張貴強(qiáng)等

【摘 要】云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式，是IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新階段。主要介紹了云計(jì)算的發(fā)展和特點(diǎn)，分析了云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬化技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算；體系構(gòu)架；虛擬化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

隨著多核處理器、虛擬化、分布式存儲(chǔ)等技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了一種新的計(jì)算模式——云計(jì)算，它是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展。云計(jì)算概念發(fā)端于Google和Amazon等超大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)公司，隨著這些公司業(yè)務(wù)的不斷成功，作為其支撐技術(shù)的云計(jì)算也得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可，現(xiàn)如今，云計(jì)算已被普遍認(rèn)為是IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新階段。據(jù)IDC （ 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心） 估計(jì)，從2009年到2013年四年內(nèi)，云計(jì)算能為全球帶來(lái)8000億美元的新業(yè)務(wù)收入，為我國(guó)帶來(lái)超過(guò)11050億人民幣的新業(yè)務(wù)收入。所以可以毫不夸張地說(shuō)，云計(jì)算代表著未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，云計(jì)算將變革整個(gè)IT行業(yè)。

1.什么是云計(jì)算

1.1 云計(jì)算的概念

從20世紀(jì)80年代個(gè)人電腦的發(fā)展開(kāi)始，PC的計(jì)算能力不斷增強(qiáng)，用一臺(tái)PC就可以存放個(gè)人需要的所有數(shù)據(jù)并完成處理工作，但在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，一家互聯(lián)網(wǎng)公司提供服務(wù)時(shí)需要用到遠(yuǎn)超過(guò)個(gè)人規(guī)模的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理需要成千上萬(wàn)臺(tái)機(jī)器的協(xié)同工作才能完成。這種服務(wù)器規(guī)模不是個(gè)人能夠提供的，只有大型公司或機(jī)構(gòu)才能擁有，這好像又回到了更早以前的Mainframe時(shí)代。從Mainframe到PC再到云，這正是計(jì)算機(jī)技術(shù)螺旋上升的發(fā)展過(guò)程。

云計(jì)算是個(gè)新興的名詞，目前對(duì)它的定義和內(nèi)涵還沒(méi)有公認(rèn)的界定，當(dāng)前云計(jì)算的定義主要包括如下幾種：

（1）IBM技術(shù)白皮書(shū)中云計(jì)算的定義是：“云計(jì)算一詞用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)或者一種類型的應(yīng)用程序。一個(gè)云計(jì)算的平臺(tái)按需提供動(dòng)態(tài)的部署、配置、重新配置以及取消等服務(wù)。”

（2）維基百科給云計(jì)算下的定義：云計(jì)算將IT相關(guān)的能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒(méi)有相關(guān)知識(shí)以及設(shè)備操作能力的情況下，通過(guò)Internet獲取需要的服務(wù)。

（3）中國(guó)云計(jì)算網(wǎng)將云計(jì)算定義為：云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說(shuō)是這些科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于云計(jì)算的定義，雖眾說(shuō)紛紜，但普遍認(rèn)為云計(jì)算是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供按需的、面向海量數(shù)據(jù)處理和完成復(fù)雜計(jì)算的平臺(tái)。云計(jì)算的孕育和發(fā)展離不開(kāi)并行計(jì)算技術(shù)、虛擬化、SOA、容錯(cuò)技術(shù)、安全技術(shù)和海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)然也離不開(kāi)寬帶網(wǎng)的普及。

1.2云計(jì)算的特點(diǎn)

（1）大規(guī)模的服務(wù)

云計(jì)算是一種分布式計(jì)算模式，而且是有規(guī)模經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算模式，因此，大規(guī)模的服務(wù)是云計(jì)算的首要特征，只有大規(guī)模的云計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)云計(jì)算各種服務(wù)優(yōu)勢(shì)，尤其是服務(wù)的能力和服務(wù)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

（2）高可靠性

云計(jì)算系統(tǒng)由大量商用計(jì)算機(jī)組成集群，向用戶提供各種數(shù)據(jù)處理服務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加，系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率大大增加。因此，云計(jì)算必須采用措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，即數(shù)據(jù)冗余和分布式存儲(chǔ)技術(shù)。

（3）虛擬化

云計(jì)算通過(guò)虛擬化技術(shù)把各層次功能封裝為抽象實(shí)體，對(duì)用戶提供各層次的云服務(wù)，這樣用戶可以在不了解它的具體實(shí)現(xiàn)方法和具體位置的情況下，在任意位置、使用各種終端從云中獲取應(yīng)用服務(wù)。

（4）經(jīng)濟(jì)性

云計(jì)算通過(guò)組建一個(gè)采用大量的商業(yè)機(jī)組成的集群來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這相對(duì)于同樣性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)的資金要少很多，充分體現(xiàn)了云計(jì)算的低成本優(yōu)勢(shì)。

（5）可擴(kuò)展性

“云”的規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展，來(lái)滿足各種用戶的應(yīng)用需求和用戶規(guī)模的不斷增長(zhǎng)需要。

（6）服務(wù)多樣性

用戶可以支付不同的費(fèi)用，以獲得不同級(jí)別的服務(wù)。

2.云計(jì)算的體系構(gòu)架

云計(jì)算的體系構(gòu)架分為五個(gè)層次：物理層、核心層、資源構(gòu)架層、開(kāi)發(fā)平臺(tái)層和應(yīng)用層。每一層提供不同形式的服務(wù)，這些服務(wù)均可以將Web Services的UI接口提供給用戶，所有服務(wù)具有可靠、安全、可擴(kuò)展、按需服務(wù)、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

2.1物理層

物理層是云計(jì)算的底層基礎(chǔ)設(shè)施層，包括分布在不同地理位置的各種局部資源，主要提供局部資源支持，包括存儲(chǔ)資源、傳感器、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等。典型的市場(chǎng)產(chǎn)品有IBM-Morgan Stanleys、Computing Sublease等。

2.2核心層

核心層在物理資源層之上實(shí)現(xiàn)基本的分布式資源管理，通過(guò)各種抽象服務(wù)提供分布式應(yīng)用的部署環(huán)境。核心層功能可以通過(guò)OS kernel、超級(jí)監(jiān)督者、虛擬機(jī)監(jiān)視器或集群中間件實(shí)現(xiàn)抽象服務(wù)，提供KaaS給分布式應(yīng)用的部署者。典型的市場(chǎng)產(chǎn)品有Globus、Condor等。

2.3資源構(gòu)架層

資源構(gòu)架層在內(nèi)核層之上構(gòu)建計(jì)算機(jī)資源構(gòu)架，提供分布式計(jì)算服務(wù)。本層提供的基本分布式資源服務(wù)包括IaaS，DaaS，CaaS。其中，IaaS是分布式計(jì)算服務(wù)，提供靈活、高效、高強(qiáng)度的計(jì)算服務(wù)，IaaS主要通過(guò)虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。DaaS是分布式存儲(chǔ)服務(wù)，提供可靠、安全、大容量、便捷的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。CaaS是網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，提供可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。典型的市場(chǎng)產(chǎn)品有Amazon EC2、Amazon S3、Microsoft CSF等。

2.4開(kāi)發(fā)平臺(tái)層

開(kāi)發(fā)平臺(tái)層在資源構(gòu)架層之上構(gòu)建開(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供各種分布式開(kāi)發(fā)服務(wù)，同時(shí)也為程序開(kāi)發(fā)者提供擴(kuò)展、負(fù)載均衡、授權(quán)、email、用戶界面等多樣服務(wù)支持。PaaS加速了應(yīng)用服務(wù)部署，支持應(yīng)用服務(wù)擴(kuò)展。典型的市場(chǎng)產(chǎn)品有Google App Engine、Sales force Apex System等

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序，提供各種分布式應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用程序提供者負(fù)責(zé)軟件的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、運(yùn)行、維護(hù)、升級(jí)，為用戶提供安全、可靠的服務(wù)。典型的市場(chǎng)產(chǎn)品有Google Apps、Sales force CRM System等。

3.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算方式，是一種數(shù)據(jù)密集型的超級(jí)計(jì)算。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、虛擬化、數(shù)據(jù)管理、編程模式等多方面具有自身獨(dú)特的技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算必須具備高可靠性、高吞吐率和高傳輸率。云計(jì)算采用冗余存儲(chǔ)的方式來(lái)保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)多個(gè)副本。同時(shí)，云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率來(lái)滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。

云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有Google的非開(kāi)源的GFS和Hadoop開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的GFS的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)HDFS。大部分IT廠商，包括雅虎、英特爾的“云”計(jì)劃采用的都是HDFS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展將集中在超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密和安全性保證以及繼續(xù)提高I /O速率等方面。

3.2 虛擬化技術(shù)

云計(jì)算通過(guò)虛擬化為應(yīng)用提供了靈活可變、可擴(kuò)展的平臺(tái)服務(wù)。利用虛擬化技術(shù)，在單個(gè)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)并運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用，從而提高服務(wù)器的利用率。云計(jì)算的虛擬化技術(shù)的核心是Hypervisor，Hypervisor在虛擬機(jī)和底層硬件之間建立一個(gè)抽象層，攔截操作系統(tǒng)對(duì)硬件的調(diào)用，為駐留在其上的操作系統(tǒng)提供虛擬的CPU和內(nèi)存。目前VMwareESX和CitrixXenServer能直接運(yùn)行在硬件上，虛擬的操作系統(tǒng)又運(yùn)行在Hypervisor之上，從而能夠按照用戶需求提供IT基礎(chǔ)設(shè)施。

3.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理、分析向用戶提供高效的服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須能夠高效地管理大數(shù)據(jù)集。其次，如何在規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定的數(shù)據(jù)，也是云計(jì)算數(shù)據(jù)管理技術(shù)所必須解決的問(wèn)題。

云計(jì)算的特點(diǎn)是對(duì)海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取后進(jìn)行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)的更新頻率，云中的數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。因此，云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理往往采用數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中列存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)管理模式。將表按列劃分后存儲(chǔ)。云計(jì)算的數(shù)據(jù)管理技術(shù)中最著名的是谷歌提出的BigTable數(shù)據(jù)管理技術(shù)。由于采用列存儲(chǔ)的方式管理數(shù)據(jù)，如何提高數(shù)據(jù)的更新速率以及進(jìn)一步提高隨機(jī)讀速率是未來(lái)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須解決的問(wèn)題。

4.結(jié)束語(yǔ)

目前，云計(jì)算還處于起步階段，但它將改變用戶對(duì)計(jì)算資源的使用方式，使得用戶從以桌面為核心轉(zhuǎn)向以Web為核心。文中討論了云計(jì)算的現(xiàn)狀和主要技術(shù)，云計(jì)算代表了未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向，云計(jì)算成為普及性服務(wù)是大勢(shì)所趨。

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作者簡(jiǎn)介：

張貴強(qiáng)（1981-），男，甘肅甘谷人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)安息安全及網(wǎng)絡(luò)編程。

基金項(xiàng)目：

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年教育教學(xué)研究項(xiàng)目（JY2012-22）