張鐵楠

(湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104)

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云環(huán)境下基礎(chǔ)設(shè)施層的研究與設(shè)計(jì)

張鐵楠

(湖南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湘潭 411104)

云計(jì)算是當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的一次革命.云計(jì)算對(duì)用戶表現(xiàn)為各種服務(wù)，包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)、軟件即服務(wù).其中基礎(chǔ)設(shè)施層為用戶提供硬件資源，是其他各層提供所有服務(wù)的基礎(chǔ).對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層的物理構(gòu)成及其功能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的云計(jì)算環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施層，主要包括總體設(shè)計(jì)、虛擬化方案以及服務(wù)流程，該設(shè)計(jì)模型能夠完成所有基礎(chǔ)設(shè)施層應(yīng)具備的基本功能，適應(yīng)各類型基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供企業(yè)融入云環(huán)境并為用戶提供服務(wù).

云計(jì)算；基礎(chǔ)設(shè)施層；總體設(shè)計(jì)；虛擬化方案；服務(wù)流程

0 前 言

云計(jì)算是當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，跟當(dāng)初互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)一樣，是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一次革命.隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各種基于云環(huán)境的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，先后出現(xiàn)了云存儲(chǔ)、云安全、教育云等概念.很多政府部門、大型企業(yè)都正著手研究與推廣云計(jì)算技術(shù)，為廣大用戶提供云計(jì)算服務(wù).

云計(jì)算是并行計(jì)算(Parallel Computing)、分布式計(jì)算(Distributed Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展，或者說(shuō)是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)[1].云計(jì)算是虛擬化(Virtualization)、效用計(jì)算(Utility Computing)、IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺(tái)即服務(wù))、SaaS(軟件即服務(wù))等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果[2].

云計(jì)算對(duì)用戶表現(xiàn)為各種服務(wù)，而云內(nèi)部對(duì)用戶卻是透明的.云計(jì)算的各種服務(wù)跟云結(jié)構(gòu)本身密切相關(guān).比如在IaaS層，云供應(yīng)商為用戶提供的服務(wù)主要是IT資源，諸如存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源;在Paas層提供具有通用性和可復(fù)用性的中間件和開(kāi)發(fā)平臺(tái)；在SaaS層則是云上的應(yīng)用軟件的集合.在這三層結(jié)構(gòu)中，處于上層的服務(wù)必須實(shí)現(xiàn)下層的功能，所以，處于基礎(chǔ)設(shè)施層的IaaS是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的基礎(chǔ).對(duì)云環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施層的研究與設(shè)計(jì)具有重要的意義.云資源供應(yīng)商可以專注于某個(gè)層次的服務(wù)，而利用其它云資源供應(yīng)商來(lái)提供下層的服務(wù).因而，各個(gè)不同層次的云供應(yīng)商的聯(lián)合和集成，將是開(kāi)展云計(jì)算的必然趨勢(shì).

1 基礎(chǔ)設(shè)施層的研究

基礎(chǔ)設(shè)施層采用虛擬化技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)用戶提供硬件資源，如存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源[3].不同的云資源提供商在基礎(chǔ)資源的提供服務(wù)方面略有差異，但是基礎(chǔ)設(shè)施層的功能差別不大，一般應(yīng)具備如下這些功能：

(1)資源抽象.為了組建基礎(chǔ)設(shè)施層，首先必須將大量的硬件資源通過(guò)抽象的方法形成高層次的硬件資源管理邏輯，這就是對(duì)硬件資源虛擬化.

虛擬化不僅需要屏蔽不同型號(hào)的硬件差異，還需要為硬件資源提供統(tǒng)一的接口.基礎(chǔ)設(shè)施層往往被抽象成多層，這樣便于被上層定義和操作.

(2)資源監(jiān)控.基礎(chǔ)設(shè)施層在抽象模型的基礎(chǔ)上建立監(jiān)控模型.監(jiān)控模型描述了監(jiān)控對(duì)象及其度量，且有不同的粒度和層次.監(jiān)控模型不僅要對(duì)全部資源進(jìn)行管理，而且能根據(jù)某個(gè)場(chǎng)景的需要對(duì)所需資源進(jìn)行整合.

(3)負(fù)載管理.在云環(huán)境這樣大規(guī)模的資源環(huán)境中，如果不加以管理，任何時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載都可能是高低起伏不均衡的，這樣將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果--有的節(jié)點(diǎn)資源負(fù)載過(guò)低，其結(jié)果是資源閑置；有的節(jié)點(diǎn)資源負(fù)載過(guò)高，其結(jié)果造成上層服務(wù)性能受到影響.負(fù)載管理就是要采用一定的技術(shù)將各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載進(jìn)行平衡.

(4)存儲(chǔ)管理.在云環(huán)境中需要運(yùn)行成千上萬(wàn)個(gè)虛擬機(jī)，基礎(chǔ)設(shè)施層既需要存放虛擬機(jī)上的鏡像文件，還需要存放每一個(gè)虛擬機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù).為了保證虛擬機(jī)管理器的數(shù)據(jù)管理，需要借助高速的I/O網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議進(jìn)行聯(lián)接.

(5)資源部署.資源部署就是采用一定的技術(shù)將基礎(chǔ)設(shè)施層的資源分配給上層應(yīng)用.通過(guò)虛擬化的硬件資源準(zhǔn)備就緒后，需要經(jīng)過(guò)初始化，在應(yīng)用的過(guò)程中可能需要經(jīng)過(guò)二次甚至是更多次的部署，從而滿足上層應(yīng)用的需求，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程.資源部署一方面要考慮到用戶或上層應(yīng)用的動(dòng)態(tài)可伸縮性，還需要考慮硬件出現(xiàn)故障時(shí)的替換與故障恢復(fù).

(6)安全與風(fēng)險(xiǎn)管理.基礎(chǔ)設(shè)施層的安全管理就是要保證硬件資源能夠被合法地訪問(wèn)與使用.在傳統(tǒng)的環(huán)境中也存在風(fēng)險(xiǎn)，但是在云環(huán)境中更加明顯、更具挑戰(zhàn)性，如數(shù)據(jù)隔離與恢復(fù)、特權(quán)用戶接入等.對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施層的風(fēng)險(xiǎn)，用戶必須充分認(rèn)識(shí)和了解，才可能避免或減輕危害.

(7)計(jì)費(fèi)管理.云計(jì)算只有提供比傳統(tǒng)方式更便捷的應(yīng)用且更低的成本才有可能被用戶廣泛認(rèn)可，因此合理的計(jì)費(fèi)是很重要的.當(dāng)前許多云計(jì)算提供商采用按使用計(jì)費(fèi)方式，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施層，按使用計(jì)費(fèi)的方式又有兩種：一種方式是對(duì)應(yīng)用涉及的基礎(chǔ)資源進(jìn)行計(jì)費(fèi)；另一種方式是采用許可證形式.

2 云環(huán)境下基礎(chǔ)設(shè)施層的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

基于云環(huán)境下基礎(chǔ)設(shè)施層的物理構(gòu)成及其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，我們對(duì)云環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

(1)VPN網(wǎng)關(guān).在該體系結(jié)夠設(shè)計(jì)中，各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)都通過(guò)VPN網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)云中的基礎(chǔ)設(shè)施.每一個(gè)擁有虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)都被映射為該VPN內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)地址.

(2)應(yīng)用物理服務(wù)器.虛擬化即在一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)邏輯服務(wù)器，每個(gè)邏輯服務(wù)器就是一個(gè)運(yùn)行不同操作系統(tǒng)、相對(duì)獨(dú)立的虛擬機(jī).在該體系結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)應(yīng)用物理服務(wù)器上都運(yùn)行了若干個(gè)虛擬服務(wù)器，并且通過(guò)系統(tǒng)管理器實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的自動(dòng)化管理.

圖1 基礎(chǔ)設(shè)施層的物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)

在應(yīng)用物理服務(wù)器中安裝Xen Hypervisor和一個(gè)系統(tǒng)管理.Xen Hypervisor是一個(gè)基于開(kāi)源軟件組織虛擬機(jī)監(jiān)控器，運(yùn)行在應(yīng)用物理服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)虛擬化.

系統(tǒng)管理器則以獨(dú)立于Hypervisor的方式提供對(duì)虛擬機(jī)的管理功能.

(3)企業(yè)集群管理器.在該體系結(jié)構(gòu)中，每個(gè)企業(yè)還會(huì)有一個(gè)企業(yè)集群服務(wù)器負(fù)責(zé)企業(yè)內(nèi)部的資源管理.

(4)云管理器.其主要職責(zé)是為基礎(chǔ)設(shè)施云的提供者提供云的整體監(jiān)控、管理和計(jì)費(fèi)功能.主要包括：集中統(tǒng)計(jì)每個(gè)企業(yè)的資源使用情況；根據(jù)使用情況計(jì)費(fèi)；提供整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施云的SLA監(jiān)控(如實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量、各管理操作的性能以及云的可靠性等).

(5)共享存儲(chǔ).每個(gè)企業(yè)內(nèi)部的應(yīng)用物理服務(wù)器都共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ).每個(gè)應(yīng)用物理服務(wù)器本身只緩存每個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行實(shí)例，而虛擬機(jī)的鏡像文件和實(shí)例狀態(tài)會(huì)被持久化到共享存儲(chǔ)上，從而實(shí)現(xiàn)高可用性和虛擬機(jī)的遷移操作.

2.2 虛擬化解決方案

構(gòu)成虛擬化解決方案的每個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)部都置入了代理(Agent),用來(lái)監(jiān)控和操作虛擬機(jī)內(nèi)部的軟件和服務(wù)[4].如圖2所示，企業(yè)集群管理器擁有圖中所示的一組虛擬解決方案管理服務(wù).虛擬管理服務(wù)通過(guò)與系統(tǒng)管理器和虛擬解決方案中的Agent進(jìn)行交互，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬解決方案的黑盒管理和白盒管理.

圖2 虛擬解決方案管理

2.3 服務(wù)流程

一般基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)流程分為規(guī)劃、部署和運(yùn)行三個(gè)階段，如圖3所示.

圖3 基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)流程

(1)規(guī)劃階段

對(duì)硬件資源進(jìn)行虛擬化，使其成為一個(gè)邏輯資源池，并且配置安全管理模塊，控制用戶對(duì)資源池的訪問(wèn).此外，對(duì)虛擬鏡像文件的管理以及提供給用戶訪問(wèn)這些鏡像或者上傳自定義鏡像的服務(wù).

在物理環(huán)境準(zhǔn)備就緒之后，第一個(gè)要實(shí)現(xiàn)的基本功能就是對(duì)資源進(jìn)行虛擬化處理.即將物理服務(wù)器改造成虛擬化平臺(tái)，整合計(jì)算資源.

為了使用戶能夠訪問(wèn)這些虛擬資源，基礎(chǔ)設(shè)施層允許用戶從遠(yuǎn)程操作資源.比如用戶通過(guò)下載客戶端程序獲取資源列表，選擇其所需要的虛擬機(jī)類型，實(shí)施部署和運(yùn)行管理等操作.

虛擬鏡像文件包含虛擬機(jī)配置、操作系統(tǒng)及之上的軟件堆棧等信息.一個(gè)可配置鏡像文件模板可以被不同的用戶重復(fù)使用.基礎(chǔ)設(shè)施層提供給用戶獲取已有的鏡像服務(wù).

(2)部署階段

資源部署就是給虛擬機(jī)配置資源并激活其服務(wù).

每個(gè)虛擬機(jī)都有一個(gè)配置文件用來(lái)描述虛擬機(jī)的資源配置，通過(guò)虛擬化平臺(tái)的管理接口，虛擬機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)可以被有效地部署并啟動(dòng)起來(lái).然而，虛擬化平臺(tái)的管理接口卻無(wú)法為我們激活虛擬機(jī)內(nèi)部的文件.我們通過(guò)在虛擬機(jī)內(nèi)部安裝應(yīng)用服務(wù)器，并使用描述文件描述其實(shí)例的配置.當(dāng)這個(gè)虛擬機(jī)被部署后，虛擬機(jī)內(nèi)部的代理將接收到企業(yè)集群管理器的激活指令.代理根據(jù)描述文件，啟動(dòng)和配置這個(gè)實(shí)例，使虛擬機(jī)內(nèi)的軟件和服務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài).基礎(chǔ)設(shè)施層在企業(yè)集群器、系統(tǒng)管理器和描述文件的幫助下可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)的解決方案部署，并且簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的激活過(guò)程.

(3)運(yùn)行階段

每個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)部安裝的代理可以用于對(duì)虛擬解決方案進(jìn)行有效的運(yùn)行時(shí)SLA管理.

資源監(jiān)控是通過(guò)企業(yè)集群管理器的黑盒管理和白盒管理來(lái)共同完成的.在黑盒管理中，企業(yè)集群管理器通過(guò)與系統(tǒng)管理器的通信，獲得每個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的資源監(jiān)控信息.通過(guò)進(jìn)一步分析整合，企業(yè)集群器還可以計(jì)算出整個(gè)虛擬解決方案的資源監(jiān)控信息.白盒管理則通過(guò)企業(yè)集群管理器與虛擬機(jī)內(nèi)部的代理之間的交互來(lái)完成.

負(fù)載管理必須依賴資源監(jiān)控功能，且必須借助企業(yè)集群管理器的上述兩種管理機(jī)制.通過(guò)黑盒管理，企業(yè)集群管理器收集到監(jiān)控信息后，利用資源調(diào)整和資源整合實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理；通過(guò)白盒管理，企業(yè)集群管理器分析代理后產(chǎn)生監(jiān)控信息，將操作指令發(fā)給代理，代理執(zhí)行相應(yīng)的操作指令返回相關(guān)結(jié)果.

對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施層而言，在整個(gè)運(yùn)行階段安全管理都是非常重要的.通常，將企業(yè)集群管理器和代理的安全管理與虛擬機(jī)內(nèi)部軟件的安全管理相結(jié)合，通過(guò)對(duì)不同層次的服務(wù)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行控制，從而保證云基礎(chǔ)設(shè)施層的安全[3].

計(jì)費(fèi)、運(yùn)行監(jiān)控服務(wù)以資源監(jiān)控和負(fù)載管理為基礎(chǔ).通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)使用時(shí)間及服務(wù)質(zhì)量等的綜合考慮，為用戶提供精準(zhǔn)的計(jì)費(fèi)服務(wù)；通過(guò)運(yùn)行監(jiān)控服務(wù)，用戶可以獲知自己的實(shí)時(shí)狀態(tài)與歷史信息；通過(guò)日志信息和統(tǒng)計(jì)圖表，用戶可以了解系統(tǒng)詳情，并根據(jù)這些信息作出決策，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的優(yōu)化.

3 結(jié)束語(yǔ)

云環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施層是其他各層的基礎(chǔ).虛擬化是該層實(shí)現(xiàn)其應(yīng)具備的功能并提供相應(yīng)服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù).設(shè)計(jì)基于云環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施層應(yīng)研究其物理構(gòu)成及其相應(yīng)功能，尤其是虛擬化實(shí)現(xiàn)方案以及服務(wù)流程中各功能如何實(shí)現(xiàn).

[1] 馮建平，吳麗華 .“云計(jì)算”技術(shù)和“云計(jì)算”服務(wù)模式——全球信息化發(fā)展的未來(lái)[J].信息系統(tǒng)工程，2009，(11)：78-80.

[2] 宋振華.虛擬化技術(shù)中的存儲(chǔ)管理問(wèn)題研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，2010.

[3] 劉 毅.港口綜合管理系統(tǒng)云計(jì)算模型與系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué)碩士論文，2012.

Research and Design of Infrastructure in Cloud Environment

ZHANG Tie-nan

( College of Computer and Communication,Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

Cloud computing is a revolution in computer technology. Cloud computing takes a variety of services as embodiment to users, including infrastructure as a service, platform as a service, software as a service. The infrastructure layer to provide users with the hardware resources is the foundation of other layers to provide all services. The study on the physical structure and its function on the infrastructure layer designs a small infrastructure layer in cloud computing environment, which includes system design, virtualization solutions and service process. And the design model possesses all the basic functions that the infrastructure layer should have and adapts to all types of infrastructure services to provide enterprises with cloud environment and to provide services for users.

cloud computing; infrastructure layer; system design; virtualization solutions; service process

2014-11-07

張鐵楠(1973-)，男，碩士，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)計(jì)算.

TP391

A

1671-119X(2015)02-0055-04