云計算技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用探討

　　2006年底，谷歌高級軟件工程師比希利亞利用谷歌特有的“20%自由時間”在母校華盛頓大學啟動了一個代號為“Google 101”的項目，購買了40臺普通的服務(wù)器組成了一個集群，利用谷歌數(shù)據(jù)計算的核心軟件MapReduce將每個任務(wù)分解為成百上千塊小任務(wù)，然后發(fā)送到計算機集群中，由每臺計算機傳送回自己的那部分信息，MapReduce將其整合并形成答案，這其實就是云計算的雛形。美國eWeek網(wǎng)站評選出2009年IT業(yè)五大科技發(fā)展趨勢，云計算居首。

　　云計算是一個新興的商業(yè)計算模型。云計算有可能顛覆軟件產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用和許可被隨時購買和生效，應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)上而不是本機上運行。這種轉(zhuǎn)變將數(shù)據(jù)中心放在網(wǎng)絡(luò)的核心位置，而所有的應(yīng)用所需要的計算能力、存儲和帶寬都由數(shù)據(jù)中心提供。云計算不僅影響商業(yè)模式，還影響開發(fā)、部署、運行、交付應(yīng)用的方式。簡而言之，有了云計算之后，用戶不再需要部署計算能力很強的客戶端，而是可以直接從“云”里(服務(wù)器端)獲得計算能力，并按照使用情況付費。這種特性經(jīng)常被比喻為像水電一樣使用硬件資源，按需購買和使用。

　　2 云計算的關(guān)聯(lián)概念

　　2.1 定義

　　云計算是一種資源交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)獲得應(yīng)用所需的資源(硬件、平臺、軟件)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”，“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取。云計算將計算從用戶終端集中到“云端”，作為應(yīng)用通過互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶，計算通過分布式計算等技術(shù)由多臺計算機共同完成。用戶只關(guān)心應(yīng)用的功能，而不關(guān)心應(yīng)用的實現(xiàn)方式，應(yīng)用的實現(xiàn)和維護只由其提供商完成，用戶根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的應(yīng)用。云計算不是一個工具、平臺或者架構(gòu)，而是一種計算的方式。

　　云計算服務(wù)層次的劃分與相關(guān)云產(chǎn)品如圖1、表1所示。

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　　圖1 云計算服務(wù)層次劃分

　　表1 云計算服務(wù)與企業(yè)產(chǎn)品對應(yīng)示例

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　　2.2 關(guān)聯(lián)概念

　　云計算正成為行業(yè)中的熱點概念。云計算集成了現(xiàn)有的虛擬化、網(wǎng)格計算和效用計算的技術(shù)，并基于此建立了云。為了更好地理解云計算的概念，有必要將與之關(guān)聯(lián)的概念做一闡述。

　　2.2.1　效用計算

　　效用計算(utility computing)是一種提供計算資源的商業(yè)模式，用戶從計算資源供應(yīng)商獲取和使用計算資源，并基于實際使用的資源付費。效用計算主要給用戶帶來經(jīng)濟效益，是一種分發(fā)應(yīng)用所需資源的計費模式。相對而言，云計算是一種計算模式。它代表了在某種程度上共享資源進行設(shè)計、開發(fā)、部署、運行應(yīng)用，以及資源的可擴展收縮和對應(yīng)用連續(xù)性的支持。

　　2.2.2　分布式計算

　　分布式計算(distributed computing)是指在一個松散或嚴格約束條件下使用一個硬件和軟件系統(tǒng)處理任務(wù)，這個系統(tǒng)包含多個處理器單元或存儲單元、多個并發(fā)的過程、多個程序。一個程序被分成多個部分，同時在通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的計算機上運行。分布式計算類似于并行計算，但并行計算通常指一個程序的多個部分同時運行于某臺計算機上的多個處理器上。所以，分布式計算通常必須處理異構(gòu)環(huán)境、多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接、不可預知的網(wǎng)絡(luò)或計算機錯誤。

　　2.2.3　網(wǎng)格計算

　　網(wǎng)格計算(grid computing)是指分布式計算中兩類比較廣泛使用的子類型：一類是在分布式的計算資源支持下作為服務(wù)被提供的在線計算或存儲;另一類是由一個松散連接的計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一個虛擬超級計算機，可以用來執(zhí)行大規(guī)模任務(wù)，如圖2所示。

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　　圖2　網(wǎng)格計算示意

　　網(wǎng)格計算強調(diào)資源共享，任何人都可以作為請求者使用其他節(jié)點的資源，任何人都需要貢獻一定資源給其他節(jié)點。網(wǎng)格計算強調(diào)將工作量轉(zhuǎn)移到遠程的可用計算資源上;云計算強調(diào)專有，任何人都可以獲取自己的專有資源，并且這些資源是由少數(shù)團體提供的，使用者不需要貢獻自己的資源。在云計算中，計算資源被轉(zhuǎn)換形式去適應(yīng)工作負載，它支持網(wǎng)格類型應(yīng)用，也支持非網(wǎng)格環(huán)境，比如運行傳統(tǒng)或Web 2.0應(yīng)用的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)格計算側(cè)重并行的計算集中性需求，并且難以自動擴展;云計算側(cè)重事務(wù)性應(yīng)用，大量的單獨的請求，可以實現(xiàn)自動或半自動的擴展。表2對網(wǎng)格計算和云計算進行了對比。

　　表2　 網(wǎng)格計算和云計算的對比

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　　2.2.4　服務(wù)器集群

　　服務(wù)器集群是指將一組服務(wù)器關(guān)聯(lián)起來，使它們在外界從很多方面看起來如同一臺服務(wù)器。集群內(nèi)的服務(wù)器之間一般通過局域網(wǎng)連接，通常用來改善性能和可用性，但一般而言比具有同等性能/功能/可用性的單臺主機具有更低的成本。網(wǎng)格通常更加松散連接、異構(gòu)、地理位置分散，主機之間信任度更低。

　　2.2.5 虛擬化

　　虛擬化指對計算資源進行抽象的一個廣義概念。虛擬化對上層應(yīng)用或用戶隱藏了計算資源的底層屬性。既包括將單個的資源(如一個服務(wù)器、一個操作系統(tǒng)、一個應(yīng)用程序、一個存儲設(shè)備)劃分成多個虛擬資源，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源。虛擬化是云的一個組成部分。云比虛擬化先進的是可以為最終用戶在虛擬機上直接部署用戶定制的IT環(huán)境。

　　3 功能特性

　　云計算的內(nèi)涵非常豐富，不同行業(yè)的人從不同的角度結(jié)合自身的業(yè)務(wù)方向和現(xiàn)實利益給予了它不同的解釋。它的基本原理是能將動態(tài)、可伸縮的IT計算資源以服務(wù)方式通過Internet提供給用戶。具體來說，就是把計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務(wù)器中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運行將與互聯(lián)網(wǎng)更加相似。這使得企業(yè)能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問計算機和存儲系統(tǒng)。云計算可提供一種標準的、簡化的、集中式的按需使用平臺，具有自助服務(wù)、快速反應(yīng)、彈性和可伸縮等特點。真正的云計算平臺應(yīng)該能實現(xiàn)以下5個特性[1]：

　　· 以用戶為中心;

　　· 云計算是以任務(wù)為中心的;

　　· 云計算是易于訪問的;

　　· 云計算是智能的;

　　· 云計算是可編程的。

　　4 云計算體系結(jié)構(gòu)

　　云計算平臺是一個強大的“云”網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計算和服務(wù)，可利用虛擬化技術(shù)擴展每一個服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計算平臺結(jié)合起來，提供超級計算和存儲能力。通用的云計算體系結(jié)構(gòu)[2]如圖3所示。

　　(1)云用戶端：提供云用戶請求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云的入口，用戶通過Web瀏覽器可以注冊、登錄及定制服務(wù)、配置和管理用戶。打開應(yīng)用實例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣。

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　　圖3 云計算體系結(jié)構(gòu)示意

　　(2)服務(wù)目錄：云用戶在取得相應(yīng)權(quán)限(付費或其他限制)后可以選擇或定制服務(wù)列表，也可以對已有服務(wù)進行退訂操作，在云用戶端界面生成相應(yīng)的圖標或列表來展示相關(guān)的服務(wù)。

　　(3)管理系統(tǒng)和部署工具：提供管理和服務(wù)，能管理云用戶，能對用戶的授權(quán)、認證和登錄進行管理，并可以管理可用計算資源和服務(wù)，接收用戶發(fā)送的請求，并根據(jù)用戶請求轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的應(yīng)用程序，調(diào)度資源智能地部署資源和應(yīng)用，動態(tài)地部署、配置和回收資源。

　　(4)監(jiān)控：監(jiān)控和計量云系統(tǒng)資源的使用情況，以便做出迅速反應(yīng)，完成節(jié)點同步配置、負載均衡和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給合適的用戶。

　　(5)服務(wù)器機群：虛擬的或物理的服務(wù)器，由管理系統(tǒng)管理，負責高并發(fā)量的用戶請求處理、大運算量計算處理、用戶Web應(yīng)用服務(wù)，云數(shù)據(jù)存儲時采用相應(yīng)數(shù)據(jù)切割算法以并行方式上傳和下載大容量數(shù)據(jù)。

　　(6)用戶可通過云用戶端從列表中選擇所需服務(wù)，其請求通過管理系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的資源，并通過部署工具分發(fā)請求、配置Web應(yīng)用。

　　云計算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)和云計算體系結(jié)構(gòu)不是一個概念，后者從服務(wù)的角度來劃分云，主要突出了云服務(wù)能給用戶帶來什么。而云計算的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)主要從系統(tǒng)屬性和設(shè)計思想角度來說明云，是對軟硬件資源在云計算技術(shù)中所充當角色的說明。參考文獻[3]提出從云計算技術(shù)角度來分，云計算大致由物理資源、虛擬化資源、中間件管理部分和服務(wù)接口4部分構(gòu)成，如圖4所示。

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　　圖4 云計算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

　　5 應(yīng)用及意義

　　最簡單的云計算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，如搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等。Google的Applications(包括Gmail、Gtalk、Google日歷)及FaceBook等都是“云計算”的具體應(yīng)用。云計算可以讓你體驗10 萬億次/s的運算能力，擁有這么強大的計算能力可以模擬核爆炸、預測氣候變化和市場發(fā)展趨勢。簡言之，云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式，在遠程的數(shù)據(jù)中心里，成千上萬臺電腦和服務(wù)器連接成了一片電腦云。云計算對服務(wù)提供商和用戶而言的意義見表3。

　　表3　云計算的意義

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　　2007年，多家企業(yè)推出了云計算計劃和服務(wù)。亞馬遜推出了名為“彈性計算機云”的服務(wù)，供中小軟件企業(yè)按照需求購買亞馬遜數(shù)據(jù)中心的計算能力;Sun推出了“黑盒子”計劃，同樣基于“云計算”原理，為政府、企業(yè)和大學的數(shù)據(jù)中心隨時提供額外的計算能力;IBM宣布了“藍云”計劃，并安排200名工程師參與這一計劃;雅虎將一個由4 000臺計算機組成的“云”開放給卡內(nèi)基·梅隆大學的研究人員;微軟宣布將投資5億美元在愛爾蘭首都都柏林建設(shè)其第一個歐洲數(shù)據(jù)中心，用來支持MSN門戶、Windows Live、Hotmail、照片共享、博客和在線存儲等一系列在線服務(wù)。

　　6 挑戰(zhàn)及展望

　　云計算技術(shù)的發(fā)展面臨一系列的挑戰(zhàn)，例如：使用云計算來完成任務(wù)能夠獲得哪些優(yōu)勢;可以實施哪些策略、做法或立法來支持或限制云計算的采用;如何提供有效的計算和提高存儲資源的利用率;對云計算和傳輸中的數(shù)據(jù)以及靜止狀態(tài)的數(shù)據(jù)，將有哪些獨特的限制;安全需求有哪些;提供可信環(huán)境都需要些什么。此外，云計算雖然給企業(yè)和個人用戶提供了創(chuàng)造更好的應(yīng)用和服務(wù)的機會，但同時也給了黑客機會。云計算宣告了低成本提供超級計算服務(wù)的可能，使黑客投入極少的成本，就能獲得極大的網(wǎng)絡(luò)計算能力，一旦這些“云”被用來破譯各類密碼、進行各種攻擊，將會對用戶的數(shù)據(jù)安全帶來極大的危險。所以，在這些安全問題和危險因素被有效控制之前，云計算很難得到徹底的應(yīng)用和接受。

　　云計算將對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、產(chǎn)品應(yīng)用模式和lT產(chǎn)品開發(fā)方向產(chǎn)生影響。云計算技術(shù)是未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是包括Google 在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)前進的動力和方向，未來主要朝以下3個方向發(fā)展。

　　· 手機上的云計算。云計算技術(shù)提出后，對客戶終端的要求大大降低，瘦客戶機將成為今后計算機的發(fā)展趨勢。瘦客戶機通過云計算系統(tǒng)可以實現(xiàn)目前超級計算機的功能，而手機就是一種典型的瘦客戶機，云計算技術(shù)和手機的結(jié)合將實現(xiàn)隨時、隨地、隨身的高性能計算。

　　· 云計算時代資源的融合。云計算最重要的創(chuàng)新是將軟件、硬件和服務(wù)共同納入資源池，三者緊密地結(jié)合起來融合為一個不可分割的整體，并通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供恰當?shù)姆��?wù)。網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高為這種資源融合的應(yīng)用方式提供了可能。

　　· 云計算的商業(yè)發(fā)展。最終人們可能會像繳水電費那樣去為自己得到的計算機服務(wù)繳費。這種使用計算機的方式對于諸如軟件開發(fā)企業(yè)、服務(wù)外包企業(yè)、科研單位等對大數(shù)據(jù)量計算存在需求的用戶來說無疑具有相當大的誘惑力。

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