云計算IaaS實例研究綜述

張力

摘 要：對比傳統基礎架構，分析了云計算IaaS的組件和工作原理，研究了IBM的PowerLinux架構、思科的HyperFlex架構以及華為的Openstack架構的各自特點及服務，以期為用戶選擇IaaS服務提供參考。

關鍵詞：云計算；IaaS；Hadoop；云基礎架構

DOIDOI：10.11907/rjdk.171372

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0208-03

0 引言

隨著2006年谷歌推出“101計劃”，云計算開始進入人們視野。如今，云計算已在人們的工作、生活中得到了廣泛應用。云計算能給用戶帶來更少的支出、更高的效率、更靈活的擴展性，都是源于云計算是基于對整個IT領域的變革，其技術和應用涉及硬件與軟件系統、運維管理、服務模式等各個方面。

云計算的服務形式主要有3種：SaaS（軟件即服務）、PaaS（平臺即服務）、IaaS（基礎即服務）。IaaS作為云計算最基礎的服務，將基礎架構進行云化，為應用系統的安裝、部署和運行維護提供支撐，以提升應用系統工作效率，降低總成本。IaaS由于包含各種軟硬件系統，因此在向云遷移過程中也面臨前所未有的挑戰。本文首先分析IaaS的各種組件和工作原理，然后研究IBM的PowerLinux架構、思科的Cisco HyperFlex架構、華為的OpenStack架構，分析相關產品特點，最后對3種服務進行比較，以期為用戶選擇合適的基礎架構服務提供借鑒。

1 傳統基礎架構

傳統的IT基礎架構如圖1所示，屬于專機專用系統。只要有新應用系統上線，就要分析該應用系統的資源需求，確定基礎架構所需的計算、存儲、網絡等設備規格和數量。傳統模式主要存在以下問題[1]：

（1）硬件資料高配低用。出于對未來業務發展的考慮，在選擇計算、存儲、網絡等硬件設備配置時通常留有余量，但余量一般使用較少，從而使高配置的硬件設備利用率不高。

（2）整合困難。用戶需要上線新的應用系統時，會優先考慮部署在既有的基礎架構上。但由于不同應用系統所需的運行環境等有很大差異，而且考慮到可靠性、穩定性、運維管理等問題，將新、舊應用系統整合在一套基礎架構上的難度非常大，更多用戶往往選擇新增與應用系統配套的計算、存儲和網絡等硬件設備。

綜上述，傳統的基礎架構使得整體資源利用率不高，而且占用過多的機房空間和能源。隨著應用系統的增多，IT資源的效率、擴展性、可管理性等都面臨很大的挑戰。

2 云計算基礎架構

云基礎架構在傳統基礎架構計算、存儲、網絡硬件層的基礎上，增加了虛擬化層與云層，使得計算、存儲、網絡以及對應的虛擬化單個產品和技術本身不再是核心，重要的是通過資源整合，形成一個有機的、可靈活調度和擴展的資源池，面向云應用實現自動化的部署、監控、管理和運維功能。

在云基礎架構模式下，服務器、網絡、存儲、安全采用虛擬化技術，資源池使得產品及對應的計算、存儲、網絡以及虛擬化策略是動態變化的。云基礎架構融合的關鍵在于網絡，目前計算虛擬化、存儲虛擬化技術已相對成熟并自成體系，但就整個IT基礎架構而言，網絡是將計算資源池、存儲資源池、用戶連接在一起的紐帶，只有網絡能夠充分感知到計算資源池、存儲資源池和用戶訪問的動態變化，才能進行動態響應，在維護網絡連通性的同時，保障網絡策略的一致性。否則，通過人工干預和手工配置，將大大降低云基礎架構的靈活性、可擴展性和可管理性。

3 基礎架構技術

云計算基礎架構主要使用Hadoop分布式系統平臺，如圖2所示。Hadoop由HDFS、MapReduce、HBase、Hive和ZooKeeper等組成，HDFS（Hadoop Distributed File System）是最基礎與重要的元素，它作為底層分布式文件系統，用于存儲集群中的所有存儲節點，執行使用的是MapReduce引擎。

（1）Pig可加載數據、表達轉換數據以及存儲最終結果。Pig內置的操作使半結構化數據變得有意義（如日志文件）。同時Pig可擴展使用Java中添加的自定義數據類型并支持數據轉換。

（2）Hive是基于Hadoop的一個工具，提供完整的SQL查詢，可以將sql語句轉換為MapReduce任務運行。

（3）ZooKeeper是一個分布式、開放源碼的分布式應用程序協調服務，為分布式應用提供一致性服務，提供的功能包括：配置維護、域名服務、分布式同步、組服務等。

（4）HBase是一個開源的、基于列存儲模型的分布式數據庫。

（5）HDFS是一個適合運行在通用硬件（Commodity Hardware）上的分布式文件系統，有著高容錯性的特點，適合超大數據集的應用程序。

（6）MapReduce是一種計算框架，用于大規模數據集（大于1TB）的并行運算。

4 各大運營商的云計算基礎架構

4.1 IBM的PowerLinux架構

定位：適合中型企業、經濟實惠的端到端基礎架構應用程序解決方案。

PowerLinux架構具體特點如下：

（1）可靠性。PowerLinux開源基礎架構服務在高度安全、極具彈性的 Linux 優化系統PowerLinux 7R2 服務器上運行，可以實現更快的交付速度。PowerLinux 7R2 服務器是一款密集的、僅運行 Linux 的雙插槽機架外形服務器，配備 16 個 POWER7 處理器內核。PowerLinux 7R2 服務器中的智能線程和 Active Memory Sharing 等 POWER7 技術還可以提高工作負載性能與服務器投資回報[2]。endprint

（2）更高的硬件利用率。PowerLinux開源基礎架構服務利用行業領先的PowerVM技術，可以充分發揮系統的強大功能。適用于PowerLinux的PowerVM是為PowerLinux機架式服務器提供的獨家產品。此產品為新版本的PowerVM，以與 x86 虛擬化解決方案相當的價格提供企業級的功能。適用于PowerLinux的PowerVM提供的功能可以根據工作負載要求動態調整分配給分區的系統資源，以及允許虛擬機（VM）訪問服務器中可用的最多數量的內存與 CPU 內核。多個共享處理器池、共享專用容量和 Active Memory Sharing 等PowerVM功能使無論是在預期或非預期的工作負載高峰，都可以通過系統資源高效地進行數據處理，其結果是更高的服務器吞吐量。適用于PowerLinux的PowerVM卓越的虛擬化效率支持橫向擴展環境下更少服務器的單一工作負載服務器整合，從而減少服務器數量，簡化服務器管理，并降低IT成本。

4.2 CISCO的HyperFlex架構

定位：一個易于使用的簡化平臺，它集計算、存儲和網絡功能于一體。該平臺將云的“隨增長，隨投資”消費模式套用到內部基礎設施上，從而提供敏捷性、效率和適應能力。

HyperFlex架構具體特點如下：

（1）全面的端到端解決方案。該平臺集各種軟件定義的功能于一體[3]，通過基于Intel Xeon處理器的思科統一計算系統（思科 UCS）服務器實現軟件定義的計算；通過強大的新HyperFlex HX 數據平臺軟件實現軟件定義的存儲；思科統一交換矩陣能夠與思科的基礎設施（思科ACI）輕松集成，通過思科統一交換矩陣可實現軟件定義網絡（SDN）。網絡功能是超融合系統中的關鍵要素，因為它是保障存儲平臺性能、輕松實現自動化，以及保護網絡安全的基礎。通過這種集成可提供支持單點管理的預集成集群，不僅訂購方便，而且能夠在一個小時之內投入使用并可靠運行。

（2）采用下一代數據技術。HyperFlex HX 數據平臺控制器將整個集群的固態磁盤 （SSD） 驅動器和機械磁盤整合到一個基于對象的分布式多層Datastore中。此環境可通過冗余實現高可用性，并通過內嵌式重復數據刪除和壓縮功能實現出色的存儲利用率。不僅如此，它還具備企業級存儲系統應具備的其它功能，如HyperFlex系統能夠在FCS時支持通過VMwarevSphere虛擬化及容器化的裸機環境。

4.3 華為的OpenStack架構

定位：開放、異構、支持不同業務特征的架構。

OpenStack架構具體特點如下：

（1）開放兼容。OpenStack架構具有很好的兼容性，廣泛支持第3方廠商的計算、存儲、網絡和安全物理硬件和虛擬化軟件產品，有效利舊且能支持長期演進，可為客戶提供更加充分的自主選擇權[4]。在云服務層面，在OpenStack基礎上提供備份與容災、熱遷移、跨數據中心資源調度、電信云定制化擴展、業務彈性調度、智能管道調度、分布式引擎、物理資源池等擴展服務，可滿足企業隨需部署云業務。

（2）性能領先。采用裸金屬架構的虛擬化引擎，對物理CPU資源的損耗小于5%，顯著提升服務器資源利用率高達80%，減少IT部署成本30%以上。同時，能滿足運營商業務中基站控制器對虛擬化引入時延小于20us的要求，遠低于業界主流虛擬化引入的時延平均水平；分布式存儲虛擬化軟件性能業界領先，1TB數據重構時間小于30min，多盤并發能力可帶來IOPS性能的十倍提升；采用FusionCompute虛擬化平臺，具有業界最大的系統容量，支持4 096個節點，最大可管理8萬個虛擬機；采用高性能分布式存儲虛擬化軟件，幫助系統提升性能的3倍以上。

5 結語

各廠商的云基礎架構服務均具有敏捷、高效、適應性強等特點，在政府及公共事業、能源、金融、交通、醫療、教育、制造等各行業獲得了廣泛應用。但各產品又各有千秋，IBM PowerLinux集成PowerSystems的強大特性在分析大數據方面獨領風騷，CISCO的HyperFlex在超融合方面別具一格，華為基礎架構的FusionCompute虛擬化平臺在系統容量方面獨占鰲頭。因此，在實際應用中可根據機構本身的數據存儲需求、安全需求與計算需求，選擇適合自己的基礎架構服務。

參考文獻：

[1] 云計算基礎架構的解決方案[EB/OL].http：//cloud.51cto.com/art/201411/456798.htm.

[2] PowerLinux[EB/OL].http：//powerlinux.csdn.net/.

[3] 思科 HyperFlex HX 系列[EB/OL]. http：//www.cisco.com/c/zh_cn/products/hyperconverged-infrastructure/hyperflex-hx-series/index.html.

[4] OpenStack [EB/OL]. https：//docs.openstack.org/.

[5] 李阿妮，張曉，趙曉南，等.面向IaaS的云計算系統可用性評估[J].計算機科學，2016（10）：33-39.

[6] 葉雪琳，胡忠望.基于云計算技術的高校實驗室信息化應用研究[J].中國現代教育裝備，2016（13）：25-28.

[7] 葛磊，吳建軍.高校云平臺建設的研究與探索[J].軟件工程，2016（1）：50-52.endprint