云計算技術發展及應用探討

何 明，鄭 翔，賴海光，姜 峰

（解放軍理工大學指揮自動化學院 南京 210007）

1 引言

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臺普通的服務器組成了一個集群，利用谷歌數據計算的核心軟件MapReduce將每個任務分解為成百上千塊小任務，然后發送到計算機集群中，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網站評選出2009年IT業五大科技發展趨勢，云計算居首。

云計算是一個新興的商業計算模型。云計算有可能顛覆軟件產業，應用和許可被隨時購買和生效，應用在網絡上而不是本機上運行。這種轉變將數據中心放在網絡的核心位置，而所有的應用所需要的計算能力、存儲和帶寬都由數據中心提供。云計算不僅影響商業模式，還影響開發、部署、運行、交付應用的方式。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（服務器端）獲得計算能力，并按照使用情況付費。這種特性經常被比喻為像水電一樣使用硬件資源，按需購買和使用。

2 云計算的關聯概念

2.1 定義

云計算是一種資源交付和使用模式，指通過網絡獲得應用所需的資源（硬件、平臺、軟件）。提供資源的網絡被稱為“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”，作為應用通過互聯網提供給用戶，計算通過分布式計算等技術由多臺計算機共同完成。用戶只關心應用的功能，而不關心應用的實現方式，應用的實現和維護只由其提供商完成，用戶根據自己的需要選擇相應的應用。云計算不是一個工具、平臺或者架構，而是一種計算的方式。

云計算服務層次的劃分與相關云產品如圖1、表1所示。

表1 云計算服務與企業產品對應示例

2.2 關聯概念

云計算正成為行業中的熱點概念。云計算集成了現有的虛擬化、網格計算和效用計算的技術，并基于此建立了云。為了更好地理解云計算的概念，有必要將與之關聯的概念做一闡述。

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模式，用戶從計算資源供應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濟效益，是一種分發應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計、開發、部署、運行應用，以及資源的可擴展收縮和對應用連續性的支持。

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處理任務，這個系統包含多個處理器單元或存儲單元、多個并發的過程、多個程序。一個程序被分成多個部分，同時在通過網絡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環境、多樣化的網絡連接、不可預知的網絡或計算機錯誤。

2.2.3 網格計算

網格計算（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絡構成的一個虛擬超級計算機，可以用來執行大規模任務，如圖2所示。

網格計算強調資源共享，任何人都可以作為請求者使用其他節點的資源，任何人都需要貢獻一定資源給其他節點。網格計算強調將工作量轉移到遠程的可用計算資源上；云計算強調專有，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，計算資源被轉換形式去適應工作負載，它支持網格類型應用，也支持非網格環境，比如運行傳統或Web 2.0應用的三層網絡架構。網格計算側重并行的計算集中性需求，并且難以自動擴展；云計算側重事務性應用，大量的單獨的請求，可以實現自動或半自動的擴展。表2對網格計算和云計算進行了對比。

表2 網格計算和云計算的對比

2.2.4 服務器集群

服務器集群是指將一組服務器關聯起來，使它們在外界從很多方面看起來如同一臺服務器。集群內的服務器之間一般通過局域網連接，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。網格通常更加松散連接、異構、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（如一個服務器、一個操作系統、一個應用程序、一個存儲設備）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環境。

3 功能特性

云計算的內涵非常豐富，不同行業的人從不同的角度結合自身的業務方向和現實利益給予了它不同的解釋。它的基本原理是能將動態、可伸縮的IT計算資源以服務方式通過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器中，企業數據中心的運行將與互聯網更加相似。這使得企業能夠將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統。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、快速反應、彈性和可伸縮等特點。真正的云計算平臺應該能實現以下5個特性[1]：

·以用戶為中心；

·云計算是以任務為中心的；

·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 云計算體系結構

云計算平臺是一個強大的“云”網絡，連接了大量并發的網絡計算和服務，可利用虛擬化技術擴展每一個服務器的能力，將各自的資源通過云計算平臺結合起來，提供超級計算和存儲能力。通用的云計算體系結構[2]如圖3所示。

（1）云用戶端：提供云用戶請求服務的交互界面，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、配置和管理用戶。打開應用實例與本地操作桌面系統一樣。

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

（3）管理系統和部署工具：提供管理和服務，能管理云用戶，能對用戶的授權、認證和登錄進行管理，并可以管理可用計算資源和服務，接收用戶發送的請求，并根據用戶請求轉發到相應的應用程序，調度資源智能地部署資源和應用，動態地部署、配置和回收資源。

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

（5）服務器機群：虛擬的或物理的服務器，由管理系統管理，負責高并發量的用戶請求處理、大運算量計算處理、用戶Web應用服務，云數據存儲時采用相應數據切割算法以并行方式上傳和下載大容量數據。

（6）用戶可通過云用戶端從列表中選擇所需服務，其請求通過管理系統調度相應的資源，并通過部署工具分發請求、配置Web應用。

云計算技術體系結構和云計算體系結構不是一個概念，后者從服務的角度來劃分云，主要突出了云服務能給用戶帶來什么。而云計算的技術體系結構主要從系統屬性和設計思想角度來說明云，是對軟硬件資源在云計算技術中所充當角色的說明。參考文獻[3]提出從云計算技術角度來分，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接口4部分構成，如圖4所示。

5 應用及意義

最簡單的云計算技術在網絡服務中已經隨處可見，如搜索引擎、網絡信箱等。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展趨勢。簡言之，云計算是一種基于互聯網的超級計算模式，在遠程的數據中心里，成千上萬臺電腦和服務器連接成了一片電腦云。云計算對服務提供商和用戶而言的意義見表3。

表3 云計算的意義

2007年，多家企業推出了云計算計劃和服務。亞馬遜推出了名為“彈性計算機云”的服務，供中小軟件企業按照需求購買亞馬遜數據中心的計算能力；Sun推出了 “黑盒子”計劃，同樣基于“云計算”原理，為政府、企業和大學的數據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其第一個歐洲數據中心，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。

6 挑戰及展望

云計算技術的發展面臨一系列的挑戰，例如：使用云計算來完成任務能夠獲得哪些優勢；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據以及靜止狀態的數據，將有哪些獨特的限制；安全需求有哪些；提供可信環境都需要些什么。此外，云計算雖然給企業和個人用戶提供了創造更好的應用和服務的機會，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的可能，使黑客投入極少的成本，就能獲得極大的網絡計算能力，一旦這些“云”被用來破譯各類密碼、進行各種攻擊，將會對用戶的數據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用和接受。

云計算將對互聯網應用、產品應用模式和lT產品開發方向產生影響。云計算技術是未來技術的發展趨勢，也是包括Google在內的互聯網企業前進的動力和方向，未來主要朝以下3個方向發展。

·手機上的云計算。云計算技術提出后，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展趨勢。瘦客戶機通過云計算系統可以實現目前超級計算機的功能，而手機就是一種典型的瘦客戶機，云計算技術和手機的結合將實現隨時、隨地、隨身的高性能計算。

·云計算時代資源的融合。云計算最重要的創新是將軟件、硬件和服務共同納入資源池，三者緊密地結合起來融合為一個不可分割的整體，并通過網絡向用戶提供恰當的服務。網絡帶寬的提高為這種資源融合的應用方式提供了可能。

·云計算的商業發展。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繳費。這種使用計算機的方式對于諸如軟件開發企業、服務外包企業、科研單位等對大數據量計算存在需求的用戶來說無疑具有相當大的誘惑力。

1 Miller M著,姜進磊等譯.云計算.北京：機械工業出版社,2009

2 王鵬.走進云計算.北京：人民郵電出版社，2009

3 劉鵬.云計算.北京：電子工業出版社，2010