左保河,羅 璇
(華南理工大學(xué)軟件學(xué)院,廣東 廣州 510006)
作為世界上擁有最多服務(wù)器的谷歌,自從其101項(xiàng)目[1]以來(lái),隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)非本地資源服務(wù)的計(jì)算服務(wù)條件的成熟,為了達(dá)到方便協(xié)同地提供各種服務(wù),“云計(jì)算”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算是從PC應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一次技術(shù)變革。云計(jì)算即為新的Web 2.0,它的核心思想是將大量的網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理調(diào)度,構(gòu)成一個(gè)資源集合,以服務(wù)于用戶,它是數(shù)據(jù)共享與服務(wù)共享計(jì)算模式的結(jié)合體[2]。狹義地講,云計(jì)算是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易于擴(kuò)展方式使用IT基礎(chǔ)設(shè)施資源的模式;廣義地講是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易于擴(kuò)展方式使用交付的服務(wù)模式。
IBM 技術(shù)白皮書“Cloud Computing”[3]中對(duì)云計(jì)算進(jìn)行定義:“云計(jì)算用來(lái)同時(shí)描述一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)或一種類型的應(yīng)用程序。云計(jì)算平臺(tái)按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)的部署(Provision)、配置(Configuration)、重新配置(Reconfigure)以及取消服務(wù)(Deprovision)。云計(jì)算是并行運(yùn)算(Parallel Computing)、分布式計(jì)算(Distributed Computing)及網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展[4],是一種商業(yè)實(shí)現(xiàn),它是虛擬化(Virtualization)、效用計(jì)算(Utility Computing)[5]的綜合?!?/p>
可以說(shuō)云計(jì)算是從網(wǎng)格技術(shù)的思想上進(jìn)化而來(lái),卻又帶著自身的獨(dú)特性。網(wǎng)格計(jì)算[6]即分布式計(jì)算,把一個(gè)需求巨大計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成許多程序段,然后把這些程序段分配給許多計(jì)算機(jī)處理,最后綜合這些計(jì)算結(jié)果得到最終結(jié)果。網(wǎng)格計(jì)算強(qiáng)調(diào)資源共享,任何人可以使用或貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)資源,它把工作量轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程可用計(jì)算資源上;云計(jì)算吸取網(wǎng)格計(jì)算的思想精髓,其強(qiáng)調(diào)專有,由少數(shù)團(tuán)體提供專有資源,使用者不需要貢獻(xiàn)自己資源,云計(jì)算包含了以軟件作為服務(wù)的應(yīng)用、網(wǎng)格計(jì)算以及虛擬化技術(shù)。
(1)需求是動(dòng)力:IT設(shè)施成為社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施,現(xiàn)在面臨高成本的瓶頸,云計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生,用戶不需要專業(yè)的IT團(tuán)隊(duì),不要購(gòu)買、維護(hù)、安放有形的IT產(chǎn)品,降低了成本,提高了效率,快捷地使用IT服務(wù),同時(shí)提高軟件、硬件、人力等資源的利用率。
(2)技術(shù)是基礎(chǔ):云計(jì)算自身核心技術(shù)的發(fā)展,如硬件技術(shù)、虛擬化技術(shù)、海量存儲(chǔ)技術(shù)、分布式并行計(jì)算、多用戶構(gòu)架。這種技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了應(yīng)用。
此背景下,在Google、IBM、微軟等IT巨頭的帶動(dòng)下,逐步形成了云計(jì)算的商業(yè)模式,以網(wǎng)絡(luò)為中心和以服務(wù)為產(chǎn)品形態(tài),按需使用和付費(fèi)。
(1)超大規(guī)模:各大公司具有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的服務(wù)器,形成了強(qiáng)大的計(jì)算能力。其規(guī)??梢詣?dòng)態(tài)伸縮的,邊界是模糊的。
(2)虛擬化:支持用戶隨時(shí)隨地用各種網(wǎng)絡(luò)終端獲取服務(wù)。減少設(shè)備依賴,虛擬化層把云平臺(tái)上方的應(yīng)用軟件和下方基礎(chǔ)設(shè)施隔離開(kāi),設(shè)備維護(hù)和軟件更新分離。
(3)按需彈性服務(wù):云是個(gè)龐大資源池,用戶可以按照需求通過(guò)云平臺(tái)的管理,將整合的計(jì)算資源根據(jù)應(yīng)用訪問(wèn)的具體情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
(4)性價(jià)比高:云的特殊的容錯(cuò)措施使得可以采用低價(jià)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成云,其公共性和通用性使資源利用率大幅提升。
(5)云計(jì)算達(dá)到了兩個(gè)分布式計(jì)算的目標(biāo):可拓展性和高可用性??赏卣剐员磉_(dá)了云計(jì)算能夠無(wú)縫地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模集群之上,甚至包括數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處理。高可用性代表了云使用數(shù)據(jù)多容錯(cuò)性、計(jì)算節(jié)點(diǎn)可換等措施來(lái)保障服務(wù),云的規(guī)??梢詣?dòng)態(tài)伸縮,滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需求。
云計(jì)算現(xiàn)在應(yīng)用在3個(gè)方面:將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)IaaS(Infrastructure as a Service),將平臺(tái)作為服務(wù)PaaS(Platform as a Service)和將軟件作為服務(wù)SaaS(Software as a Service)。
SaaS服務(wù)是提供商部署應(yīng)用軟件在服務(wù)器上,用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訂購(gòu),便可以直接通過(guò)瀏覽器使用。這種服務(wù)方便快捷,無(wú)需對(duì)系統(tǒng)或環(huán)境做過(guò)多改變。
PaaS服務(wù)是客戶將自己的應(yīng)用程序部署到云基礎(chǔ)設(shè)施上,客戶無(wú)法管理和控制底層云基礎(chǔ)設(shè)施,但可以控制云端應(yīng)用程序及其環(huán)境配置。缺點(diǎn)是缺少了互操作性和可移植性。
IaaS服務(wù)是廠商把多臺(tái)服務(wù)器組成云端基礎(chǔ)設(shè)施,作為計(jì)量服務(wù)提供給客戶。具有代表的是Google Docs(類似微軟Office在線辦公軟件,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分享并設(shè)置共享權(quán)限),Google APP(企業(yè)應(yīng)用套件,處理企業(yè)級(jí)龐大信息量,方便快捷地與客戶合作伙伴溝通協(xié)作)。
現(xiàn)階段云計(jì)算主要應(yīng)用在科學(xué)領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域。特別是在商業(yè)應(yīng)用上,云計(jì)算有公共云(Public Cloud),企業(yè)內(nèi)部使用的私有云(Private Cloud),商業(yè)使用的企業(yè)云(Enterprise Cloud)。公共云,即在互聯(lián)網(wǎng)上將云服務(wù)公開(kāi)免費(fèi)給大眾使用,其方便訪問(wèn)、具備彈性伸縮性、節(jié)約資源并與硬件無(wú)關(guān)。私有云是導(dǎo)入企業(yè)內(nèi)部使用,主要解決企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全高要求問(wèn)題。企業(yè)云是專門應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)云系統(tǒng),主要用來(lái)處理客戶關(guān)系、人力資源管理、維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)等。商業(yè)模式還分為保護(hù)服務(wù)模式和合作模式。服務(wù)模式是針對(duì)用戶而言,主要研究云計(jì)算在逐步的商用過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。合作模式是針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈合作而言,主要研究為搭建合理有序的云計(jì)算產(chǎn)業(yè)所能夠采取的合作模式。
1.云計(jì)算體系包括物理資源層、資源池層、管理中間件層和SOA(Service-Oriental Architecture,面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))。其中,物理資源層包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件等。資源池層是將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源集合。管理中間層負(fù)責(zé)資源管理、任務(wù)管理、用戶管理、安全管理。SOA是將應(yīng)用程序的不同功能單元通過(guò)這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來(lái)。
2.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)。
(1)虛擬化技術(shù)[7]:VMware Infrastructure,其特點(diǎn)是通過(guò)服務(wù)器整合,表示上虛擬化來(lái)降低IT成本、提高靈活性、減少停機(jī)以改進(jìn)業(yè)務(wù)連續(xù)性。智能運(yùn)行較少的服務(wù)器并動(dòng)態(tài)關(guān)閉不使用的服務(wù)器,達(dá)到計(jì)算節(jié)點(diǎn)透明和任務(wù)透明的效果。
虛擬化架構(gòu)安全離不開(kāi)可信計(jì)算??尚庞?jì)算的主要思想是在終端產(chǎn)品(如PC機(jī))上引入安全芯片,即構(gòu)建可信計(jì)算平臺(tái)(TPM)將可信根(為度量、存儲(chǔ)、報(bào)告用的可信根)植入TPM,并從BIOS、Loader到操作系統(tǒng)內(nèi)核層,再到應(yīng)用層都構(gòu)建信任關(guān)系,建立相應(yīng)的信任鏈;推出可信終端(如可信PC),當(dāng)終端受到攻擊時(shí),可實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)、自我管理和自我恢復(fù)。
(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù):滿足大量用戶使用需求,具有分布式、高吞吐率和高傳輸率等特征。它是云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ),在云計(jì)算中處于基礎(chǔ)核心地位。例如Google的GFS(Google File System)(非開(kāi)源)和HDFS(Hadoop Distributed File System)(開(kāi)源)都在廣泛地被應(yīng)用。
(3)資源管理技術(shù)[8]:合理進(jìn)行資源優(yōu)化配置,提高數(shù)據(jù)的更新率和隨機(jī)讀取速率。
(4)分布式編程和計(jì)算:在保證后臺(tái)復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度上使得編程模型簡(jiǎn)單化,當(dāng)前Map-Reduce模型有Map(映射)階段和Reduce(化簡(jiǎn))階段。
(5)虛擬資源管理調(diào)度:融合物理資源形成資源池,通過(guò)資源管理器對(duì)池內(nèi)資源調(diào)度。
由于云計(jì)算應(yīng)用的無(wú)邊界性、流動(dòng)性導(dǎo)致新的安全問(wèn)題。云平臺(tái)采用虛擬化技術(shù)配置資源,進(jìn)行安全性部署;根據(jù)海量用戶身份差異,提供身份標(biāo)識(shí),建立授權(quán)機(jī)制;基于用戶對(duì)自身敏感數(shù)據(jù)高安全的需求,提供面向用戶的安全隱私保障;基于云計(jì)算高可用性,建立數(shù)據(jù)容錯(cuò)備份機(jī)制和服務(wù)故障診斷及恢復(fù)機(jī)制。從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?不竊取、不泄露、合法認(rèn)證)[9],數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性(位置明確、相互隔離、便于遷移和災(zāi)難恢復(fù))。
云安全(Cloud Security)是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代信息安全新體現(xiàn),融合了并行處理、網(wǎng)格計(jì)算、未知病毒行為判斷等新興技術(shù)和概念,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的大量客戶端對(duì)網(wǎng)絡(luò)中軟件行為的異常監(jiān)測(cè),獲取互聯(lián)網(wǎng)中木馬、惡意程序的最新信息,推送到Server端進(jìn)行自動(dòng)分析和處理,再把病毒和木馬的解決方案分發(fā)到每一個(gè)客戶端。識(shí)別和查殺病毒不僅僅是依靠本地硬盤中的病毒庫(kù),而是依靠龐大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),實(shí)時(shí)進(jìn)行采集分析和處理,整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)形成一個(gè)整體殺毒系統(tǒng),參與者越多就越安全。
其中密鑰存儲(chǔ)設(shè)備服務(wù)的“安全服務(wù)品質(zhì)協(xié)議”的制定、交付驗(yàn)證、第三方檢驗(yàn)等,逐漸發(fā)展形成一種新型的技術(shù)體系與管理體系。
Google云計(jì)算平臺(tái)[10]業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量巨大,面向全球用戶提供實(shí)時(shí)服務(wù)。Google云技術(shù)包括:Google分布式文件系統(tǒng)(GFS),提供海量?jī)?chǔ)存和訪問(wèn)能力;分布式計(jì)算編程模型MapReduce,使海量信息并行處理簡(jiǎn)單便捷;分布式鎖機(jī)制 Chubby[11];分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable[12]進(jìn)行海量數(shù)據(jù)管理和組織;分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)Megastore實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和NoSQL間巧妙融合。
Google云計(jì)算平臺(tái)整體架構(gòu)包括:(1)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。外部網(wǎng)絡(luò)(Exterior Network)、運(yùn)營(yíng)商的骨干網(wǎng)和Google自己搭建的不同地區(qū)的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò);內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Interior Network)連接各個(gè)Google自建的數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(2)硬件系統(tǒng)。單個(gè)服務(wù)器,整合了多服務(wù)器機(jī)架和存放連接各個(gè)服務(wù)器機(jī)架的數(shù)據(jù)中心(IDC)。(3)軟件系統(tǒng)。(4)軟件開(kāi)發(fā)工具C++、Java等。(5)具體應(yīng)用軟件。
Google文件系統(tǒng)GFS[13]是一個(gè)大型分布式文件系統(tǒng),提供海量存儲(chǔ),非開(kāi)源系統(tǒng)。GFSII Cell是Google文件系統(tǒng)最基礎(chǔ)的模塊,所有文件盒數(shù)據(jù)都要利用這種底層模塊。GFSII通過(guò)基于Linux分布存儲(chǔ)的方式,分成主服務(wù)器(Master Servers)和塊存儲(chǔ)服務(wù)器(Chunk Servers)。塊服務(wù)器上以64M為單位的存儲(chǔ)空間,分成了許多存儲(chǔ)塊,由主服務(wù)器進(jìn)行調(diào)度和分配。每份數(shù)據(jù)1式3份,儲(chǔ)存于不同的服務(wù)集群中,以保證數(shù)據(jù)的安全性和高吞吐率。GFS操作以添加為主,支持容錯(cuò),高吞吐量,數(shù)據(jù)安全保障,擴(kuò)展能力強(qiáng),支持壓縮,提供用戶空間。除了性能,可伸縮性,可靠性以及可用性以外,GFS設(shè)計(jì)還受到Google應(yīng)用負(fù)載和技術(shù)環(huán)境的影響。體現(xiàn)如下:(1)考慮節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題,集成容錯(cuò)性和自動(dòng)恢復(fù)功能;(2)構(gòu)成特殊文件,以G字節(jié)計(jì)量;(3)增加文件追加操作,優(yōu)化順序讀寫;(4)某些操作非透明,需協(xié)助才能完成。
Google應(yīng)用引擎(App Engine)是一個(gè)開(kāi)發(fā)托管網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序平臺(tái),使用Google管理的數(shù)據(jù)中心,可以讓用戶在Google的基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。其架構(gòu)包括:Front End(前端);Static Files(靜態(tài)文件)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求給服務(wù)器,并進(jìn)行負(fù)載均衡和靜態(tài)文件傳輸;App Server(應(yīng)用服務(wù)器),同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用的運(yùn)行時(shí)(Runtime);應(yīng)用管理節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)啟停和計(jì)費(fèi)。應(yīng)用引擎環(huán)境是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù),提供對(duì)常用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完全支持;具有持久存儲(chǔ)性并有查找、分類、自動(dòng)擴(kuò)展和負(fù)載平衡等功能[14];提供用戶身份驗(yàn)證的 API。其特點(diǎn)是將 Web應(yīng)用部署到Google的基礎(chǔ)設(shè)施上,提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù),例如集成Gmail、Google User等多種 API。
作為最大互聯(lián)網(wǎng)在線零售商Amazon是第一批提供云服務(wù)的公司之一。首先發(fā)布簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)(Simple Storage Service,S3),用戶使用 SOAP 協(xié)議存放和獲取自己的數(shù)據(jù)對(duì)象,其允許在虛擬儲(chǔ)存服務(wù)中存儲(chǔ)5GB數(shù)據(jù)項(xiàng)。接著推出簡(jiǎn)單隊(duì)列服務(wù)(Simple Queue Service,SQS),這項(xiàng)服務(wù)使得托管虛擬主機(jī)間信息交換,支持分布式程序間數(shù)據(jù)傳輸。又提供EBS(Elastic Block Storage)服務(wù),為用戶提供塊級(jí)別的存儲(chǔ)接口。對(duì)于長(zhǎng)期保存的或比較重要的數(shù)據(jù),采用彈性塊存儲(chǔ)(Elastic Block Store,EBS)技術(shù)。EBS允許用戶創(chuàng)建卷(Volume),其功能類似移動(dòng)硬盤,其可劃分地理區(qū)域(Region Zone)和可用區(qū)域(Availability Zone),可用區(qū)域的劃分通常是根據(jù)是否有獨(dú)立的供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。
Amazon云核心是彈性計(jì)算云(Elastic Compute Cloud,EC2),它由Amazon的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展而來(lái),它提供了在Amazon云中準(zhǔn)備、管理和撤銷虛擬服務(wù)器的Web Services API。EC2主要特點(diǎn):(1)靈活性。EC2允許用戶對(duì)運(yùn)行實(shí)例類型和數(shù)量自行配置,并靈活選擇實(shí)例地理位置。(2)低成本。使得企業(yè)不必為業(yè)務(wù)增長(zhǎng)購(gòu)入額外服務(wù)器等設(shè)備。(3)安全性。EC2提供完整的安全措施,包括基于密鑰機(jī)制的SSH方式訪問(wèn)和可配置的防火墻機(jī)制等。(4)簡(jiǎn)單易用。用戶可根據(jù)所提供的模板自由構(gòu)建自己的應(yīng)用程序,同時(shí)對(duì)用戶的服務(wù)請(qǐng)求自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載平衡。(5)容錯(cuò)性。引入安全組(Security Group)概念,使用彈性IP地址,故障發(fā)生時(shí),最大程度地保證用戶服務(wù)維持在穩(wěn)定水平。EC2在云中提供可調(diào)整大小的計(jì)算容量的Web服務(wù),并旨在使開(kāi)發(fā)人員更容易地對(duì)Web進(jìn)行伸縮。
云計(jì)算是數(shù)據(jù)共享計(jì)算模式與服務(wù)共享計(jì)算模式的結(jié)合體,是下一代計(jì)算模式的發(fā)展方向。云計(jì)算未來(lái)主要有兩個(gè)發(fā)展方向:(1)構(gòu)建與應(yīng)用程序緊密結(jié)合的大規(guī)模底層基礎(chǔ)設(shè)施,使得應(yīng)用拓展更大規(guī)模;(2)通過(guò)構(gòu)建新型云計(jì)算應(yīng)用程序,在網(wǎng)絡(luò)上提供更加豐富的用戶體驗(yàn)如教育系統(tǒng)和醫(yī)療體系等。云計(jì)算代表IT領(lǐng)域向集約化、規(guī)模化與專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢(shì)。
根據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)幾年IT云服務(wù)上的支出將持續(xù)增長(zhǎng),而且由于云計(jì)算的發(fā)展理念符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)與綠色計(jì)算的總體趨勢(shì),可能發(fā)展成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng),將被世界各國(guó)大力倡導(dǎo)與推動(dòng)。云計(jì)算代表了IT領(lǐng)域迅速向集約化、規(guī)?;c專業(yè)化道路發(fā)展的趨勢(shì),可以說(shuō)云計(jì)算可能成為當(dāng)前信息領(lǐng)域正在發(fā)生的一場(chǎng)科技化化革命。但是也有一些問(wèn)題需要謹(jǐn)慎面對(duì),如云計(jì)算行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、建立基線和指標(biāo)、云計(jì)算性能檢測(cè)工具的認(rèn)定、處理新興安全問(wèn)題等。
從全球化經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)看,云計(jì)算將推動(dòng)IT領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)細(xì)化,云服務(wù)商通過(guò)購(gòu)買服務(wù)的方式減少對(duì)非核心業(yè)務(wù)的投入,從而強(qiáng)化自己核心領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。最終,各種類型的云服務(wù)商之間形成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、協(xié)作共生關(guān)系,推動(dòng)信息技術(shù)領(lǐng)域加速實(shí)現(xiàn)全球化,并最終形成真正意義上的全球性的“云”。未來(lái)云計(jì)算將形成一個(gè)以云基礎(chǔ)設(shè)施為核心、涵蓋云基礎(chǔ)軟件和平臺(tái)服務(wù)與云應(yīng)用服務(wù)等多個(gè)層次的巨型全球化IT服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)體。
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