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        云計算:體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

        2017-03-21 14:57:23李亞奇
        電腦知識與技術(shù) 2016年33期
        關(guān)鍵詞:體系架構(gòu)云計算關(guān)鍵技術(shù)

        李亞奇

        摘要:互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展相應(yīng)帶動了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展,此類應(yīng)用普遍具有業(yè)務(wù)增長快、數(shù)據(jù)存儲量龐大等特征,導(dǎo)致系統(tǒng)維護投入需求不斷增長,限制了應(yīng)用商業(yè)價值的進一步提升。在這種背景下,“云計算”相關(guān)理念被提出,其目的是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上,實現(xiàn)便捷、按需、不分時間、不分地點訪問共享資源池的一種新型計算模式,具有減低系統(tǒng)運維成本、提高服務(wù)質(zhì)量的重要作用。云計算作為一種技術(shù)創(chuàng)新,一經(jīng)提出即受到社會各界的廣泛關(guān)注。筆者從云計算入手,及其體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),闡述幾點看法,以供相關(guān)人員參考。

        關(guān)鍵詞:云計算;體系架構(gòu);關(guān)鍵技術(shù)

        中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2016)33-0035-02

        云計算相關(guān)概念早在1961年就有一定的思想雛形,人們預(yù)言計算資源可以發(fā)展為一種公共設(shè)施被人們使用,隨后出現(xiàn)的效用計算、服務(wù)計算以及網(wǎng)格計算等技術(shù),均是云計算的發(fā)展基礎(chǔ)。就一般情況而言,云計算習(xí)慣利用計算機集群構(gòu)成相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心,用戶通過付費獲得相應(yīng)的服務(wù),具體模式與用水、用電類似。云計算對于服務(wù)彈性具有一定的要求,還需綜合考慮經(jīng)濟性、可用性、運行可靠性等內(nèi)容。

        1 云計算基本特征分析

        云計算具體特征與其實際使用要求關(guān)系緊密,具體包含彈性服務(wù)、資源池化、可計費服務(wù)、按需服務(wù)、泛在接入等。

        1)彈性服務(wù)特征分析

        云計算相關(guān)服務(wù)可依據(jù)業(yè)務(wù)負載實際變化,自動完成相應(yīng)的快速伸縮變化,具有良好的服務(wù)彈性。這種彈性服務(wù)可有效增強用戶使用與業(yè)務(wù)需求的一致性,從而避免因服務(wù)器性能冗余或過載,造成的資源浪費或服務(wù)質(zhì)量下降問題。

        2)資源池化特征分析

        云計算所有資源均通過共享資源池模式進行管理,以保障管理的系統(tǒng)性和統(tǒng)一性。這種管理模式借助虛擬化技術(shù),實現(xiàn)不同用戶的資源分享,并保障資源的管理、放置以及分配對用戶完全透明。

        3)可計費服務(wù)特征分析

        云計算可自動完成用戶實際資源使用量的監(jiān)控,并依據(jù)相應(yīng)的收費標準,對用戶使用的服務(wù)進行計費。

        4)按需服務(wù)特征分析

        云計算系統(tǒng)可依據(jù)用戶的實際需求,完成資源的自動分配,以資源服務(wù)的形式,為不同用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)儲存等資源。云計算相關(guān)服務(wù)不需要系統(tǒng)管理員進行干預(yù)。

        5)泛在接入

        云計算系統(tǒng)對于終端設(shè)備并無具體要求,在互聯(lián)網(wǎng)條件允許情況下,用戶可使用筆記本電腦、智能手機以及PC電腦等設(shè)備訪問云計算服務(wù)。

        2 云計算體系架構(gòu)分析

        云計算以一系列的服務(wù)集合為主要表現(xiàn)形式,從而滿足彈性資源、按需服務(wù)的實際需求,結(jié)合當前云計算相關(guān)研究、應(yīng)用分析,其體系架構(gòu)主要分為三層,具體包括服務(wù)管理、核心服務(wù)以及用戶訪問接口三部分內(nèi)容,如圖1所示。核心服務(wù)層主要負責(zé)間應(yīng)用程序、硬件基礎(chǔ)設(shè)施以及軟件運行環(huán)境抽象為可用性高、可靠性高且規(guī)??缮炜s的服務(wù),以充分滿足云計算的應(yīng)用需求;服務(wù)管理層負責(zé)給予核心服務(wù)層相應(yīng)的支持,以提高服務(wù)的安全性、可用性及可靠性;用戶訪問接口主要負責(zé)實現(xiàn)用戶端到云的有效訪問。

        1)核心服務(wù)層

        就一般情況而言,核心服務(wù)層具有三個子層,分別是平臺即服務(wù)層(PaaS,platform as a service)、軟件即服務(wù)層(SaaS,software as a service)、以及基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層(IaaS,infrastructure as a service)。

        基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層主要負責(zé)提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的部署服務(wù),根據(jù)不同用戶的實際需求,為其提供虛擬或?qū)嶓w的網(wǎng)絡(luò)、儲存、計算等相關(guān)資源。用戶在實際使用基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層過程中,需將基礎(chǔ)設(shè)施相應(yīng)的配置信息提交給IaaS層的提供商,同時包含基礎(chǔ)設(shè)施運行的程序代碼及其他數(shù)據(jù)。就基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層而言,數(shù)據(jù)中心是基礎(chǔ),其優(yōu)化及管理問題一向是該部分的研究重點。隨著云計算研究不斷深入,IaaS層應(yīng)用了虛擬化技術(shù),以進一步提高硬件資源分配的科學(xué)性,同時為用戶提供規(guī)??蓴U展、可靠性更高的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

        平臺即服務(wù)層是指應(yīng)用程序的具體運行環(huán)境,主要負責(zé)相關(guān)管理服務(wù)及程序部署服務(wù)的提供。借助平臺即服務(wù)層的開發(fā)語言和相應(yīng)的軟件工具,應(yīng)用程序開發(fā)者通過上傳具體數(shù)據(jù)和程序代碼即可獲得相應(yīng)的服務(wù),有效避免了底層操作系統(tǒng)、存儲以及網(wǎng)絡(luò)的管理問題。

        軟件即服務(wù)層是一種在云計算基礎(chǔ)平臺基礎(chǔ)上,開發(fā)的應(yīng)用程序,主要用于解決企業(yè)的信息化問題。企業(yè)主要通過租賃的形式實現(xiàn)該平臺的使用,以GMail為例,企業(yè)并不需要對服務(wù)器相關(guān)的維護、管理問題分心,均有Google數(shù)據(jù)中心負責(zé)。

        2)服務(wù)管理層

        服務(wù)管理層主要負責(zé)保障核心服務(wù)層的安全性、可靠性、及可用性,具體分為安全管理和服務(wù)質(zhì)量保障兩部分內(nèi)容。

        云計算用戶客觀要求其實現(xiàn)高可用性、高可靠性,且成本低廉的個性化服務(wù)。但云計算本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且規(guī)模龐大的系統(tǒng)平臺,提高了這些要求實現(xiàn)的難度。因襲,云計算服務(wù)提供商常需圍繞服務(wù)質(zhì)量與用戶進行有效的協(xié)商,并通過服務(wù)水平協(xié)議的形式,名列雙方的服務(wù)需求,以控制雙方需求的一致性。如提供商未能遵照協(xié)議提供相應(yīng)質(zhì)量的服務(wù),用戶可依據(jù)協(xié)議內(nèi)容獲得賠償。

        安全性也是用戶重點關(guān)注的問題。采用資源集中式管理模式會導(dǎo)致云計算平臺出現(xiàn)單點失效問題,即發(fā)生停電、地震等突發(fā)事故時,可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)丟失問題。因此,云計算平臺還需加強個性化安全管理相關(guān)探索,利用隱私保護、數(shù)據(jù)隔離等技術(shù),提高平臺使用的安全性。

        3)用戶訪問接口層

        用戶訪問接口層是云計算平臺實現(xiàn)泛在接入功能的基礎(chǔ),具體包含Web門戶、Web服務(wù)以及命令行等形式。其中Web服務(wù)和命令行模式,既可作為應(yīng)用程序的開發(fā)接口,又具備多種服務(wù)組合的能力。Web門戶則是另一種訪問接口形式,借助Web門戶,云計算可實現(xiàn)用戶桌面至互聯(lián)網(wǎng)的遷移,完成這種遷移之后,用戶可借助瀏覽器完成相關(guān)程序及數(shù)據(jù)的訪問,不受時間和空間的影響,從而極大地提高用戶的實際工作效率。隨著云計算的發(fā)展,其計算接口逐漸趨向統(tǒng)一化標準發(fā)展,從而實現(xiàn)了不同企業(yè)間的無縫合作。

        3 云計算關(guān)鍵技術(shù)

        云計算平臺的最終目標就是低成本條件下為用戶提供可靠、安全、彈性的個性化服務(wù)。為全面滿足不同用戶的使用需求,云計算廣泛應(yīng)用了虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)中心管理技術(shù)、QoS保障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

        3.1 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層關(guān)鍵技術(shù)分析

        IaaS層是整合云計算平臺的基礎(chǔ),承擔(dān)著海量硬件資源提供、按需配置硬件資源以及個性化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的重要職能。該層應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),主要包含以下幾點內(nèi)容。

        1)數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵技術(shù)分析

        數(shù)據(jù)中心作為云計算的絕對核心,其運行可靠性及資源規(guī)模,關(guān)乎于云計算服務(wù)的整體質(zhì)量。該部分內(nèi)容的技術(shù)應(yīng)用要點主要分為兩點,其一數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲應(yīng)滿足成本經(jīng)濟性、運行可靠性要求,其二加強節(jié)能技術(shù)研究,以減少環(huán)境污染。

        就現(xiàn)階段云計算數(shù)據(jù)中心而言,通常由近萬個計算節(jié)點組成,且隨著云計算平臺不斷發(fā)展,節(jié)點數(shù)量有進一步上漲的趨勢。在這種背景下,傳統(tǒng)的樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有較大的應(yīng)用局限性,包括可靠性地、可擴展性差以及網(wǎng)絡(luò)寬帶有限等。為解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲問題,相關(guān)研究人員相繼提出了PortLand、BCube、VL2等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。這些創(chuàng)新性網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),通過類似mesh構(gòu)造的融入,相同提高了節(jié)點間的容錯能力和連通性,增強了節(jié)點負載的均衡性。此外,這種形式的拓撲結(jié)構(gòu)通過小型交換機即可完成,進一步降低了建設(shè)成本。

        云計算平臺數(shù)據(jù)中心普遍規(guī)模較大,在實際運行過程中,涉及計算機設(shè)備、制冷裝置、通風(fēng)系統(tǒng)、不間斷電源等多項耗電單元,會消耗大量的電力能源。因此,加強綠色節(jié)能技術(shù)的研究,具有重要的現(xiàn)實意義。

        2)虛擬化技術(shù)分析

        數(shù)據(jù)中心作為大規(guī)模資源的提供基礎(chǔ),需滿足平臺資源按需分配的實際需求,即虛擬化技術(shù)的應(yīng)用,包括虛擬機快速部署以及在線遷移兩部分技術(shù)內(nèi)容。虛擬機模板技術(shù)的應(yīng)用,極大地簡化了其部署過程、縮短了部署時間;在線遷移技術(shù)具體是指保持虛擬機運行狀態(tài)下,實現(xiàn)不同物理機轉(zhuǎn)移的技術(shù),其應(yīng)用意義主要包括以下幾點:(1)增強系統(tǒng)運行可靠性;(2)促進負載均衡;(3)便于節(jié)能方案設(shè)計。

        3.2 平臺即服務(wù)層關(guān)鍵技術(shù)分析

        平臺即服務(wù)層在核心服務(wù)層中處于中間位置,需同時滿足上層分布式編程框架和下層復(fù)雜數(shù)據(jù)調(diào)度管理的雙重需求,該層的技術(shù)重點在于數(shù)據(jù)的儲存與處理。

        1)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)分析

        就云計算平臺實際需求而言,其數(shù)據(jù)存儲需綜合考慮文件的可用性、可靠性要求,和系統(tǒng)I/O性能要求。以Google公司的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)GFS(google file system)為例,在其實際運行過程中,大文件被有效分為若干數(shù)量的數(shù)據(jù)塊,每塊數(shù)據(jù)塊具有統(tǒng)一的標準大小,分布存儲于節(jié)點對應(yīng)的本地硬盤中,且每一塊數(shù)據(jù)塊均具有多個副本,以確保數(shù)據(jù)存儲的可靠性。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于:一,數(shù)據(jù)存儲能力強,通過文件分塊,GFS可滿足PB級的存儲要求;二,并行讀取模式;三,可有效解決數(shù)據(jù)塊副本同步的簡化問題;四,數(shù)據(jù)存儲可靠性提升。

        2)數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析

        除數(shù)據(jù)存儲外,平臺即服務(wù)層還包括相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能,由于該平臺建立在大規(guī)模硬件資源上,故而其數(shù)據(jù)處理要求相應(yīng)的抽象處理過程,同時要求規(guī)模擴展功能。

        以Google公司的數(shù)據(jù)處理技術(shù)MapReduce為例,是一種建立在GFS之上運行的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在實際運行階段,可將完整的作業(yè)分解為多個Map任務(wù)及Reduce任務(wù),從而通過兩個階段的數(shù)據(jù)處理過程完整相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作。第一階段為Map階段,該階段主要讀取Map任務(wù),并完成相應(yīng)的處理,其中間結(jié)果通常保存在對于的Map節(jié)點中;第二階段為Reduce階段,讀取Reduce任務(wù)的同時,完成Map中間結(jié)果的合并。

        3.3 SaaS層關(guān)鍵技術(shù)分析

        SaaS層主要面向用戶終端服務(wù),負責(zé)互聯(lián)網(wǎng)軟件應(yīng)用服務(wù)的提供,在Web服務(wù)、Mashup、Ajax等技術(shù)飛速發(fā)展的背景下,帶動了SaaS應(yīng)用的迅猛發(fā)展。

        4 結(jié)語

        綜上所述,云計算是一種新型的信息技術(shù),具有彈性服務(wù)、資源池化、可計費服務(wù)、按需服務(wù)、泛在接入等特性。云計算體系架構(gòu)主要分為三層,具體包括服務(wù)管理、核心服務(wù)以及用戶訪問接口三部分內(nèi)容,分別對應(yīng)不同的服務(wù)功能。同時為進一步滿足不同用戶的實際使用需求,云計算廣泛應(yīng)用了虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)中心管理技術(shù)、QoS保障技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。目前,云計算還處于研究發(fā)展階段,針對其運行可靠性、可用性、成本經(jīng)濟性要求,仍需相關(guān)人員不斷進行探究,以促進云計算的進一步發(fā)展。

        參考文獻:

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