鄭逸凡

摘要：云計(jì)算是一種全新的計(jì)算資源分配模式，用戶可以通過終端按需使用服務(wù)器的計(jì)算資源。云端計(jì)算資源需要被池化才能供眾多用戶使用，用戶在使用云端資源時(shí)并不知道服務(wù)器的具體地理位置。建設(shè)具體的云端環(huán)境時(shí)到底需要使用什么技術(shù)，這與終端的用戶緊密關(guān)聯(lián)，不同的終端用戶類型決定了云端的組建技術(shù)也是不同的。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;虛擬機(jī);負(fù)載均衡

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0037-03

云計(jì)算的核心在于云端，必須根據(jù)用戶的需求，彈性分配計(jì)算資源。當(dāng)用戶的請(qǐng)求增多時(shí)，云端可以相應(yīng)的增加服務(wù)器，擴(kuò)充計(jì)算能力;當(dāng)用戶需要的計(jì)算資源減少時(shí)，云端可以自動(dòng)讓多余的服務(wù)器處于休眠狀態(tài)，降低能源消耗。云端是運(yùn)行各種軟件來完成相應(yīng)任務(wù)的地方，云端采用的技術(shù)與任務(wù)的大小有關(guān)，大型任務(wù)需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成一個(gè)集群來完成，小型任務(wù)只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的某個(gè)虛擬機(jī)來完成。

1 云布局

網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間是衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是否順暢的重要標(biāo)志，對(duì)于實(shí)時(shí)性交互要求高的軟件來說，云端到終端的網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間應(yīng)該控制在100毫秒以內(nèi)，超出這個(gè)時(shí)間，用戶的體驗(yàn)就會(huì)降低[1]。減小網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間的方法是減少終端與云端網(wǎng)絡(luò)路徑上的節(jié)點(diǎn)數(shù)或者提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)速度，把云端建在網(wǎng)絡(luò)延遲小的地方是一種云布局解決方案。比如，在大城市建設(shè)存儲(chǔ)云，專門存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù);在各個(gè)省會(huì)城市建設(shè)中等規(guī)模的云端分部，其主要作用是計(jì)算，數(shù)據(jù)依然保存在存儲(chǔ)云中;在地級(jí)市建設(shè)小型云端支部，負(fù)責(zé)本地區(qū)的計(jì)算任務(wù)。還有一種類似的解決方案是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱CDN，用戶可以就近訪問所需的內(nèi)容，用戶體驗(yàn)好，傳輸成本低，一個(gè)基本的CDN網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2 存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算的本質(zhì)是把服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備以及各種軟件轉(zhuǎn)化為服務(wù)產(chǎn)品，用戶通過網(wǎng)絡(luò)在線使用這些產(chǎn)品及服務(wù)，這里的存儲(chǔ)一方面是指虛擬內(nèi)存的組成部分，另一方面指的是軟件和數(shù)據(jù)的存放場(chǎng)所[2]。讓CPU和存儲(chǔ)分離可以實(shí)現(xiàn)共享存儲(chǔ)，便于計(jì)算機(jī)資源橫向伸縮，目前能實(shí)現(xiàn)共享存儲(chǔ)的技術(shù)有FC、FCoE、iSCSI、NFS、CIFS等，前三個(gè)是磁盤塊共享技術(shù)，后兩個(gè)是文件共享技術(shù)。

云端主要采用的存儲(chǔ)技術(shù)是分布式存儲(chǔ)，通過分布式文件系統(tǒng)把多臺(tái)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)資源整合成一個(gè)大的存儲(chǔ)空間。對(duì)于每一臺(tái)具體的計(jì)算機(jī)而言，既有直接插在主板上的直接存儲(chǔ)，又有通過網(wǎng)絡(luò)連接的外部存儲(chǔ)，服務(wù)器存儲(chǔ)局域網(wǎng)（Server SAN）逐漸在各個(gè)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中起到重要的作用，例如Ceph分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)就屬于Server SAN，已經(jīng)被很多數(shù)據(jù)中心采用。

3 虛擬化與容器技術(shù)

虛擬化是云計(jì)算的重要技術(shù)，主要用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等物理資源的池化，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的彈性分配[3]。對(duì)于不支持邏輯分區(qū)的計(jì)算機(jī)來說，可以通過安裝VMware等虛擬化軟件來模擬多臺(tái)計(jì)算機(jī)，這些模擬的計(jì)算機(jī)稱為虛擬機(jī)，用戶可以在虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，可以給虛擬機(jī)配置CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡等資源。隨著多核CPU計(jì)算機(jī)的發(fā)展，鑒于其本身支持虛擬化，軟件開發(fā)商可以直接開發(fā)出能運(yùn)行在裸機(jī)上的虛擬化層軟件，如微軟的Windows Hyper-v 2012、思杰的XenServer、EMC的ESXi 6、紅帽的RHEV-H等，然后在虛擬化軟件層上直接創(chuàng)建更多的虛擬機(jī)。

容器技術(shù)是在操作系統(tǒng)層上創(chuàng)建容器，這些容器共享操作系統(tǒng)的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)等資源，但是每個(gè)容器可以獨(dú)立設(shè)置自己的CPU、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)絡(luò)容量，具備單獨(dú)的IP地址和操作系統(tǒng)管理員賬戶，容器可以關(guān)閉和重啟。虛擬機(jī)的隔離效果比容器技術(shù)好，在安全性要求較高的云端平臺(tái)中，虛擬機(jī)的使用率要高于容器，而在安全性要求不高的場(chǎng)合，容器技術(shù)逐漸成為開發(fā)者的首選。虛擬機(jī)與容器技術(shù)的區(qū)別如圖2所示。

4 負(fù)載均衡

云計(jì)算是用戶通過網(wǎng)絡(luò)連接到云端并使用里面的資源，這里面涉及到三個(gè)方面：一是用戶數(shù)眾多，二是云端的服務(wù)器有很多，三是終端與云端之間的網(wǎng)絡(luò)連接也存在多條[4]。負(fù)載就是任務(wù)，如何把眾多用戶的任務(wù)請(qǐng)求合理地分發(fā)到云端的各個(gè)服務(wù)器進(jìn)行處理，就是負(fù)載均衡所要解決的問題。常見的負(fù)載均衡策略有：

（1）讓喚醒的服務(wù)器盡可能多地處理終端的請(qǐng)求;

（2）使每臺(tái)服務(wù)器消耗的計(jì)算資源占比盡可能相等，如果云端服務(wù)器的硬件配置相同，那么本策略將會(huì)使終端的請(qǐng)求平均地分配到各個(gè)服務(wù)器;

（3）讓執(zhí)行相同任務(wù)的請(qǐng)求盡可能地分配到相同的服務(wù)器，比如同一個(gè)業(yè)務(wù)部門的任務(wù)一般都大同小異，把該部門的請(qǐng)求都分配給同一臺(tái)服務(wù)器，可以節(jié)約服務(wù)器內(nèi)存;

（4）同一個(gè)終端的請(qǐng)求盡可能地分配到同一個(gè)臺(tái)服務(wù)器，這樣可以減少服務(wù)器的切換次數(shù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。

5 集群

對(duì)于大型任務(wù)，只靠一臺(tái)服務(wù)器無法完成時(shí)，就需要把大型任務(wù)拆分成若干個(gè)中小型任務(wù)，然后把這些任務(wù)逐個(gè)分配給某一臺(tái)服務(wù)器協(xié)同完成，這就是集群所要解決的問題。對(duì)用戶來說，很多臺(tái)服務(wù)器組成的集群相當(dāng)于一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，不管是中小型任務(wù)還是大型任務(wù)，都能夠很快得到解決。一臺(tái)具備集群計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)價(jià)格十分昂貴，而一臺(tái)PC服務(wù)器的價(jià)格卻越來越便宜，因此云端一般采用大量廉價(jià)的PC服務(wù)器組成一個(gè)集群來實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算。

集群涉及兩個(gè)技術(shù)：一是任務(wù)的拆分，二是任務(wù)的調(diào)度。任務(wù)的拆分關(guān)鍵是降低各個(gè)子任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，從而提高任務(wù)執(zhí)行的并行效率。任務(wù)的調(diào)度主要是把拆分出來的子任務(wù)合理地調(diào)度給云端服務(wù)器，從而協(xié)同完成總體任務(wù)。集群是一個(gè)系統(tǒng)工程，這里面涉及到一系列的基礎(chǔ)算法，比如選舉算法、波算法、快照、一致性算法等。目前比較著名的集群系統(tǒng)Hadoop，它就是負(fù)責(zé)分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)算法，在Hadoop上編寫分布式程序就比較容易了。一個(gè)簡(jiǎn)易的Hadoop集群如圖3所示。

6 用戶隔離

用戶隔離是指當(dāng)用戶通過終端登錄云端時(shí)，該用戶的操作行為和數(shù)據(jù)對(duì)于其他用戶來說是不可見的，這里面涉及到兩個(gè)方面的隔離，一個(gè)是用戶行為的隔離，另一個(gè)是用戶數(shù)據(jù)的隔離。用戶操作計(jì)算機(jī)的行為是通過消耗服務(wù)器資源來體現(xiàn)的，一個(gè)用戶占用計(jì)算資源的變化，其他用戶是感知不到的?，F(xiàn)代的云計(jì)算服務(wù)廠商基本都是按照用戶的實(shí)際使用量來分配計(jì)算資源，但不超過用戶購買的資源上限。用戶數(shù)據(jù)一般保存在數(shù)據(jù)庫中，對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)隔離有三種方法：一是分離數(shù)據(jù)庫，二是共享數(shù)據(jù)庫但分離表、視圖等元素，三是共享數(shù)據(jù)庫和表、視圖等元素。

7 統(tǒng)一身份認(rèn)證

云端有很多應(yīng)用系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都需要用戶登錄后使用，如果在每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中都進(jìn)行一次身份驗(yàn)證，將極大地降低云端的服務(wù)性能，統(tǒng)一身份認(rèn)證就是用來解決這類問題的。云端專門設(shè)置了一臺(tái)或若干臺(tái)身份認(rèn)證服務(wù)器，當(dāng)用戶使用云端資源時(shí)會(huì)首先向這些身份認(rèn)證服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，如果驗(yàn)證通過則用戶會(huì)收到一個(gè)認(rèn)證通過的標(biāo)識(shí)，以后該用戶訪問云端的其他應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)只需要確認(rèn)一下該用戶是否擁有身份認(rèn)證通過的標(biāo)識(shí)，如果有則允許訪問，這樣就實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的身份認(rèn)證，提高了服務(wù)器的處理效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃旭.云計(jì)算環(huán)境下的分布存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)探究[J].通訊世界，2020，27（5）：110-111.

[2] 張志镕.云計(jì)算技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（6）：47.

[3] 彭新玉.基于軟件定義的可虛擬化未來網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化[J].電子世界，2020（9）：5-6.

[4] 張琦.云計(jì)算及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2019，45（24）：44.