基于云技術的計算模式及其實現

蔣建軍　丁志鋒

1(上海電機學院電子信息學院　上海 200240)2(武漢理工大學信息工程學院　湖北 武漢 430070)

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基于云技術的計算模式及其實現

蔣建軍1,2丁志鋒1

1(上海電機學院電子信息學院上海 200240)2(武漢理工大學信息工程學院湖北 武漢 430070)

摘要針對傳統計算模式下設備、操作系統、應用程序和用戶數據緊耦合的問題，提出基于云技術的計算模式，實現這四個要素的“完全分”和“自由合”。作為云技術計算模式的原型實現，云平臺在后端構建存儲云、桌面云和應用云，將用戶數據、操作系統和應用程序都集中部署在數據中心，可以讓用戶專注于自己的數據，在任何時候、從任何地方、使用任何設備、連接任何桌面、運行任何應用程序來訪問、處理和分享自己的數據。

關鍵詞云技術虛擬化管理引擎桌面云應用云存儲云

0引言

計算技術的發展已經極大地影響了我們的生產和生活方式。傳統計算模式下，我們在設備上安裝操作系統，操作系統中安裝應用程序，用應用程序處理數據。傳統計算模式采用以設備為中心的基礎架構，用戶在處理數據時會有很多的不便。因此，信息技術領域的研發人員一直致力于對傳統計算模式的擴展技術，包括存儲分離、桌面分離以及應用分離等。

近年來，基于虛擬化的云技術已經成為繼個人計算機、互聯網之后新的熱點技術。云技術主要包含存儲云、桌面云以及應用云等。存儲云拓展存儲路徑，使之跨越各種邏輯層、經過網絡、進入虛擬機，將數據保存在云端。桌面云消除用戶桌面和特定硬件之間的綁定關系，在“云”中為用戶提供遠程計算機桌面服務。應用云將應用程序部署在“云”中，用戶可以從任何客戶端運行這些應用程序，如同本地安裝的應用程序一樣。

目前針對虛擬化和云技術的研究非常廣泛。Michael等[1]概括了云計算的發展趨勢，并特別提出10個主要的發展障礙和機遇。Vasuprada等[2]總結了各種桌面虛擬化方案。Karl和Clarke給出了不同的虛擬化產品分類，并給出了應用虛擬化的實現框架[3]。Amira等討論了云存儲的發展需求和挑戰，同時談到了當前主要的云存儲服務提供商[4]。

各種云技術商業軟件和開源軟件也很多。在商業軟件方面，桌面云產品主要有CitrixXenDesktop[5]、VMwareESXi、MicrosoftHyper-V和RedhatHypervisor[6]等；應用云主要有MicrosoftRemoteApp和CitrixXenApp；存儲云產品有Dropbox、百度網盤等。在開源技術方面，桌面和服務器虛擬化項目有OpenStack[7]、CloudStack[8]、Ovirt[9]等；Ulteo[10]發布了基于網絡的應用虛擬化軟件；而存儲虛擬化方面有OwnCloud[11]等。從這些文獻和項目可以看到，對于各種云技術的獨立研究已經比較深入，但是綜合上述技術的產品和應用相對還少。

云技術的發展促進了計算模式的變革，本文提出一種新的技術模式：基于云技術的計算模式。和傳統計算模式相比，基于云技術的計算模式實現了設備、操作系統、應用程序和用戶數據的“完全分“和”自由合”。可以讓用戶專注于自己的數據，在任何時候、從任何地方、使用任何設備、連接任何桌面、運行任何應用程序來訪問、處理和分享自己的數據。

1傳統計算模式及其擴展

圖1　傳統計算模式

傳統計算模式(如圖1所示)是一種緊耦合的計算模式，用戶在臺式機、便攜式電腦等個人計算機上搭建計算環境，即在硬件設備上安裝操作系統，在操作系統中安裝應用程序，用應用程序來處理本地設備中的數據。傳統計算模式采用的是以設備為中心的基礎架構，計算環境和特定硬件綁定在一起。

毋庸置疑，傳統技術模式有很大的局限性。用戶要操作自己的數據，一方面受時間和距離的限制，另一方面，只能使用特定硬件和特定架構的設備。此外，還必須在設備中安裝特定操作系統，以及在操作系統中安裝特定應用程序。這就使得用戶無法專注于自己的數據，不得不將精力分散在數據操作的方法和途徑。

多年以來，信息技術工作者一直致力于改變這一狀況，產生了對傳統計算模式的不同擴展技術，包括存儲分離、桌面分離以及應用分離等，如圖2所示。

圖2　計算模式擴展

計算模式擴展之一(存儲分離)：將存儲(數據)分隔出來，在設備上安裝操作系統，運行應用程序，處理外部的數據。例子：USB、NAS、iSCSI、網盤等。

計算模式擴展之二(桌面分離)：從設備訪問遠程計算機，實現遠程管理、移動辦公等目的。例子：RDP、VNC、TeamViewer等。

計算模式擴展之三(應用分離)：運行網絡上的應用程序，就像安裝在本地的應用程序一樣。例子：XenApp、RemoteApp。

存儲分離、桌面分離、應用分離等擴展技術還不能從根本上改變傳統計算模式的限制。云技術的產生和發展推動了計算模式的革新，產生了基于云技術的計算模式。

2基于云技術的計算模式

圖3　基于云技術的計算模式

基于云技術的計算模式(如圖3所示)實現了設備、操作系統、應用程序、數據的“完全分”與“自由合”。基于云技術的計算模式將用戶數據、操作系統和應用程序都集中部署在數據中心，采用的是以用戶為中心的基礎架構。用戶只需要記住自己的帳號和密碼，就可以在任何時間、從任何地點、用任何設備(不限操作系統、無需應用程序)來操作自己的數據。

在基于云技術的計算模式下，設備、操作系統、應用程序、數據四個要素之間相互獨立、相互關聯。用戶從任何設備、使用本地或遠程操作系統，運行本地或遠程應用程序、處理存儲在本地或遠程的數據。云技術計算模式支持以下四種場景：

使用場景一：在設備上直接處理存儲在遠程的數據；

使用場景二：在設備上連接遠程桌面，處理存儲在遠程的數據；

使用場景三：在設備上運行遠程應用，處理存儲在遠程的數據；

使用場景四：在設備上連接遠程桌面，運行遠程應用，處理存儲在遠程的數據；

基于云技術的計算模式是對傳統計算模式的革新，云技術計算模式讓用戶只需專注于數據，可以隨時隨地輕而易舉地訪問、處理和分享自己的數據。

3云平臺的設計與實現

本文開發了一個云平臺，進而通過該云平臺實現了基于云技術的計算模式。云平臺在后端構建一系列云：桌面云、應用云以及存儲云。三者之間的關系可以概括為：桌面云為基礎、應用云為支撐、存儲云為核心。

用戶可以通過臺式機、便攜式電腦、瘦客戶端、零客戶端、平板電腦、智能手機等設備直接訪問自己在存儲云中的數據；或者運行應用云中的應用程序，對存儲云中的數據進行處理；或者連接到桌面云中的虛擬桌面，訪問自己在存儲云中的數據。

云平臺實現架構如圖4所示，包括硬件資源層、管理引擎層、邏輯資源層、訪問入口層以及訪問設備層。

圖4　云平臺實現架構

? 硬件資源層：是云平臺的硬件基礎，包括服務器、存儲設備以及交換機等。

? 管理引擎層：云平臺管理引擎將物理硬件資源虛擬化成一個高可用數據中心。云存儲管理引擎、云桌面管理引擎、云應用管理引擎則構建相應的“存儲云”、“桌面云”和“應用云”。

? 邏輯資源層：由管理引擎從數據中心中創建的邏輯資源，組織成“池”的方式。

? 訪問入口層：存儲云、桌面云、應用云入口訪問對應的邏輯資源，統一入口可訪問所有邏輯資源。

? 訪問設備層：包括臺式機、便攜式電腦、瘦客戶端、平板電腦、智能手機等，可以安裝Windows、Linux、Android、MacOS、iOS等操作系統。

云平臺的核心是三個管理引擎，即云桌面管理引擎、云存儲管理引擎、云應用管理引擎。目前，它們是三個獨立的模塊，被整合為一個統一的云平臺。

3.1云存儲管理引擎

在云平臺中，每個用戶擁有一個存儲空間。云存儲管理引擎包括管理員入口、以及用戶入口。

管理員通過管理入口對存儲云進行管理，包括管理用戶、設置認證方式、限制存儲配額等。

用戶可以通過用戶入口(瀏覽器方式)訪問自己在存儲云中的存儲空間，執行上傳、下載、查看、共享等操作。

用戶也可以將云存儲空間映射為客戶端設備的存儲空間(掛載到本地驅動器或者是本地文件夾)，直接編輯其中的文件，而無需向其他網盤一樣，必須先將文件從云存儲下載到客戶端，進行編輯，然后再上傳到云存儲中。

3.2云桌面管理引擎

云桌面管理引擎通過虛擬化技術將多個物理服務器虛擬化成一個高可用的數據中心，進而在數據中心中創建各種類型的虛擬桌面。用戶可以隨時隨地連接到自己的虛擬桌面，使用其中部署好的計算環境。云桌面管理引擎包括管理員入口以及用戶入口。

管理員通過管理員入口對桌面云進行管理,可執行如下的管理功能：

? 管理虛擬化節點：虛擬化節點即虛擬機服務器，是所有云桌面駐留在的地方。

? 管理模板，模板從已經安裝了完整環境的云桌面制作而成，可以很方便地克隆出具有相同初始配置的云桌面。

? 管理桌面池，桌面池包含了一批具有相同初始配置的云桌面。

? 管理云桌面，包括從模板創建桌面、從桌面池創建桌面、將桌面分配給用戶、從用戶回收桌面等。

用戶可以通過用戶入口(瀏覽器方式)或者客戶端軟件查詢分配給自己的虛擬桌面列表，并連接到任何虛擬桌面。

3.3云應用管理引擎

云應用管理引擎可以將運行在Windows或Linux應用服務器上的應用程序發布為云應用，進而授權給用戶。用戶登錄到應用云，找到授權給自己的云應用，可以直接運行，如同運行在本地安裝的應用程序一樣。云應用管理引擎包括管理員入口和用戶入口。

管理員通過管理員入口對應用云進行管理，可執行如下的管理功能：

? 管理應用服務器：包括查詢應用服務器列表。

? 管理應用程序：包括查詢應用程序列表。

? 管理遠程應用：包括列出遠程應用、發布遠程應用、取消發布遠程應用、授權給用戶、取消授權給用戶。

用戶可以使用通過用戶入口查詢分配給自己的遠程應用列表，并選擇任何應用程序運行。用戶也可以打包下載授權給自己的云應用，執行單步設置，所有云應用的快捷方式都會出現在客戶端桌面上，雙擊即可直接運行。

3.4云平臺統一入口

目前，云平臺中云桌面、云應用和云存儲是三個相互獨立的模塊，通過統一的LDAP認證方式，云平臺能夠支持用戶的單點登錄。

用戶登錄時，通過LDAP認證后，云平臺統一入口向各個管理引擎查詢該用戶所擁有的資源，比如分配了哪些云桌面、授權了哪些云應用，以及訪問云存儲的鏈接等，登錄后將這些云資源呈現給用戶。

用戶可以通過云統一平臺從界面上直接以瀏覽器方式，或者下載后通過客戶端軟件來連接分配給自己的云桌面、授權給自己的云應用，以及訪問分配給自己的云存儲。

4云平臺接入方式

用戶可以靈活使用各種方式接入云平臺，例如：

? 通過臺式機、便攜式電腦、瘦客戶端、平板電腦和智能手機等接入；

? 從安裝有Windows、Linux、MacOS、Android、iOS等各種操作系統的設備接入。

? 通過瀏覽器方式或使用客戶端軟件接入。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或移動客戶端訪問用戶的云存儲，執行上傳、下載、查看、分享等操作,也可以通過客戶端將云存儲掛載為本地磁盤，直接處理云存儲中的數據。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或客戶端軟件訪問用戶的云桌面。在連接時，自動將云存儲掛載為本地一個磁盤，從而可以在云桌面中直接處理云存儲中的數據。在連接時，也能夠自動在云桌面中為授權給用戶的云應用創建快捷方式，方便用戶在云桌面中直接運行云應用。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或桌面快捷方式直接運行用戶的云應用。在運行時，自動將云存儲掛載為應用服務器上的一個磁盤，從而可以在云應用中直接處理云存儲中的數據。

5云平臺應用實例

上海電機學院一直關注著信息技術的發展，很早就意識到以虛擬化技術為核心的“云計算”已經成為繼個人計算機、互聯網之后新的熱點技術，未來在學校的信息化建設中將有著很大的作用。

作為嘗試，上海電機學院在校內范圍內實施了云統一平臺項目，將云桌面、云應用、云存儲等作為資源，像傳統的教務管理系統、科研管理系統一樣，開放給部分老師。

? 老師可以有自己的云存儲，將課件保存在云存儲，通過手機等移動設備方便地查閱、展示。可以通過云存儲將課件分享給學生，以及建立一個公共的文件夾收集學生的作業。

? 老師可以有自己的云桌面，也能從云桌面中直接訪問云存儲，或者在云桌面的某個文件夾與云存儲之間創建同步。這樣，就可以在辦公室通過云桌面來備課，然后在教室連到云桌面進行授課。

? 老師也可以在云平臺中獲得一些云應用的授權，從而在需要使用客戶端或云桌面沒有安裝的某些特定應用程序來處理數據時，就可以使用云應用，所處理的數據可以直接保存到云存儲，以方便訪問。

老師可以在校內通過域名cloud.sdju.edu.cn訪問云統一平臺門戶(如圖5所示)，進而通過此門戶連接分配自己的云桌面，運行授權給自己的云應用，或者訪問分配給自己的云存儲。

圖5　云統一平臺門戶

老師也可以在校內通過域名desk.sdju.edu.cn、app.sdju.edu.cn、stor.sdju.edu.cn直接訪問云桌面、云應用或云存儲資源。這里只列出云應用用戶入口的主界面，如圖6所示。

云統一平臺的實施給老師帶來了方便，最大的優點在于：他們能夠真正意義上把注意力集中在自己的數據上。只要數據不出現問題，客戶端硬件設備損壞、操作系統崩潰、應用程序故障都無關緊要，他們可以在第一時間使用其他客戶端、云桌面和云應用資源來操作數據。

通過此應用實例可以看出，云平臺的應用是非常廣泛的，并不僅限于某個行業，某種應用，未來將有更多的普及。

圖6　云應用用戶入口

6結語

本文介紹了基于云技術的計算模式。和傳統技術模式相比，它實現了設備、操作系統、應用程序、數據的“完全分”與“自由合”。我們已經完成了基于云技術的計算平臺的原型實現。在該實現中，存儲云、桌面云、應用云可以作為三個獨立的系統，也可以統一進行部署，允許用戶通過云平臺統一用戶入口來訪問。基本上，云平臺支持基于云技術的計算模式四種使用場景，但是如何改善用戶體驗是下一步要解決的主要課題。

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[10]Ulteo.ApplicationDeliveryPlatform[EB/OL].[2014-10].http://www.ulteo.org/.

[11]OwnCloud.OwnCloudDocumentation[EB/OL].[2014-10].http://www.owncloud.org/.

CLOUD TECHNOLOGY-BASED COMPUTING MODEL AND ITS IMPLEMENTATION

Jiang Jianjun1,2Ding Zhifeng1

1(School of Electronic Information,Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China)2(School of Information Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei,China)

AbstractIn light of the problem of tight coupling among device, operating system, application and data in traditional computing mode, we present the cloud technology-based computing mode to achieve the “complete separation” and “free combination” of these four elements. As the prototype implementation of cloud computing mode, the cloud platform constructs the storage could, desktop cloud and application cloud on backend, and centralises user data, operating system and applications in data centre, which is able make users focus on the data of their own, and access, process and share their data in any time, from anywhere, using any device, connecting any desktop and running any application.

KeywordsCloud technologyVirtualisationManagement engineDesktop cloudApplication cloudStorage cloud

收稿日期：2014-11-07。上海市科技型中小企業技術創新資金項目(1401H186600)。蔣建軍，副教授，主研領域：信息、網絡、存儲、虛擬化技術及應用。丁志鋒，工程師。

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.021