.http://www.chinacloud.cn/show.sapx?id=741＆cid=17，2009-06-16.

［6］Bermanf F，Foxg G C，Heyt A J G.The Grid:Past，Present，and Future［M］//Grid Computing:Making the Global Infrastructurea Reality.England:John Wiley and Sons，2003:9-50.

［7］Nagarajanab A，Muellerf F，Engelmannc C，et al.Proactive fault to lerance for HPC with Xen virtualization［C］//Proceedings of the 21st Annual International Conference on Supercomputing.2007:23-32.

［8］陳全，鄧倩妮.云計算及其關鍵技術［J］.計算機應用，2009，29(9):2562-2567.

［9］葛慧.云計算的信息安全［J］.信息科學，2009(2):42-43.

［10］Barroso L A，Dean J，Holzle U.Web search for a planet:The Google cluster architecture［J］.IEEE Micro.，2003，23(2):22-28.

［11］Burrows M.The chubby lock service for loosely-coupled distributed systems［C］//Proc.of the 7th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation.2006:335-350.

［12］Chang F，Dean J，Ghemawat S，et al.Bigtable:A distributed storage system for structured data［C］//Proc.of the 7th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation.2006:205-218.

［13］Ghemawats S，Gobioffh H，Leungpt Shun-Tak.The Google file system［C］//Proceedings of the 19th ACM Symposium on Operating Systems Principles.2003:29-43.

［14］Zhang Y X，Zhou Y Z.Transparent computing:A new paradigm for pervasive computing［C］//Proc.of the 3rd Int’l Conf.on Ubiquitous Intelligence and Computing(UIC 2006).2006:1-11.