王競爭

摘要：云計算是當今計算機領(lǐng)域的熱門領(lǐng)域，它包括的技術(shù)種類豐富，大到云計算數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計，小到虛擬機網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)置，而且云計算開源社區(qū)發(fā)展活躍，它不斷融合新的技術(shù)，創(chuàng)新出新的應(yīng)用。該文首先介紹了云計算的概念，然后從云計算服務(wù)模式（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)、平臺即服務(wù)、軟件即服務(wù)）方面入手，介紹了虛擬化、分布式計算等不同服務(wù)模式下的關(guān)鍵技術(shù)，最后概述了云計算技術(shù)在超融合、容器方面的最新發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬化；分布式計算；超融合；容器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0052-03

1 云計算概述

從2006年亞馬遜推出云計算服務(wù)以來，云計算概念從萌芽到發(fā)展，云計算技術(shù)經(jīng)歷著一個逐漸成熟的過程。云計算技術(shù)不僅僅是一種技術(shù)，而是大量計算機領(lǐng)域的技術(shù)互相融合發(fā)展而來的。OpenStack是云計算的開源項目，從OpenStack的技術(shù)發(fā)展來看，最初的云計算技術(shù)僅有服務(wù)器虛擬化、Flat和Vlan虛擬化網(wǎng)絡(luò)、虛擬機管理技術(shù)，接著又有了Gre和Vxlan虛擬化網(wǎng)絡(luò)、分布式存儲、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，后來又加入了裸機管理技術(shù)、微服務(wù)技術(shù)、自動部署技術(shù)、NFV等。新一代互聯(lián)網(wǎng)公司是云計算的理念孕育、技術(shù)發(fā)展與業(yè)務(wù)部署的助推者與實踐者，很多大型的互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)把所有的生產(chǎn)業(yè)務(wù)放在云上，證明云計算是一項成熟的并且經(jīng)過驗證的技術(shù)。與此同時，傳統(tǒng)企業(yè)也在對云計算探索、嘗試，擁抱新一代的技術(shù)。

1.1 云計算定義

云計算是一種IT服務(wù)交付模式，云計算安全聯(lián)盟（CSA， Cloud Security Alliance）給出的定義是[5]：

“云計算是一種能夠?qū)膳渲玫墓蚕碛嬎阗Y源池進行普遍存在的、方便的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問的服務(wù)供模型，這些資源包括計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源等。云計算是一種顛覆性的技術(shù)，它有增強合作、敏捷性、擴展性和可用性的潛力， 并且可能通過優(yōu)化和效率計算減少費用?！?/p>

美國國家標準與技術(shù)學院（U.S. National Institute of Standards and Technology）在“NIST Working Definition of Cloud Computing/NIST 800-145”中的定義得到廣泛接受。它定義了五個基本元素，三種云服務(wù)模型和四種云部署方式，如圖1所示。云服務(wù)的五個基本元素是：通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)服務(wù)、自助服務(wù)、可衡量的服務(wù)、資源的靈活調(diào)度，以及資源池化。三個云服務(wù)模型分別是SaaS（Software as a Service—軟件即服務(wù)）、PaaS（Platform as a Service—平臺即服務(wù)）和IaaS（Infrastructure as a Service—基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）三類，PaaS基于IaaS實現(xiàn)，SaaS的服務(wù)層次又在PaaS之上，三者分別面對不同的需求。IaaS是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層，提供給用戶所需的計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源；PaaS是平臺即服務(wù)層，提供給用戶的是應(yīng)用的平臺環(huán)境，比如大數(shù)據(jù)平臺、Tomcat平臺、集成開發(fā)平臺；SaaS是軟件即服務(wù)層，提供給用戶的是最終的軟件服務(wù)，例如OA、電子郵箱等。四種部署模式分別是公有云、私有云、混合云和社區(qū)云四種，公有云是指能夠通過互聯(lián)網(wǎng)訪問、提供給公眾（包括企業(yè)和個人）使用的、按使用量收費的云計算服務(wù)；私有云是指企業(yè)私有的、不提供給外部使用的云服務(wù)；社區(qū)云一般是行業(yè)云，只面向相關(guān)行業(yè)的少數(shù)企業(yè)或組織使用的云計算服務(wù)；混合云是指能夠混合使用公有云和私有云的云服務(wù)，打通企業(yè)私有云和公有云的云服務(wù)。

1.2 云計算優(yōu)勢

云計算有傳統(tǒng)IT架構(gòu)所不具備的優(yōu)勢。首先，云計算能夠提高資源利用率，云計算按需獲取的特點保證了資源的有效分配使用，而彈性伸縮模式則保證了資源的回收與再利用，所以說，資源的利用率得到了有效的提高。其次，擴展性是云計算的另一特點，云計算平臺能夠容易地橫向擴展，隨著業(yè)務(wù)量的增大逐漸增加云計算環(huán)境的集群大小。再次，云計算具有高可靠性的特點，通過云服務(wù)的高可用配置，服務(wù)質(zhì)量能夠保證較高的水平，當一部分服務(wù)出現(xiàn)故障，后臺會自動維護遷移，保證業(yè)務(wù)的不中斷。第四，云計算服務(wù)具有便捷性的優(yōu)勢，它通過網(wǎng)絡(luò)獲取，即插即用，用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問到云服務(wù)即可在任何時間任何地點使用云服務(wù)。第五，云計算通常以模塊化的方式提供服務(wù)，例如用戶可以在郵件、CRM、OFFICE等多種服務(wù)類型之間自由組合，根據(jù)用戶自身的情況在適當?shù)臅r間選擇適當?shù)姆N類和適當容量的云服務(wù)內(nèi)容。

2 云計算技術(shù)

2.1 虛擬化技術(shù)

IaaS層是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層，主要提供計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源。通過虛擬化技術(shù)，IaaS層能夠定量提供所需的資源。虛擬化技術(shù)主要包括三個方面，分別是計算資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和存儲資源虛擬化。

計算資源虛擬化指的是把服務(wù)器中物理的CPU和內(nèi)存通過資源隔離技術(shù)劃分成虛擬計算資源的過程。通過把計算資源虛擬化，單個服務(wù)器上可以同時運行多個虛擬機，每個虛擬機與其他虛擬機完全隔離，實現(xiàn)服務(wù)器的計算資源劃分和資源的靈活運用。計算資源虛擬化技術(shù)包括全虛擬化（Full Virtualization）和半虛擬化（Para-virtualization）。全虛擬化技術(shù)是虛擬機內(nèi)部所有的指令都是通過虛擬化過程實現(xiàn)的。虛擬機與宿主機中間架設(shè)了一層Hypervisor，Hypervisor完全模擬底層硬件，虛擬機的底層硬件指令通過Hypervisor執(zhí)行，Hypervisor再調(diào)用宿主機硬件執(zhí)行。全虛擬化技術(shù)的好處是不需要修改客戶機操作系統(tǒng)，在使用性上較為方便，但是相比于在底層硬件上通過模擬的硬件執(zhí)行指令會對虛擬機運行性能有一定的損失。全虛擬化業(yè)界成熟的產(chǎn)品主要是VMware、KVM。半虛擬化是使用事先修改過的客戶機操作系統(tǒng)內(nèi)核共同分享宿主機硬件來實現(xiàn)的，它比全虛擬化技術(shù)的性能更強，但是客戶機的操作系統(tǒng)需要修改導致使用便利性和兼容性不足。半虛擬化比較成熟的產(chǎn)品是Xen。

網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化是通過虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共享物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實施來實現(xiàn)的。具體來說，這些虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括虛擬網(wǎng)橋、虛擬路由、虛擬網(wǎng)絡(luò)命名空間以及虛擬網(wǎng)卡。在OpenStack領(lǐng)域內(nèi)普遍使用的網(wǎng)絡(luò)模式為Flat、Vlan、Gre、Vxlan。Flat網(wǎng)絡(luò)模式是一個平面網(wǎng)絡(luò)，所有的虛擬機連接到一個Linux網(wǎng)橋上，并且都在同一個網(wǎng)絡(luò)中。Vlan是虛擬局域網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)模式下可以實現(xiàn)多個虛擬子網(wǎng)，每個虛擬子網(wǎng)之間互相隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)每個租戶擁有私有虛擬網(wǎng)絡(luò)。由于Vlan只能有4096個的限制產(chǎn)生了基于隧道和封裝的技術(shù)。Gre是L3層的點對點隧道技術(shù)，本質(zhì)是在隧道的兩端的L4層建立UDP連接傳輸重新包裝的L3層包頭，在目的地再取出包裝后的包頭進行解析。Gre的缺點是L2層的操作移到了L3層上造成了網(wǎng)絡(luò)的性能下降，另外如果有很大的集群規(guī)模，點對點的隧道形式將會增加使用大量的資源。Vxlan與Gre使用相同的隧道技術(shù)，與Gre不同之處在于通過重新包裝L2層包頭，在目的地的L4層隧道重新解析。

存儲資源虛擬化是建立虛擬邏輯存儲層，將應(yīng)用系統(tǒng)與物理存儲設(shè)備隔離的虛擬化技術(shù)。應(yīng)用系統(tǒng)只需關(guān)心自己需要什么樣的資源，邏輯存儲層一方面提供應(yīng)用系統(tǒng)存儲資源，一方面管理物理存儲設(shè)備和負責數(shù)據(jù)的管理與維護。存儲虛擬化一般分為基于存儲設(shè)備的存儲虛擬化和基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化。分布式存儲是云計算中越來越廣泛使用的存儲虛擬化技術(shù)。基于存儲設(shè)備的存儲虛擬化是通過硬件設(shè)備把多個物理磁盤組合到一起，形成一個統(tǒng)一的存儲空間，例如磁盤陣列技術(shù)（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）。基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化是指通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問存儲資源，一般可通過網(wǎng)絡(luò)附加存儲（Network Attached Storage，NAS）和存儲區(qū)域網(wǎng)（Storage Area Network，SAN）實現(xiàn)。分布式存儲技術(shù)是通過使用計算集群中的每臺服務(wù)器上的空余磁盤空間，通過軟件定義的方式將這些磁盤空間加入到一個統(tǒng)一的資源池，能夠?qū)ν馓峁K存儲、對象存儲、文件存儲等功能。分布式存儲中最常見的產(chǎn)品是GlusterFs和Ceph，其中Ceph是越來越流行的分布式存儲軟件。

2.2 分布式計算

分布式計算是指在大規(guī)模計算任務(wù)中，數(shù)據(jù)分散在不同的計算節(jié)點，把計算任務(wù)運行在各個不同的數(shù)據(jù)塊上，最后把計算結(jié)果匯總的計算方式。

Pass層上最著名的平臺是Hadoop，其中最關(guān)鍵的組件為MapReduce，采用分布式計算技術(shù)來對大數(shù)據(jù)任務(wù)進行處理。MapReduce源自于Google2004年發(fā)表的論文，屬于并行計算算法，它通過Map和Reduce兩個過程來實現(xiàn)。在Map階段，算法遍歷所有的數(shù)據(jù)塊，對所有的元素進行統(tǒng)計。當Map階段完成后，在Reduce之前會進行一個Shuffle操作，主要對統(tǒng)計元素的列表進行簡單的清理和排序。在Reduce階段，算法會對所有的統(tǒng)計結(jié)果進行匯總，形成最終的key/value列表。

HDFS源自于Google2003年發(fā)表的論文，它是一個分布式文件系統(tǒng)，它被設(shè)計為運行在廉價的物理服務(wù)器上，具有高容錯性的文件系統(tǒng)。作為Hadoop的底層文件系統(tǒng)，它支持數(shù)據(jù)的高吞吐量，能夠存儲GB到TB級的數(shù)據(jù)。HDFS集群有三種節(jié)點類型，分別為NameNode、SecondaryNameNode和DataNode。NameNode是控制節(jié)點，主要管理數(shù)據(jù)塊的映射，響應(yīng)客戶端的讀寫請求和管理HDFS的文件命名空間。SecondaryNameNode是NameNode的冷備份，當NameNode出現(xiàn)故障的時候，SecondaryNameNode能夠啟動以保障HDFS集群的正常運行。DataNode是數(shù)據(jù)存儲節(jié)點，存儲數(shù)據(jù)塊并執(zhí)行讀寫功能。HDFS內(nèi)部的所有通信都基于標準的TCP/IP 協(xié)議。

由于Hadoop1.0的設(shè)計缺陷（擴展性差、可靠性差、資源利用率低、無法支持多種計算框架），Hadoop2.0中引入了Yarn。Yarn實際上是一個資源管理框架，它的目標已經(jīng)不再局限于支持MapReduce一種計算框架，而是朝著對多種框架進行統(tǒng)一管理的方向發(fā)展，比如Spark、Storm都可以運行在Yarn上。

2.3 SaaS層技術(shù)

SaaS軟件即服務(wù)是指通過網(wǎng)絡(luò)提供按需的軟件服務(wù)，而購買軟件產(chǎn)品本身。SaaS軟件服務(wù)豐富多樣，例如郵箱服務(wù)、Google Docs、CRM、團隊OA，主要是為企業(yè)提供垂直化的解決方案，SaaS層技術(shù)多種多樣，主要是Web2.0技術(shù)?，F(xiàn)有的SaaS產(chǎn)品一般是服務(wù)運營商設(shè)計完成全套應(yīng)用服務(wù)和流程，能夠滿足通用的行業(yè)應(yīng)用需求，但是隨著不同行業(yè)和企業(yè)的個性化需求，逐漸發(fā)展了SaaS2.0概念。SaaS2.0要求企業(yè)用戶能夠使用運營商平臺提供的通用API，定制個性化的企業(yè)應(yīng)用，并能夠與運營商平臺的其他SaaS服務(wù)無縫對接。

SaaS2.0模式要求SaaS運營商平臺有一個強大的云計算平臺，它能夠提供多種多樣的API服務(wù)以滿足用戶的個性化需求，它具有強大的集成能力以實現(xiàn)各種API的快速集成，它具有快速的應(yīng)用部署能力和應(yīng)用運維能力以對用戶定制的SaaS服務(wù)進行部署和維護。用戶的業(yè)務(wù)知識將與運營平臺的計算能力相結(jié)合，用戶只需關(guān)注業(yè)務(wù)方面的需求，而運營平臺主要精力則專注于API資源的提供和平臺本身的維護，可以預(yù)見這種模式可以大大提高生產(chǎn)效率。

3 云計算技術(shù)的發(fā)展趨勢

云計算技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，每年都會出現(xiàn)新的技術(shù)融合與應(yīng)用創(chuàng)新。最新的技術(shù)趨勢有超融合架構(gòu)、容器、SDN/NFV、IaaS和PaaS的融合等方面的發(fā)展。超融合架構(gòu)是指將服務(wù)器的計算資源和存儲資源結(jié)合在一起，通過虛擬化技術(shù)和分布式存儲技術(shù)將服務(wù)器集群中的計算資源和存儲資源同時利用起來，形成統(tǒng)一的資源池。在開源云計算社區(qū)中，Docker是最流行的容器技術(shù)，同時應(yīng)用Docker構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)也成為一個熱門的話題。Docker與云計算平臺的結(jié)合，計算資源提供的方式可以不再是虛擬機而是容器，容器的輕量性和便捷性一方面提高了物理資源的利用率，另一方面在業(yè)務(wù)部署效率上也有很大的提升，未來有可能改變開發(fā)、運維以及業(yè)務(wù)交付的方式。SDN指的是軟件定義網(wǎng)絡(luò)，NFV指的是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，隨著電信運營商對云計算數(shù)據(jù)中心在復雜網(wǎng)絡(luò)上的需求，云計算社區(qū)希望通過行業(yè)標準的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來取代私有專用的網(wǎng)元設(shè)備，因此引入了SDN/NFV技術(shù)的融合。另外，IaaS層的技術(shù)逐漸成熟，IaaS提供商逐漸把目光轉(zhuǎn)向PaaS層，IaaS平臺與PaaS平臺有了融合的趨勢，大數(shù)據(jù)處理平臺是常見的PaaS層平臺，架構(gòu)在IaaS層的虛擬化平臺上，將使得大數(shù)據(jù)平臺擁有彈性伸縮能力，對數(shù)據(jù)中心的資源使用率將得到很大的提升。

4 結(jié)束語

云計算領(lǐng)域技術(shù)涵蓋廣泛，本文僅對云計算IaaS、PaaS、SaaS各個層面的關(guān)鍵技術(shù)進行簡單介紹，大致梳理了云計算大框架內(nèi)的技術(shù)脈絡(luò)，并且展望了云計算的新技術(shù)趨勢。云計算領(lǐng)域發(fā)展迅速，新的技術(shù)和應(yīng)用模式不斷涌現(xiàn)，開源社區(qū)對云計算的發(fā)展貢獻較大，OpenStack成為云計算領(lǐng)域的事實標準。隨著OpenStack的版本成熟度提高、自動部署工具的成熟以及IaaS與PaaS的融合，云計算將會普及到更多的企業(yè)中去。

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