初探云計算對氣象領域的影響

肖 云 錢惠平 夏梅娟 吳文淵

(浙江氣象信息網絡中心，浙江杭州310017)

0 引言

云計算(Cloud Computing)是一種近幾年提出的計算模式，是分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(ParallelComputing)和網格計算(GridComputing)的發展。目前，亞馬遜、微軟、谷歌、IBM、英特爾等公司紛紛提出了“云計劃”。例如亞馬遜(Amazon)、IBM和谷歌聯合進行的“藍云”計劃等。這對云計算的商業價值給予了巨大的肯定。同時學術界也紛紛對云計算進行深層次的研究，不可回避的是，云計算將給依托信息處理交換的各行各業帶來巨大變革，同樣將對氣象領域產生重大而深遠的影響。

1 云計算的定義

云計算是21世紀初興起的熱門概念，對它的定義還沒有統一的標準。到目前為止，對它的定義有20多個版本，之所以稱它為“云”，是因為亞馬遜Amazon公司云計算的鼻祖之一把網格計算(Grid Computing)，叫了一個新名稱“彈性計算云”(Elastic Compute Cloud，EC2)，并把它成功應用于商業領域。所以可以認為云計算是網格計算的商業進化升級版。

云計算的基本原理是，用戶所需的應用程序并不需要運行在用戶的個人電腦、手機等終端設備上，而是運行在互聯網的大規模服務器集群中。用戶所處理的數據也并不存儲在本地，而是保存在互聯網的數據中心里面。這些數據中心正常運轉的管理和維護則由提供云計算服務的企業負責，并由他們來保證足夠強的計算能力和足夠大的存儲空間來供用戶使用。在任何時間和任何地點，用戶都可以任意連接至互聯網的終端設備。因此無論是企業還是個人，都能在云上實現隨需隨用。同時用戶終端的功能將會被大大簡化，而諸多復雜的功能都將轉移到終端背后的網絡上去完成。

2 云計算的現狀

云計算是個熱度很高的新名詞。由于它是多種技術混合演進的結果，其成熟度較高，又有大公司推動，發展極為迅速。Amazon，Google，IBM，微軟和Yahoo等大公司是云計算的先行者。云計算領域的眾多成功公司還包括Everydo，Salesforce，Facebook，Youtube，Myspace 等。

Amazon使用彈性計算云(EC2)和簡單存儲服務(S3)為企業提供計算和存儲服務。收費的服務項目包括存儲服務器、帶寬、CPU資源以及月租費。它可以讓小軟件公司按照自己的需要購買Amazon數據中心的處理能力。使得獨立的開發人員也能夠使用Amazon公司內部的計算資源來建立自己的網絡應用，用戶可以根據自己的需求購買數據中心的計算能力。云計算目前是Amazon增長最快的業務之一。

我們熟悉的Google是最大的云計算的使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多個地點、超過上百萬臺服務器的支撐之上，這些設施的數量還在快速增長。Google地球、地圖、Gmail，Docs等也同樣使用了這些基礎設施。采用Google Docs之類的應用，用戶數據會保存在互聯網上的某個位置，可以通過任何一個與互聯網相連的系統十分便利地訪問這些數據。目前，Google已經允許第三方在Google的云計算中通過Google App Engine運行大型并行應用程序。值得稱頌的是Google不保守。它以發表學術論文的形式公開其云計算3大法寶：GFS，MapReduce和BigTable，并在中國高校開設如何進行云計算編程的課程。

IBM在近幾年推出了“改變游戲規則”的“藍云”計算平臺，為客戶帶來即買即用的云計算平臺。它包括一系列的自動化、自我管理和自我修復的虛擬化云計算軟件，使來自全球的應用可以訪問分布式的大型服務器池，使得數據中心在類似于互聯網的環境下運行計算。

微軟緊跟云計算步伐，于2008年10月推出了Windows Azure操作系統。Azure(譯為“藍天”)是繼Windows取代DOS之后，微軟的又一次顛覆性轉型——通過在互聯網架構上打造新云計算平臺，讓Windows真正由PC延伸到“藍天”上。微軟擁有全世界數以億計的Windows用戶桌面和瀏覽器，現在它將它們連接到“藍天”上。Azure的底層是微軟全球基礎服務系統，由遍布全球的第4代數據中心構成。

在我國，云計算發展也非常迅猛。2008年6月24日，IBM在北京IBM中國創新中心成立了第2家中國的云計算中心——IBM大中華區云計算中心;2008年11月28日，廣東電子工業研究院與東莞松山湖科技產業園管委會簽約，廣東電子工業研究院將在東莞松山湖投資2億元建立云計算平臺;2008年12月30日，阿里巴巴集團旗下子公司阿里軟件與江蘇省南京市政府正式簽訂了2009年戰略合作框架協議，于2009年初在南京建立國內首個“電子商務云計算中心”，首期投資額將達上億元人民幣;世紀互聯推出了CloudEx產品線，包括完整的互聯網主機服務“CloudEx Computing Service”，基于在線存儲虛擬化的“CloudEx Storage Service”，供個人及企業進行互聯網云端備份的數據保全服務等等系列互聯網云計算服務。

3 云計算的特點

3．1 規模大

上面介紹Google云計算已經擁有100多萬臺服務器，而 Amazon，IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺服務器。所以“云”能賦予用戶前所未有的計算能力。

3．2 高可靠

“云”使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障服務的高可靠性，使用云計算比使用本地計算機可靠性高的多。

然而，林運娘家屬卻堅持其對林場劃為公益林的情況事先并不知情。蘇碧輝解釋道，由于政府鼓勵造林，承包山地還能領到一定的補助，所以當時大家積極性都很高。除伯公科這一片林地外，他們還開墾了另外幾塊林地。前些年雖然的確領到過公益林的補償金，但一直以為是另外一片松樹林的，因為在經營伯公科經濟林的20多年間，其從未聽說過這片山林變更為了生態林，也沒有收到政府下發的任何相關通知。

3．3 虛擬化

云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應用服務。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形的實體。應用在“云”中某處運行，但實際上用戶無需了解、也不用擔心應用運行的具體位置。只需要一臺筆記本或者一個手機，就可以通過網絡服務來實現我們需要的一切，甚至包括超級計算這樣的任務。

3．4 通 用

在“云”的支撐下可以構造出千變萬化的應用，同一個“云”可以同時支撐不同的應用運行讓數據和服務圍繞著用戶，你只要明白自己的意圖，便可以把剩下的工作交給云來處理。

3．5 高可擴展

滿足應用和用戶規模增長的需要，“云”的規模可以動態伸縮。

3．6 服務按需提供

“云”是一個巨大的資源池，人們按需購買;而且云可以象自來水、電、煤氣那樣計費。

3．7 性價比高

由于“云”的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節點來構成云，“云”的自動化集中式管理使大量企業無需負擔日益高昂的數據中心管理成本，“云”的通用性使資源的利用率較之傳統系統大幅提升，因此用戶可以充分享受“云”的低成本優勢，經常只要花費幾十美元、幾天時間就能完成以前需要數萬美元、數月時間才能完成的任務。

3．8 存在的危險

“云”除了提供計算服務外，還必然提供了存儲服務。目前云計算服務基本上壟斷在大商業公司手中，而他們僅僅能夠提供商業信用。對于政府機構、商業機構(如銀行這樣持有敏感數據的商業機構)對于選擇云計算服務應保持足夠的警惕。一旦商業用戶大規模使用大商業公司提供的云計算服務，無論其技術優勢有多強，存在大商業公司以“數據(信息)”的重要性挾制整個社會危險。對于信息社會而言，“信息”是至關重要的。另一方面，云計算中的數據對于數據所有者以外的其他用戶云計算用戶是保密的，但是對于提供云計算的商業機構而言確實毫無秘密可言。所有這些潛在的危險，是商業機構和政府機構選擇云計算服務、特別是國外機構提供的云計算服務時，需要認真考慮的一個重要問題。

4 云計算對氣象領域的影響

根據云計算的現狀和特點，結合氣象領域信息處理系統實際情況和需求，可以預見云計算對氣象領域的影響。

4．1 計算平臺的改變

氣象領域每天打交道的天氣預報產品，需要大量的科學計算才能給出，對于復雜的天氣系統預報，如臺風路徑的預測更需要超大型計算機的計算，目前中國超大型計算機天河一號和曙光公司研制的“星云”高性能計算機都應用在氣象領域。超級計算機的應用確實提高了我國整體的預報計算能力，但使用成本是非常高的，省一級氣象科技人員還沒有能力提交計算應用，一些模式運算只能在本系統內的小型機上進行，效率低下。而云計算能夠為氣象預報工作帶來強大、靈活和低成本的協作與創新平臺，云計算一個最明顯的優勢是可以降低應用計算的成本，提高效率。粗略地計算，目前的個人計算機每個CPU芯片的處理能力是200MIPS，就是每秒鐘執行200M也就是兩億次指令，而去年Yahoo!公司報道他們已經實現了有一萬個節點(node)就是一萬臺PC計算機連接的分布式系統，總的處理能力是2 000 000MIPS，如果節點上是小型機，那處理能力難以想象，世界上最快的芯片也無法達到這個速度，因為在一定面積上設計的芯片的速度是存在一個極限的，不可逾越。所以我們的預報科技人員只要通過一臺PC機甚至一臺3G手機連接到云計算平臺，就可以實現超大型計算機完成的任務或完成不了的作業。

4．2 數據存儲方式的改變

隨著公共服務需求的提速，氣象數據成幾何倍數增長，每天的自動站、雷達、雨量標校站、衛星，常規氣象資料及歷史資料入庫構成了各級氣象領域網絡中心每年數據庫建設的常態，2009年統計氣象數據存儲每年以50% ～70%增長，網絡中心需不斷投資購買昂貴的硬件設備，負擔頻繁的維護與升級，而服務器和存儲的利用率全國為15% ～25%，電力和空調占數據中心總運行費用的25% ～35%，預計2012年全國將有35%的數據中心面臨因高密度設備的需求而陷入電力及空調不足的困境，且一個新的應用往往需要60～180 d才能布置完畢，花費了大量的人力和物力。云計算存儲的新穎之處在于它幾乎可以提供無限的廉價存儲和計算能力，利用云計算存儲模式，數據儲存在云端，由專業的服務商提供維護，把分布在大量的分布式計算機上的內存、存儲和計算能力集中起來成為一個虛擬的資源池，并通過網絡為用戶提供實用存儲服務。云計算存儲對用戶端的設備要求很低，氣象科技人員只要用廉價的終端設備鏈接到云存儲，就可以拿到需要的數據資料，這一特點決定了云計算將會在各單位的網絡中心大受歡迎，可以減輕數據中心人員工作強度，為單位節約大量的計算機、網絡交換等硬件設備的購買和維護成本。

4．3 數據共享平臺的改變

氣象領域是一個資源極其豐富、數據極其龐大的行業，近幾年國家對氣象信息資源建設的投入不斷加大，各個單位都積累了大量的氣象信息資源，目前的現狀是各個單位信息資源只在本單位共享，缺乏一個行業之間部門之間的氣象信息共享平臺，這極大地浪費了資源，重復建設問題十分突出。這個問題在云計算時代將得到解決，全球或全國的氣象行業擁有一個氣象公共云，這一氣象公共云將基于Web的服務器、存儲、數據庫和其他云計算架構的服務放在一個可供世界各地氣象人員或氣象愛好者使用訪問的平臺。對于預報和行業之間的合作，如和航空、農業、林業、水利部門之間可以創建部門云，各部門把資料放在同一云中，資料共享，共同合作，協同工作，各取所需。

4．4 氣象服務平臺的改變

氣象部門是公共服務部門，為全社會提供防災減災服務，從省到市縣各單位擁有一套氣象服務平臺，大同小異，建設雷同。而在云計算時代，將是這樣的云氣象服務平臺，它將各種IT資源包括OS、服務器、路由器、存儲器等，以虛擬化技術等服務提供給云消費者，我們作為云消費者只要按時提供云氣象服務平臺需要的交互數據就可以了。氣象科技服務部門關心的是業務種類和服務類型和如何定制化服務可以更商業化，同時為氣象事業帶來豐厚的經濟收入;通過云計算模式，不再為基礎設施的建設投入資金，只需根據自己的需求，從云服務提供商獲得虛擬的基礎設施服務，在很大程度上減少了對這些基礎設施建設、運行和維護的成本，同時節約了用電。

5 云計算需要關注的問題

5．1 目前的云計算模式還存在很多有待解決的問題，將數據存放、管理信息系統的建設以及基礎設施的建立放在云端，隨之而來的最大問題就是安全與信任問題，這種擔心就像是把錢存銀行還是放在自己的保險箱里哪一個更安全一樣，在信任銀行之前，會傾向于把錢放在自己的保險箱里，經過信任評估后，再決定取舍。

5．2 由于氣象部門屬于政府公共服務部門，同時又賦予管理氣象工作的政府職能。所以在云計算時代來臨時，對氣象數據的分類就是一個必須解決的問題，哪些資料可以上公共云?哪些資料可以上部門的私有云?哪些資料免費?哪些資料收費?

5．3 網絡中心部分職能的可能由維護中心機房各類設備轉到按需購買云計算和云存儲服務，由單一的純IT技術型部門向多個技術型領域轉變，其中包括商務談判、法律法規等。

5．4 由于云計算和存儲的應用，使得全球預報資源的共享最大化，地域差異趨于最小化，很多行業甚至個人可以利用它的優勢進行生產預報產品，這無疑是給專業氣象工作帶來巨大的壓力，我們的業務水平將面臨更大的競爭和挑戰。

6 浙江氣象如何面對云計算發展的建議

6．1 提高對云計算的認識，積極面對

云計算正在大踏步的走向各個領域，作為服務于經濟大省的浙江氣象應該積極面對，妥善布局。首先要普及云計算的基本知識，特別是要使決策者能夠認識到，云計算業務最吸引人的地方是它的敏捷性、高可靠性、易布局性、容災性及快速恢復性。因為決策層的認同，是各單位IT啟動和布置氣象混合云的基礎。

6．2 提出面對云計算發展要遇到的關鍵問題，找出答案

浙江氣象在推廣云計算的過程中，可以預見會遇到許多關鍵問題，其中包括如何結合各單位的局域網構建本單位的私有云，如何將各單位的私有云與和氣象公共云結合起來，并最終綜合成浙江氣象混合云。因為我們知道氣象公共云缺乏行之有效的商業規模和安全控制技術，而結合各單位的局域網構建的私有云升級潛力有限，在應用方面難以滿足不斷提出的氣象服務要求。但是對于將來的浙江氣象混合云，有很多優勢，它包括私有和公共云之間，具有保障的資源配置，且更容易控制和管理內部和外部環境和企業級安全級別的資源。為了實現這些網絡架構的轉變，解決這些關鍵問題，浙江氣象IT團隊的教育和培訓方面投資也顯得非常重要。

6．3 立足當前，妥善布局，解決實際問題

浙江氣象信息網絡系統是由多類業務子系統構成的，其中多數子系統是實時業務系統，為保證全省氣象信息網絡的正常運行，特別是滿足不斷發生變化的氣象服務需求，要購買更多更先進的硬件設備和進行相應的軟件升級，為此網絡中心投入了大量的人力物力和時間，但仍然不能滿足日新月異的需求變化，還有許多關鍵子系統是孤軍奮戰。如MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)系統，每天不間斷作為全省氣象預報員中短期，短時預報的工作平臺，目前就是單機運行，一旦遇到故障勢必影響預報服務工作。如何解決這個問題，傳統的雙機熱備，磁盤陣列等技術已經不能滿足宕機率接近零的需求，可以采用云計算的服務器集群方案，我們不需要了解這些服務器的物理位置和他們的型號，它們可以在世界的任何地點存在，其中很可能部分服務器也會發生故障，但集群中的其他服務器會繼續工作，我們網絡中心作為云計算的客戶在與云服務提供商簽約之前，應了解自己到底有哪些資源，要購買哪些資源服務，以及我們的應用程序在公共、共享的服務器基礎架構上運行的業務流程，同時還要注意基于云而構建的所有Web服務和功能，然后通過云服務提供商系統調度得到我們要的MICAPS系統就可以了。

7 結語

我們正在步入云計算的時代。云計算通過將中間件組件化、虛擬化，為氣象領域網絡數據中心的開發提供了一種動態組成系統的有效機制，使復雜的問題可以簡單快速的解決。云計算的出現，將要影響氣象領域的許多業務平臺，帶來前所未有的改變，我們要積極面對，取其之長，補我之短。

當然，云計算并不完美，還有很多有待解決的問題，例如這種云服務的提供對網絡的依賴極大還有安全信任問題。但是，不可否認，云計算提供了一條新的思路：動態的組成系統，簡單的處理方式，更大程度的資源共享。可以說，云計算時代的到來，將使氣象領域網絡應用，數據存儲模式，預報服務方式帶入一個新的里程碑。

［1］ Jim Baty．Take Your Business to a Higher Level：Sun Cloud Computing［J］．2008(13)：45-48．

［2］ Mike Hogan．How Databases Can Meet The Demands of Cloud Computing［J］．2008(2)：41-43．

［3］ ZHANG T T，LU YL，HU IH T．Compensation for the mutual coupling effect in uniform circular arrays for 2D DOA estimations employing the maximum likelihood technique［J］．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2008，44(3) ：1215-1221．

［4］ 李 響．云計算風云乍起．計算機世界報，2008(14)：12-13．

［5］ Assessing the Security Risks of Cloud Computing，2008，http：//www．gartner．com/Disp layDocument?id=685308．

［6］ 維基百科．Cloud computing［EB/OL］．［2009-03-10］．http：//en．wikipedia．org/wiki/Cloud_computing．

［7］ 中國云計算網．什么是云計算?［EB/OL］．(2008-05-14)［2009-02-27］．http：//www．cloudcomputing2china．cn/Article/ShowArticle．asp?Article ID=1．

［8］ VAQUERO L M，CACERES J，et al．A break in the clouds：Towards a cloud definition［J］．ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2009，39(1) ：50-55．

［9］ WEISS A．Computing in the clouds［J］．ACM Networker，2007，11(4)：16-25．

［10］ CHANG F，DEAN J，GHEMAWAT S，et al．BigTable：A distributed storage system for structured data［J］．ACM Transactions on Computer Systems，2008，26(2) ：1-26．