云計算技術概述

彭安鑫 石磊

1山東師范大學信息科學與工程學院 山東 250014 2山東省教育招生和考試院 山東 250014

0 引言

本文介紹了云計算的發展歷史，分析了云計算的定義、特征、分類和云架構的基本層次，闡述了云計算的關鍵技術和發展前景，并指出了云計算與網格計算等相關概念的區別。

1 什么是云計算

1.1 云計算的特征

通過分析云計算的定義，可以看出云計算的特征主要有以下四點。

(1) 硬件和軟件都是資源，通過互聯網以服務的方式提供給用戶。在云計算中，資源已經不限定在諸如處理器、網絡寬帶等物理范疇，而是擴展到了軟件平臺、Web服務和應用程序的軟件范疇。

(2) 這些資源都可以根據需要進行動態擴展和配置。

(3) 這些資源在物理上以分布式的共享方式存在，但最終在邏輯上以單一整體的形式呈現。對于分布式的理解有兩個方面。一方面，計算密集型的應用需要并行計算來提高運算效率；另一方面，是指地域上的分布式。云計算中的分布式資源向用戶隱藏了實現細節，并最終以單一整體的形式呈現給用戶。

(4) 用戶按需使用云中的資源，按實際使用量付費，而不需要管理它們。

1.2 云計算的分類

云計算可以按服務類型分類，所謂服務類型，就是指為其用戶提供什么樣的服務；通過這樣的服務，用戶可以獲得什么樣的資源。目前業界普遍認為可以分為三類。

(1) 基礎設施云(Infrastructure Cloud)。這種云為用戶提供的是底層的、接近于直接操作硬件資源的服務接口。通過調用這些接口，用戶可以直接獲得計算和存儲能力，而且非常自由靈活，幾乎不受邏輯上的限制。但是用戶需要進行大量的工作來設計和實現自己的應用，因為基礎設施云除了為用戶提供計算和存儲等基礎功能外，不進一步做任何應用類型的假設。

(2) 平臺云(Platform Cloud)。這種云為用戶提供一個托管平臺，用戶可以將他們所開發和運營的應用托管到云平臺中。但是，這個應用的開發部署必須遵守該平臺特定的規則和限制，如語言、編程框架、數據存儲模型等。

(3) 應用云(Application Cloud)。這種云為用戶提供可以為其直接所用的應用，這些應用一般是基于瀏覽器的，針對某一項特定的功能。但是，它們也是靈活性最低的，因為一種應用云只針對一種特定的功能，無法提供其他功能的應用。

云計算也可以按服務方式分類，業界按照云計算提供者與使用者的所屬關系為劃分標準，將云計算分為以下三類。

(1) 公有云(Public Cloud)。公有云是由若干企業和用戶共享使用的云環境。在公有云中，用戶所需的服務由一個獨立的、第三方云提供商提供。該云提供商也同時為其他用戶服務，這些用戶共享這個云提供商所擁有的環境。

(2) 私有云(Private Cloud)。私有云是指為企業或組織所專有的云計算環境。在私有云中，用戶是這個企業或組織的內部成員，這些成員共享著該云計算環境所提供的所有資源，公司或組織以外的用戶無法訪問這個云計算環境提供的服務。

(3) 企業云(Enterprise Cloud)。企業云也就是專門應用在商業領域的商業云系統，專門設計客戶管理軟件、數據庫軟件等企業內部系統給商業公司使用的云系統。

一般中小型企業和創業公司將選擇公有云，而金融機構、政府機關和大型企業則更傾向于選擇私有云或混合云。

1.3 云架構的基本層次

云計算中的云按服務方式的分類其實已經包含了云架構(Cloud Architecture)的基本層次。云架構通過虛擬化、標準化和自動化得方式有機地整合了云中的硬件和軟件資源，并通過網絡將云中的服務交付給用戶。云架構分為以下三個基本層次。

(1) 基礎設施(Infrastructure)層。它是經過虛擬化后的硬件資源和相關管理功能的集合。云的硬件資源包括計算、存儲和網絡等資源。該層通過虛擬化技術抽象物理資源，實現了內部流程自動化和資源管理優化。從而向外部提供動態、靈活的基礎設施層服務。

(2) 平臺(Platform)層。它介于中間，是具有通用性和可復用性的軟件資源的集合，為云應用提供了開發、運行、管理和監控的環境。能夠更好地滿足云的應用在可伸縮性、可用性和安全性等方面的要求。

(3) 應用(Application)層。它是云上面應用軟件的集合，這些應用構建在基礎設施層提供的資源和平臺層提供的環境之上，通過網絡交付給用戶。云應用既可以是廣大群體的標準應用，也可以是定制的服務應用，或者是用戶開發的多元應用。

2 云計算的關鍵技術

云計算是一種新興的計算模式，其發展離不開自身獨特的技術和所涉及的一系列其它傳統技術的支持。

(1) 快速部署(Rapid Deployment)。自數據中心誕生以來，快速部署就是一項重要的功能需求。數據中心管理員和用戶一直在追求更快、更高效、更靈活的部署方案。云計算環境對快速部署的要求將會更高。首先，在云環境中資源和應用不僅變化范圍大而且動態性高。用戶所需的服務主要采用按需部署方式。其次，不同層次云計算環境中服務的部署模式是不一樣的。另外，部署過程所支持的軟件系統形式多樣，系統結構各不相同，部署工具應能適應被部署對象的變化。

(2) 資源調度(Resouce Despatching)。指在特定環境下，根據一定的資源使用規則，在不同資源使用者之間進行資源調整的過程。這些資源使用者對應著不同的計算任務，每個計算任務在操作系統中對應于一個或者多個進程。虛擬機的出現使得所有的計算任務都被封裝在一個虛擬機內部。虛擬機的核心技術是虛擬機監控程序，它在虛擬機和底層硬件之間建立一個抽象層，把操作系統對硬件的調用攔截下來，并為該操作系統提供虛擬的內存和CPU等資源。目前Vmware ESX和Citrix XenServer可以直接運行在硬件上。由于虛擬機具有隔離性，可以采用虛擬機的動態遷移技術來完成計算任務的遷移。

(3) 大規模數據處理(Massive Data Processing)。以互聯網為計算平臺的云計算，將會更廣泛地涉及到大規模數據處理任務。由于大規模數據處理操作非常頻繁，很多研究者在從事支持大規模數據處理的編程模型方面的研究。當今世界最流行的大規模數據處理的編程模型可以說是 Google公司所設計的MapReduce編程模型。MapRduce編程模型將一個任務分成很多更細粒度的子任務，這些子任務能夠在空閑的處理節點之間調度，使得處理速度越快的節點處理越多的任務，從而避免處理速度慢的節點延長整個任務的完成時間。

(4) 大規模消息通信(Massive Message Communication)。云計算的一個核心理念就是資源和軟件功能都是以服務的形式發布的，不同服務之間經常需要進行消息通信協作，因此，可靠、安全、高性能的通信基礎設施對于云計算的成功至關重要。異步消息通信機制可以使得云計算每個層次中的內部組件之間及各個層次之間解耦合，并且保證云計算服務的高可用性。目前，云計算環境中的大規模數據通信技術仍在發展階段。

(5) 大規模分布式存儲(Massive Distributed Storage)。分布式存儲要求存儲資源能夠被抽象表示和統一管理，并且能夠保證數據讀寫操作的安全性、可靠性、性能等各方面要求。分布式文件系統允許用戶像訪問本地文件系統一樣訪問遠程服務器的文件系統，用戶可以將自己的數據存儲在多個遠程服務器上，分布式文件系統基本上都有冗余備份機制和容錯機制來保證數據讀寫的正確性。云環境的存儲服務基于分布式文件系統并根據云存儲的特征做了相應的配置和改進。典型的分布式文件系統有 Google公司設計的可伸縮的Google File System(GFS)。目前，在云計算環境下的大規模分布式存儲方向已經有了一些研究成果和應用。Google公司設計的用來存儲大規模結構化數據的分布式存儲系統BigTable用來將網頁存儲成分布式的、多維的、有序的圖。

3 相關概念辨析

云計算是在并行計算、分布式計算和網格計算的基礎上發展而來的。云計算和網格計算并沒有明顯的區別，兩者均可以看成是并行計算和分布式計算技術衍生出來的概念。兩者的差異主要表現在對資源的組織、分配和使用上的不同，云計算更強調虛擬化、靈活地使用資源。

3.1 并行計算

并行計算(Parallel computing)是指同時使用多種計算機資源解決計算問題的過程，為了更快速地解決問題，更充分地利用計算機資源而出現的一種計算方法。其缺點是：將被解決的問題劃分出來的模塊是相互關聯的，如果其中一塊出錯，必定影響其他模塊，再重新計算就降低了運算效率。

3.2 分布式計算

分布式計算(Distributed computing)是利用互聯網上眾多的閑置計算機能力，將其聯合起來解決某些大型計算問題的一門學科。與并行計算同理，也是把一個巨大的計算機能力才能解決的問題分成很多部分，再分配給多個計算機處理，最終將結果匯總。與并行計算不同的是，分布式計算所劃分的任務相互之間是獨立的，某一個小任務的出錯不會影響其他任務。

3.3 網格計算

網格計算(Grid computing)是專門針對復雜科學計算的新型計算模式，它把互聯網上的眾多計算資源整合成一臺虛擬的超級計算機，再將以CPU為主的各種資源聯系在一起，從而達到資源共享的目的。可以說，網格計算是將互聯網內所有人的計算機組成的一個供你個人使用的超級處理器，而分布式計算就是你和其他人一起組成的一個超級處理器。

4 結束語

云計算的出現，讓 IT業從以前以網站為核心的信息流轉，變為了以信息為中心的流轉。隨著這種變革的到來，云計算對傳統IT業帶來了根本性的改變。但是，在云計算的發展過程中，我們仍需要進一步深入研究，仍需克服不少挑戰，比如服務的高可用性、服務的遷移、數據的安全性、服務的性能等。云計算的雛形正在逐步形成，在未來的時間里必將引領信息產業發展的新浪潮。

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