云計算及其架構技術研究

李舒磊

摘要：隨著我國計算機技術的迅猛發展，云計算是在并行計算、分布式計算、網格計算的基礎上逐步發展起來，并且得到了廣泛的應用。但是，云計算及云平臺的系統架構一直是許多計算機工作者研究的對象，主要集中于云計算平臺底層基礎設施的構建和云平臺軟件系統構建兩個層面。本文詳細的介紹云計算的相關概念和理論，分析了實現云平臺的核心技術，并基于此，針對云計算架構實施了研究，包括云計算硬件基礎設計架構和軟件系統架構。

關鍵詞：云計算網格計算系統架構服務器集群

1 概述

近年來，隨著計算機技術的高速發展，在諸多研究者的努力之下，已經誕生了許多新技術，云計算技術就是一種新型的計算機技術[1]。目前，作為計算機界研究和應用最為熱門的技術之一，云計算將許多熱門的、先進的信息技術及其應用大眾化，便于人們理解，人們通常對使用云技術或者云裳的服務時，類似于使用家里的水電氣一樣。

云計算是一種基于并行處理、分布式處理和網格計算等技術發展起來的一種適應現代人們工作、生活和學習需要的新型計算模式，其能夠優化計算機資源組合，創新了計算機提供的服務模式[2]。在現代分布式應用系統開發過程中，引入云計算技術，可以大大的降低政企單位IT開發實現和運行維護的成本，同時降低了能源消耗，有效的加快了信息化建設的進程，另外，互聯網技術和云計算技術的有機結合，也催生了信息服務產業的模式發生改變，云計算技術將互聯網技術、通信技術和傳統信息管理技術不斷的有機交融，高速驅動和促進了人們的需求和商業模式發生轉變。

作為計算機學科的新興技術之一，云計算已經得到了人們的廣泛關注和研究，其架構技術就是諸多系統結構學者研究的方向和熱點，本文研究主要集中于云計算平臺底層基礎設施的構建和云平臺軟件系統構建兩個層面。

2 云計算相關理論技術

2.1 云計算概念

云計算融合了虛擬化技術、網格技術和Web服務技術，其能夠有效的組織互聯信息資源，滿足用戶的需求，是一種新興的網絡資源組織結構。云計算作為一種新興的計算架構和應用模式，具有很多優勢，主要包括高可靠性、超大規模及其可擴展性和信息服務的便捷性和通用性[3]。

2.1.1 超大規模及其可擴展性。“云”具有漫無邊際、超大規模的自然特征，“云計算”雖然是一種計算技術，但是其同樣具有上述特性，能夠利用網絡資源，構建超大規模的基礎設施、信息基地、信息服務等為用戶服務，云計算能夠將這些用戶終端或者服務設施擴展到大規模的集群上，實現無縫對接，可以同時處理數量級規模的節點請求，因此，對用戶來講，“云”的規模可以實現動態伸縮，以便滿足用戶不同時期不同大小的需求，具有極強的可擴展性。

2.1.2 高可靠性。虛擬化技術、分布式計算技術和網格計算技術日趨成熟，并且應在許多領域得到了廣泛的應用，因此，這些實現云計算的基本技術保障了云計算的可靠性；在安全方面，云計算技術使用的大量的不同的服務器計算節點可以采用同構互換技術，具有極好的容錯容災能力，能夠確保數據的安全性、完整性，進而確保了用戶使用的可靠性。

2.1.3 信息服務的通用性和便捷性。云計算誕生以后，用戶可以隨時隨地享受云計算帶來的優勢，不會受到時空限制，用戶在享受云平臺的服務時，用戶只需要擁有通過Internet或者通過收費或者免費獲取的訪問驗證信息即可使用云服務，也不會受到訪問平臺和系統的制約。

2.2 云計算核心技術

作為一種高性能的服務計算模式，其涉及了許多先進的計算機技術，其核心技術主要包括數據存儲技術、數據管理技術、大規模服務器串聯技術和分布式的并行編程模型等四種[4]。

2.2.1 云數據存儲技術。云計算平臺承載的用戶規模數量級上升，因此，為了滿足海量用戶的需求，云數據雖然存儲在不同的節點上，但是為了滿足這么大規模的用戶訪問，需要保證存儲器的容量，并且提供高吞吐率和高傳輸率等訪問性能。基于云計算的Google平臺采用了GFS文件系統，其串聯了數以萬計的普通硬盤，可以按照GB級的數據處理度量。

2.2.2 云數據管理技術。云數據庫系統是專門管理分布式數據庫中存放的數據的，其用來處理PB級的結構化數據，云數據庫系統可以有效實現用戶訪問的透明性，對于用戶來講，其訪問數據就猶如在一個終端上。

2.2.3 數據中心服務器串聯技術。云計算數據中心能夠串聯龐大的、海量的數據服務器集群，串聯技術包括集群的部署、服務器的串聯方式、動態數據遷移和數據快照等。

2.2.4 云編程模型。云編程模型可以為云數據提供訪問模型，為用戶提供編程接口，實現數據的并行訪問和存儲等功能，Google云數據采用的云編程模型的核心技術是MapReduce，該技術也是目前被廣泛應用于云計算的編程模型。

3 云計算架構模式研究

3.1 云計算架構模式概述

云計算作為一個具有高可靠性、高并行性、分布性的計算和服務模式，其架構一直受到諸多學者的關注和研究。雷萬云等人認為云計算的體系架構包括六層，其能夠由各種服務器節點、終端用戶節點等共同組成，并且能夠利用邏輯編程語言實現接口模式，以便供用戶使用；Youself等人[5]認為，云計算架構是一種棧結構，由軟硬件構成的固件、云平臺系統共同構成；王鵬等人[6]認為云計算是一種基于不可信節點的計算架構，并且給出了從構成云計算平臺的底層硬件到表層應用的9層模型；JohnW.Rittinghouse等人[7]提出了通信即服務、技術設施即服務、檢測即服務、平臺即服務和軟件即服務的系統架構；總的來說云計算應該由實體部分即基礎設施和軟件部分即計算系統構成。

3.2 云計算硬件基礎設計架構

云計算硬件基礎架構是云計算的承載實體，是構建云計算平臺的必備硬件，其架構主要包括三個組成部分：服務器集群、海量存儲設備和高速的網絡帶寬鏈路。

3.2.1 服務器集群。云計算最明顯的特征就是串聯了海量的服務器設備，因此，作為實現云計算的基礎，需要解決大規模服務器串聯的問題，比如串聯服務器需要散熱問題，云計算數據中心采用了“貨柜式”的放置方法，其能夠將大量的服務器集群整體擺放在一個類似于大貨車的集裝箱里面。為了能夠有效的實現云計算平臺的功能，這些規模龐大的服務器集群需要采用可伸縮性強、規模大、數據重復性和容錯功能強、平衡負載能力強的串聯技術。目前，許多云計算數據中心采用護衛備份的方法，以便有效的維護服務器集群間的平衡，將計算工作映射均分到各個服務器集群上去[8]。

3.2.2 海量存儲空間設備。云計算作為基礎設施既是服務（Laas）的承載實體，其需要為海量用戶提供高性能的計算服務，同時必須能夠存儲海量數據，以便滿足用戶對不斷增強的數據信息存儲的需求，目前，Google公司在全球擁有36個大規模數據中心，其可以為用戶提供115.2萬兆字節的內容供世界各地的用戶使用，通過GFS和BigTable數據管理軟件管理海量數據。

3.2.3 高速網絡帶寬。云計算是一種基于互聯網技術的計算服務模式，分布在世界各處的服務器群和超大規模的存儲器需要進行訪問交互和存儲，其要求云計算數據中心的服務器之間必須使用高帶寬的網絡實現互聯互通，客戶端也需要擁有高速的網絡和頻寬，以便滿足用戶的實時性、高速型需求。

3.3 云計算軟件系統平臺架構

云計算的硬件基礎是實現云計算服務的承載實體，為了更好的組織這些物理實體，必須設計相應的系統軟件，組織這些物理實體，以便更好的發揮物理實體的作用。