武警工程大學(xué) 馮 昊 鄒 濤 張龍軍

陜西省警衛(wèi)局 王 偉

云計算基礎(chǔ)架構(gòu)綜述

武警工程大學(xué) 馮 昊 鄒 濤 張龍軍

陜西省警衛(wèi)局 王 偉

云計算基礎(chǔ)架構(gòu)是云計算系統(tǒng)的重要組成部分。它通過資源虛擬化、分布式計算等技術(shù)為云計算系統(tǒng)搭建基礎(chǔ)運營環(huán)境并為上層云計算應(yīng)用提供存儲和計算能力。本文通過歸納分析對當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究成果進行了綜述。定義了云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，指出了云基礎(chǔ)架構(gòu)的特點，重點對云基礎(chǔ)架構(gòu)進行了理論抽象，得到了云基礎(chǔ)架構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，并對云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的主要實現(xiàn)技術(shù)進行了研究和分析，指出了其優(yōu)點及不足。最后對現(xiàn)云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

云計算；云基礎(chǔ)架構(gòu)；虛擬化技術(shù)；分布式存儲系統(tǒng)；并行編程模型

1.引言

自新千年IT業(yè)引入云計算概念以來，通過廣大的市場需求及雄厚的技術(shù)支持，大規(guī)模云計算系統(tǒng)已成為當(dāng)今IT業(yè)發(fā)展的主流。實現(xiàn)云計算的基礎(chǔ)是實現(xiàn)云計算系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)。一個云計算系統(tǒng)的優(yōu)秀與否，關(guān)鍵在于其基礎(chǔ)架構(gòu)是否能夠穩(wěn)定、高效地完成各項任務(wù)。本文試圖結(jié)合相關(guān)資料，對云基礎(chǔ)架構(gòu)及其效能進行分析、定義及具體闡述，為下一步研究提供有力參考。

2.云計算簡介

云計算的迅猛發(fā)展與廣大的市場需求和強大的技術(shù)支撐密切相關(guān)。首先，隨著IT業(yè)的迅猛發(fā)展，各IT運營商都形成了各自龐大的服務(wù)器集群。如何實現(xiàn)現(xiàn)有集群的重新整合以降低運維成本，提高效率成為運營商考慮的首要問題；另外，IT市場的迅猛發(fā)展也要求各運營商提供更加穩(wěn)定、快捷的服務(wù)。其次，分布式系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展完善，使得服務(wù)集群性能的快速提升成為可能。所以，在上述兩方面原因的相互作用下，云計算得到了前所未有的發(fā)展。

目前，不同公司對云計算有著不同的理解和實現(xiàn)方式。通過對現(xiàn)有云計算系統(tǒng)的分析及對相關(guān)資料的研究[1-5]，本文認為云計算是以商業(yè)需要為出發(fā)點，將數(shù)量龐大的服務(wù)器集群整合成為分布式的資源池，通過虛擬化技術(shù)、Web2.0技術(shù)將資源池強大的計算能力、存儲能力和構(gòu)建在其基礎(chǔ)之上的各類應(yīng)用以按需計費的形式從不同的層次（Infrastructure、Platform、Application）租賃給用戶的一種新型網(wǎng)絡(luò)運營模式。

由上述定義可得到云計算體系結(jié)構(gòu)如圖1。

由圖可知，云計算基礎(chǔ)架構(gòu)位于云計算系統(tǒng)的底層，它為云計算系統(tǒng)的出色運營提供了有力的支持。

3.云計算基礎(chǔ)架構(gòu)

3.1 云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的定義

目前，業(yè)界及學(xué)術(shù)界對云計算基礎(chǔ)架構(gòu)還沒有一個統(tǒng)一的定義利標準。各IT運營商均根據(jù)自身的實際情況，以各自的理解定義和實現(xiàn)云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的部署。解放軍理工大學(xué)教授劉鵬在其著作《云計算》中提出：云基礎(chǔ)架構(gòu)及管理層由數(shù)據(jù)中心與云基礎(chǔ)架構(gòu)、安全產(chǎn)品、基礎(chǔ)架構(gòu)和運營管理三大部分組成[3]。作為虛擬化技術(shù)的龍頭，Vmware公司在談到其云基礎(chǔ)架構(gòu)層產(chǎn)品時說道：云計算基礎(chǔ)架構(gòu)是指通過虛擬化技術(shù)將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)樵苹A(chǔ)架構(gòu)并在其之上創(chuàng)建云，將IT基礎(chǔ)架構(gòu)作為服務(wù)交付給客戶使用[6]。Lenk等人在其文章談及云計算基礎(chǔ)設(shè)施層時也指出：云基礎(chǔ)架構(gòu)可劃分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和資源集兩大部分，其中資源集可分為虛擬資源集和物力資源集；而基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)又分為高級基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、基本基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、計算服務(wù)、存儲服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[7]。

通過對現(xiàn)有云基礎(chǔ)架構(gòu)以及對相關(guān)文獻資料的研究，本文認為云計算基礎(chǔ)架構(gòu)是指由硬件資源（PC服務(wù)器、磁盤陣列、路由器、交換機及相關(guān)配套設(shè)備）組成，通過虛擬化技術(shù)、分布式并行技術(shù)整合形成的用以直接對外提供存儲、計算服務(wù)或作為基礎(chǔ)設(shè)施為上層云計算應(yīng)用提供存儲、計算能力支撐的一種高效、可靠并且具有良好擴展性的底層分布式系統(tǒng)。

3.2 云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的分類

通過分析研究現(xiàn)有云計算系統(tǒng)及相關(guān)[8-12]，本文認為云基礎(chǔ)架構(gòu)按照服務(wù)的對象可分為基礎(chǔ)型云基礎(chǔ)架構(gòu)和外向型云基礎(chǔ)架構(gòu)：基礎(chǔ)型云基礎(chǔ)架構(gòu)指主要向運系統(tǒng)上層提供計算、存儲資源服務(wù)的云基礎(chǔ)架構(gòu)，基礎(chǔ)型云基礎(chǔ)架構(gòu)的代表系統(tǒng)有：TFS、GFS、Cassandra、KIDC；外向型云基礎(chǔ)架構(gòu)指直接向用戶提供計算、存儲資源服務(wù)的云基礎(chǔ)架構(gòu)，外向型云基礎(chǔ)架構(gòu)的代表系統(tǒng)有：IBM Ensembles、Amazon EC2、Amazon S3、HyperCloud、Megastore。

3.3 云基礎(chǔ)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系

通過對當(dāng)前業(yè)界主流云基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)的分析和對相關(guān)學(xué)術(shù)成果的研究，可以看出云基礎(chǔ)架構(gòu)的作用是通過將物理資源轉(zhuǎn)化為虛擬資源池，實現(xiàn)對資源的監(jiān)控、調(diào)度和管理以達到為上層應(yīng)用和用戶提供彈性的計算和存儲資源的目的。云基礎(chǔ)架構(gòu)結(jié)構(gòu)框架如圖2。

由此本文將云基礎(chǔ)架構(gòu)分為以下五個層次：

1）物理層是指搭建、部署云基礎(chǔ)架構(gòu)所需的物理設(shè)備和配套環(huán)境。起作用時為云基礎(chǔ)架構(gòu)提供基本的物力資源，并保持物理設(shè)備的可靠性。

2）虛擬層是指通過虛擬化技術(shù)解除實現(xiàn)方式、地理位置或底層物理配置對計算機資源的限制，打破上層與物力資源之間的耦合關(guān)系，形成統(tǒng)一的虛擬資源。虛擬層的作用是為上層提供可靠且能夠靈活按需分配的虛擬資源。虛擬層由虛擬計算資源、虛擬存儲資源和虛擬網(wǎng)絡(luò)資源組成。

3）數(shù)據(jù)層是指對云基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)運行的客戶數(shù)據(jù)進行基本操作和管理的層次。數(shù)據(jù)層主要包含兩個部分，既數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理。

4）管理層是整個云基礎(chǔ)架構(gòu)中的一個抽象層次。它對云基礎(chǔ)架構(gòu)的各類資源進行監(jiān)控，根據(jù)實際負載狀況對資源進行管理和調(diào)度并且根據(jù)上層需求對資源進行快速部署，以保證云基礎(chǔ)架構(gòu)高效運行。云基礎(chǔ)架構(gòu)管理層主要由資源監(jiān)控、負載管理、資源部署和安全管理四個部分組成。

5）服務(wù)層是指為上層云計算應(yīng)用調(diào)用云基礎(chǔ)架構(gòu)計算、存儲資源預(yù)留的接口和對用戶使用云基礎(chǔ)架構(gòu)計算、存儲資源提供的交互界面。服務(wù)層對云基礎(chǔ)架構(gòu)效能的影響體現(xiàn)在服務(wù)層各類接口的通用性上。因為服務(wù)層接口與上層的松耦合性能夠減小底層云基礎(chǔ)架構(gòu)對上層應(yīng)用的限制，從而提高云基礎(chǔ)架構(gòu)自身的可用性。

到了小學(xué)階段，除了孩子的安全問題，家長們開始關(guān)注孩子的學(xué)習(xí)情況，而老師更注重孩子學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。老師可以在班級群發(fā)布學(xué)習(xí)信息，分享教育方法等。但個別老師會在班級群里給家長發(fā)布一些模糊教師職責(zé)與家長職責(zé)的任務(wù)，如監(jiān)督孩子寫作業(yè)，幫孩子批改、訂正作業(yè)等。這也是目前小學(xué)班級群易受抨擊的原因之一。

3.4 云基礎(chǔ)架構(gòu)實現(xiàn)的主要技術(shù)

3.4.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是表示計算機資源的一種抽象方法。通過虛擬化，可以簡化基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)和軟件等計算機資源的表示、訪問和管理，并為這些資源提供標準的接口來接受輸入和提供輸出[2]。通過虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)在一臺服務(wù)器上運行多個虛擬機，從而提供服務(wù)器的效率。由于絕大部分PC產(chǎn)品均屬于X86架構(gòu)，所以本文論述的虛擬化技術(shù)主要指X86架構(gòu)的虛擬化技術(shù)。當(dāng)前X86虛擬化技術(shù)的主流產(chǎn)品是VMware的VMware vSphere。

vSphere主要用于服務(wù)器的虛擬化，即在一臺物理服務(wù)器上運行多臺虛擬機，以次達到服務(wù)器整合和優(yōu)化的目的。vSphere的核心是ESX架構(gòu)，它可分為兩部分：Service Console和VMKernel。其中前者提供管理服務(wù)，后者提供虛擬化能力。

隨著虛擬化技術(shù)在云計算中發(fā)展中的作用越來越重要，對虛擬化技術(shù)的研究也成為熱點。對虛擬資源的管理便是熱點之一，[13]提出將VM模型集成到資源管理框架里，利用兩極調(diào)度將VM的管理集成至批調(diào)度器里，以次為用戶提供調(diào)度服務(wù)。

當(dāng)前如Amazon EC2等云計算產(chǎn)品大多是以虛擬機的形式為用戶提供計算能力，但對于虛擬機的具體配置，需要用戶手動完成，因此虛擬化技術(shù)在自適應(yīng)方面還需要進一步研究。

3.4.2 分布式存儲系統(tǒng)

隨著IT業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)上交易、網(wǎng)上檢索等系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)量越來越大。如何利用最低的資源成本創(chuàng)造最高的運行效率成為各大運營商考慮的首要問題。因此研發(fā)人員開發(fā)完成了一系列分布式存儲系統(tǒng)，為云計算提供了強有力的后盾。

分布式存儲系統(tǒng)研發(fā)目的是為云基礎(chǔ)架構(gòu)提供高效、海量的數(shù)據(jù)存儲能力。各大運營商在搭建自己的云基礎(chǔ)架構(gòu)前都會開發(fā)自己的分布式存儲系統(tǒng)如Google的GFS分布式文件系統(tǒng)。Google的GFS（Google File System）[14]是Google研發(fā)完成的作用于底層的分布式文件系統(tǒng)。GFS的作用是為大規(guī)模分布式應(yīng)用系統(tǒng)提供強大的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。GFS的核心設(shè)計思路是將系統(tǒng)故障當(dāng)作一種常態(tài)來處理，實現(xiàn)這一思路的技術(shù)主要是提供多個副本進行操作。在接口方面GFS除提供基本的Creat、Delete、Open、Close、Read、Write外還提供Snapshot和記錄追加兩項操作。Snapshot以最低的開銷創(chuàng)建一個文件或目錄副本，記錄追加則保證多客戶同時對文件進行數(shù)據(jù)追加時的原子性和正確性。

GFS含有一個主控服務(wù)器（Master）和多個塊服務(wù)器（Chunk Server）。一份文件由外圍設(shè)備經(jīng)接口，會被分為有限個數(shù)據(jù)塊（每個數(shù)據(jù)塊64MB）。此外，每個數(shù)據(jù)塊都會產(chǎn)生一個元數(shù)據(jù)（<64MB），元數(shù)據(jù)包含文件和塊的命名空間、文件到塊的映射信息、塊副本的位置信息[1]。主控服務(wù)器主要負責(zé)存儲、管理和維護各數(shù)據(jù)塊的元數(shù)據(jù)，并負責(zé)管理、調(diào)度個塊服務(wù)器。塊服務(wù)器（Chunk Server）存儲數(shù)據(jù)塊并且負責(zé)數(shù)據(jù)塊的維護、管理及更新。此外每個數(shù)據(jù)塊擁有3個副本（任意一個由契約[16]自動設(shè)置為主副本，主副本負責(zé)帶領(lǐng)剩余兩個副本快速完成數(shù)據(jù)修改。）分別存儲在不同的節(jié)點以應(yīng)付突發(fā)事件。當(dāng)外圍設(shè)備調(diào)用文件時可將文件名及文件所屬數(shù)據(jù)塊傳發(fā)給主控服務(wù)器進行檢索，主控服務(wù)器根據(jù)元數(shù)據(jù)檢索找到數(shù)據(jù)塊的地址，而后將塊控制權(quán)限和塊地址發(fā)給外圍設(shè)備。外圍設(shè)備收到信息后直接與塊所屬的塊服務(wù)器進行交互完成數(shù)據(jù)的讀取。

當(dāng)前分布式存儲系統(tǒng)已成為云基礎(chǔ)架構(gòu)重要組成之一。在學(xué)術(shù)界，對分布式存儲系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點。[11]提出并實現(xiàn)了一種對等結(jié)構(gòu)分布式存儲系統(tǒng)NDSS，該系統(tǒng)取消了類似GFS中主控服務(wù)器的中心節(jié)點，而是利用分布式共享內(nèi)存（DSM，Distributed Shared Memory）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性模塊，利用分布式共享位圖（DSB，Distributed Shared Bitmap）限制了多個節(jié)點對信息的同時訪問，解決了同步訪問控制問題。以此在對等節(jié)點中完成了中心節(jié)點的主要功能。從測試結(jié)果看，NDSS系統(tǒng)的整體性能優(yōu)于有中心節(jié)點的YNS系統(tǒng)[10]。

圖1 云計算體系結(jié)構(gòu)

圖2 云基礎(chǔ)架構(gòu)結(jié)構(gòu)框架

目前，云基礎(chǔ)架構(gòu)中著名的分布式存儲系統(tǒng)還有Google的Bigtable分布式存儲系統(tǒng)和Amazon的Dynamo分布式數(shù)據(jù)存儲中心[11]等。它們雖然為云基礎(chǔ)架構(gòu)提供了強大的動力，但仍有改進之處。

3.4.3 并行編程模型

并行編程模型是云計算中的一個重要概念。它是指系統(tǒng)為高效并行處理海量數(shù)據(jù)而設(shè)定的一組數(shù)據(jù)處理規(guī)則。研發(fā)人員為了解決輸入數(shù)據(jù)的并行計算、分發(fā)數(shù)據(jù)等問題提出了并行編程模型的概念。

MapReduce是Google公司開發(fā)的一種新的抽象模型，也是當(dāng)前起主導(dǎo)作用的編程模型。它的設(shè)計思路來源于函數(shù)式編程語言的映射和簡化操作[1]。MapReduce的核心思想是將數(shù)據(jù)邏輯列表通過Map函數(shù)處理成為鍵值對集（），經(jīng)過排序?qū)⒕哂邢嗤琄ey值的鍵值對放在一起后通過Reduce函數(shù)將具有相同Key值的鍵值對的Value值進行合并。

當(dāng)前對并行編程模型的研究大多以在MapReduce的基礎(chǔ)上提出改進方案為主。在文獻[15]中。Zaharia等人根據(jù)MapReduce建立在系統(tǒng)同構(gòu)的假設(shè)基礎(chǔ)上，提出了LATE（Longest Approximate Time to End）調(diào)度算法。通過新型調(diào)度算法的改進使得MapReduce在異構(gòu)環(huán)境下運行。

雖然現(xiàn)行并行編程模型為云計算提供了強大的技術(shù)支持，在某些具體情況的適用性上還需進一步的完善。

4.結(jié)論與展望

當(dāng)前對云基礎(chǔ)架構(gòu)的研究主要集中在業(yè)界IT運營商，在學(xué)術(shù)界對云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的研究主要集中在單個技術(shù)性能的改進與提高上，明確提出云計算基礎(chǔ)架構(gòu)概念，并進行整體性理論分析研究相對較少。本文通過分析研究現(xiàn)有云計算基礎(chǔ)架構(gòu)實例及相關(guān)文獻資料，提出了云計算基礎(chǔ)架構(gòu)定義，指出：云計算基礎(chǔ)架構(gòu)是指由硬件資源（PC服務(wù)器、磁盤陣列、路由器、交換機及相關(guān)配套設(shè)備）組成，通過虛擬化技術(shù)、分布式并行技術(shù)整合形成的用以直接對外提供存儲、計算服務(wù)或作為基礎(chǔ)設(shè)施為上層云計算應(yīng)用提供存儲、計算能力支撐的一種高效、可靠并且具有良好擴展性的底層分布式系統(tǒng)。根據(jù)云計算基礎(chǔ)架構(gòu)定義，預(yù)計在今后的一段時間內(nèi)，對云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的研究會朝著以下幾個方面進行：

1）更加高效的數(shù)據(jù)交互體驗。云計算基礎(chǔ)架構(gòu)為上層應(yīng)用提供存儲與計算能力，在此過程中必然會存在基于請求的數(shù)據(jù)交互過程。而數(shù)據(jù)交互的速度會直接影響用戶對云計算應(yīng)用的操作體驗。所以對高效的數(shù)據(jù)交互地研究會成為未來云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的研究重點。

2）更穩(wěn)定的系統(tǒng)運行過程。云計算基礎(chǔ)架構(gòu)位于云計算系統(tǒng)的底層，其運行的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個云計算系統(tǒng)的運作。盡管當(dāng)前已有多種技術(shù)手段（資源監(jiān)控技術(shù)、同步復(fù)制技術(shù)，心跳檢測技術(shù)等）來確保云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的穩(wěn)定性。但是這些技術(shù)手段任然存在自身消耗資源過大、檢測周期與負載變化不適應(yīng)等問題。而這些問題也會在今后的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的研究中得到解決。所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性也將是云計算基礎(chǔ)架構(gòu)研究的重點之一。

3）更靈活的系統(tǒng)擴展。隨著數(shù)據(jù)量的增加，云計算基礎(chǔ)架構(gòu)不得不面臨系統(tǒng)擴展的問題。而實時變化的數(shù)據(jù)交互量，使得云計算基礎(chǔ)架構(gòu)在擴展的同時更加注重擴展的靈活性。系統(tǒng)的擴展意味著資源的擴充，而系統(tǒng)擴展后的資源合理分配是體現(xiàn)靈活系統(tǒng)擴展的重要部分。當(dāng)前盡管各類云基礎(chǔ)架構(gòu)都在努力統(tǒng)一和規(guī)范各自系統(tǒng)擴展接口并改進資源分配方式，但資源分配是否能夠與負載變化同步依然是問題的實質(zhì)和仍未解決的問題。而這也是云計算發(fā)展的基本出發(fā)點和立足點。所以，靈活的系統(tǒng)擴展能力是云計算基礎(chǔ)架構(gòu)未來的重要研究方向。

綜上所述，云計算基礎(chǔ)架構(gòu)是一個具有現(xiàn)實意義并充滿挑戰(zhàn)的新興領(lǐng)域，它的發(fā)展將對云計算發(fā)展產(chǎn)生巨大的推進作用，而云計算基礎(chǔ)架構(gòu)也會在未來的發(fā)展中扮演越來越重要的角色。

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武警工程大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(wjy201111)；研究生創(chuàng)新科研工程課題(2012S023)。

馮昊（1987—），男，仡佬族，貴州貴陽人，武警工程大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究方向：通信安全、計算機網(wǎng)絡(luò)、云計算。

鄒濤（1961—），男，陜西西安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：軍事通信。

張龍軍（1961—），男，陜西西安人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信息安全。

王偉（1967—），男，陜西西安人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于陜西省警衛(wèi)局，主要研究方向：通信安全。