云計算綜述

戴麗榮，戴 舒

（1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.天津市中德職業技術學院 機械與材料學院，天津 300350）

1 云計算起源

云計算是在分布式計算、并行計算和網格計算等技術的基礎上發展起來的，是一種新興的共享基礎架構的方法。它可以自我維護和管理龐大的虛擬計算資源，提供各種IT服務。用戶在使用云計算提供的服務時按需付費，不僅降低了使用門檻，也極大地節省了開銷。

2006年以前谷歌就已經有了成熟的云計算硬件架構，軟件方面也開發了操作系統、文件系統、并行編程模型、并行計算數據庫等云計算系統關鍵部件。

國內華東師大周傲英教授的科研團隊在“數據密集型計算”領域的研究；清華大學張堯學院士的科研團隊于1998年提出的“透明計算”等都可以看作云計算的前身，都在云計算的關鍵技術——虛擬化技術中做了大量研究。

在以上研究的基礎上，2006年Google首席執行官埃里克在搜索引擎大會上首次提出云計算概念。隨后IBM和Google宣布在云計算領域的合作，并迅速成為產業界和學術界研究的熱點。目前，Google、IBM、Amazon、Sun、蘋果等公司在云計算領域都已經取得了顯著的成果，并在基礎設施、平臺、軟件等服務中越來越完善。

2011年以來，我國云計算已經從前期的起步階段開始進入實質性發展階段。互聯網公司、基礎運營商、軟硬件IT企業及各地政府等多方力量都在積極推動云計算發展。很多行業也都在試圖應用云計算減少設備投資和運營成本。

2 云計算概念

云計算不是一個單純的產品，也不是一項全新的技術，而是一種產生和獲取計算能力的新的方式。

（1）Google認為：云計算是擁有開放標準和基于互聯網服務的，可以提供安全、快捷和便利的數據存儲和網絡計算服務的系統。

（2）美國國家標準技術研究所認為：云計算是一種應用資源模式，它可以根據需要用一種很簡單的方法通過網絡訪問已配置的計算資源。這些資源由服務提供商以最小的代價或專業的運作快速的配置和發布。

3 云計算的特點

（1）超大規模。Google云計算已經擁有100多萬臺服務器，Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺服務器。企業私有云一般擁有數百上千臺服務器。“云”能賦予用戶前所未有的計算能力。

（2）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，用戶無需了解、不用擔心應用運行的具體位置。只需要一臺筆記本或者一部手機，就可以通過網絡服務來實現需要的一切，甚至包括超級計算。

（3）高可靠性。“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。

（4）通用性。云計算不針對特定的應用，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。

（5）高可擴展性。“云”的規模可以動態伸縮，滿足應用和用戶規模增長的需要。

（6）按需服務。“云”是一個龐大的資源池，按需購買。云可以像自來水、電、煤氣那樣計費。

（7）極其廉價。a.由于“云”的特殊容錯措施，云由極其廉價的節點來構成；b.“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；c.“云”的通用性使資源的利用率較之傳統系統大幅提升。

缺點是潛在的危險性：云計算除了提供計算服務外，還提供了存儲服務。但是云計算服務當前壟斷在私人機構手中，而他們僅僅能夠提供商業信用。數據的安全性保障目前還是個大問題。

4 與分布式計算、網格計算的區別

分布式計算是一種把需要進行大量計算的工程數據分解成小塊，由多臺計算機分別計算，然后將結果統一合并得出數據結論的科學。

云計算和網格計算都屬分布式計算的范疇。

由于云計算和網格計算都具有分布式、并行處理等特點。但云計算并不是網格計算的“升級版”，它與網格計算存在巨大的差異。網格的構建大多為完成某一個特定的任務需要或者支持挑戰性的應用，云計算一般來說都是為了通用應用而設計的，支持Web應用等，普適性更強。網格計算作為一種面向特殊應用的解決方案將會繼續在某些領域存在，而云計算作為一場IT變革，則會深刻影響整個IT產業和人類社會。

云計算是一種“生產者—消費者”模型，用戶通過因特網獲取云計算系統提供的各種服務。網格系統是一種“資源共享”模型，資源提供者亦可成為資源消費者。云計算采用集群來存儲和管理數據資源，運行的任務以數據為中心。而網格計算則是以計算為中心，計算資源和存儲資源分布在因特網的各個角落。網格將數據和計算資源虛擬化，而云計算則進一步將硬件資源虛擬化。網格內各節點采用統一的操作系統，而云計算在各種操作系統的虛擬機上提供各種服務。

5 有代表性的云計算廠商

（1）Google最早提出云計算概念，正在運營的云計算商用平臺稱為Google應用引擎。平臺上開發完善了操作系統Chrome OS、MapReduce編程模型、GFS文件系統和BigTable數據管理。Google推出了許多新的應用，從文檔Google docs，圖片Google Picasa，郵件 Gmail，到日程 Google Calendar，地圖Google map，翻譯Google translate等等，其應用涵蓋桌面電腦日常應用的方方面面。

（2）亞馬遜在2011年全美評選十大“云計算”供應商中排名第一。其云計算主要是提供底層的數據存儲、計算機處理、信息排隊和數據庫管理系統等服務，不包括應用層面的服務。亞馬遜的云計算名為AWS（亞馬遜網絡服務），包括四部分：S3（簡單的存儲服務）；EC2（彈性計算云）；SQS（簡單排列服務）；分布式數據存儲Simple DB。

（3）IBM推出的“藍云計劃”在全球建立了數十家云計算中心，在中國選擇了北京和無錫作為其基地。IBM的藍云平臺由數據中心、管理軟件、監控軟件、應用服務器、數據庫以及一些虛擬化組件共同組成，是一個企業級的解決方案。

（4）微軟云計算包括三種運營模式：第一種模式是公司自己為客戶提供公有云服務；第二種是和合作伙伴一起開發應用為客戶服務；第三種是客戶建立自己的私有云，微軟提供平臺、產品、技術等支持。微軟在部署模式上全面覆蓋了私有云、公有云和混合云的構建。提供的服務包括基礎設施服務（IaaS）、平臺服務（PaaS）和軟件服務（SaaS）。

（5）SUN最早提出“網絡就是計算機”。為了讓云計算更容易使用，SUN做兩件事情：一個是Network.com，集中了許多基于網格的在線應用，用戶按照使用量來付費；另一個是Caroline項目，目的是讓需要WEB應用和服務的開發人員可以很容易獲得基于云的資源。SUN云計算是一個開放式平臺，用戶可以在平臺上構建或者部署自己的應用程序，可以把自己的應用程序共享出來，作為服務提供給其他用戶。

（6）國內阿里（Alisoft）中小企業管理軟件平臺也產生了很大的影響。2009年，阿里巴巴集團成立子公司“阿里云”，并專注于云計算領域的研究和開發。2012年阿里云為CSDN量身打造的基礎云平臺的第一個服務云郵箱正式上線運營，緊接著開放了存儲業務。同年，阿里云聯手天語打造的新一代云智能手機。

6 云計算數據存儲和數據管理技術

6.1 云數據存儲

與傳統的存儲設備相比，云存儲不僅僅是一個硬件，而是一個網絡設備、存儲設備、服務器、應用軟件等多個部分組成的復雜系統。各部分以存儲設備為核心，通過應用軟件來對外提供數據存儲和業務訪問服務。

云計算的數據存儲技術主要有Google的非開源的GFS（Google File System）和 Hadoop開發團隊開發的GFS的開源實現HDFS（Hadoop Distributed File System）。

6.2 云數據管理

云計算數據管理技術中最著名的是Google提出的BigTable數據管理技術。BigTable是管理結構化數據的分布式存儲系統。它可以處理PB級數據，可以布署數以千計的普通計算機。

7 編程模型技術

當前IT廠商提出的“云”計劃編程工具，均基于MapReduce和Dryad的編程模型。MapReduce是提出的一個軟件架構，用于大規模數據集的并行運算。“Map（映射）”和“Reduce（歸約）”及基本思想來自于函數式編程語言。MapReduce的主要思想是將要執行的問題分解成Map和Reduce兩個過程：先通過Map函數將問題分解成不相關的區塊，分配給服務器并行處理；再通過Reduce函數將結果歸約匯總輸出。微軟發布的分布式并行計算平臺Dryad，可以使開發人員在Windows或者.Net平臺上編寫大規模的并行應用程序，并能夠方便地將單機上編寫的程序運行在分布式并行計算平臺上。

8 云安全

8.1 云計算的主要安全風險

a.來自云計算服務提供商的安全風險。

b.來自網絡的安全風險。

c.虛擬化的安全風險。

d.邊界安全模型失效帶來的安全風險。

8.2 目前關于云計算安全性的研究

安全性研究集中在云計算安全標準的建立、可信訪問控制、數據隱私保護、虛擬安全技術等方面。目前這些技術都未十分成熟，對于普通用戶來說，還不能完全依賴服務商和安全技術來保障自己的數據安全。

8.3 降低云計算的安全風險

a.選擇相對可靠的云計算服務提供商；

b.經常備份數據；

c.增強安全防范意識，不將敏感或核心數據放在云端；

d.增強訪問控制，明確誰可以訪問企業的數據。

9 云計算需解決的問題

云計算概念已提出六年，云計算研究時間更長，但云計算系統還是有很多問題沒有解決。

（1）標準化問題：現有的云計算系統的部署相對分散，各自內部能夠實現虛擬資源的自動分配、管理和容錯等，但云計算系統之間的交互還沒有統一的標準。關于云計算系統的標準化工作還需要更進一步的研究，還有一系列亟待解決的問題。

（2）數據安全問題：在云計算系統中，用戶數據存儲在云端，如何保證用戶的數據不被非法訪問和泄露是系統必須解決的兩個重要問題，即數據的安全和隱私問題。

（3）網絡穩定性問題：云服務要求網絡連接具有持續性，Web應用程序的效率在帶寬不足或不良的網絡連接環境下會大大縮減。即使是網絡相當快，由于數據資源在用戶端和服務器集群間不斷傳遞，也會導致Web應用程序比桌面應用程序反應慢。此外，網絡有時會受到一些外力因素的影響而出現故障。如何應對這些突發情況，云計算中心如何快速恢復故障，也是必須考慮的問題。

（4）法律法規和監管問題：目前尚沒有相關的國家或國際法律法規來支持和規范云計算，缺乏一個監管機構來監督管理云計算。云計算服務商和用戶之間的責任及糾紛問題該如何規定，都沒有明確統一的法律依據。

（5）市場調節問題：云計算的影響力正在逐漸向軟件、硬件和服務等領域漫延。它的出現對于傳統軟件是一個變革，傳統軟件需要云化，才能改善其服務能力。也改變了傳統硬件模式，對硬件供應商造成一定的沖擊。同時，服務的模式也在發生變化。由于現有軟件、硬件制造商的利益受到威脅，必會導致市場的激烈競爭，這就需要對市場進行正確的引導和調節。

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