云計算的體系架構與關鍵技術

王黎明

【摘要】云計算是在分布式計算、互聯網、大規模數據管理等技術基礎上發展起來的一種計算模式，可以將共享的軟硬件資源和信息按需提供給計算機和其他設備。本文從云計算的體系結構、特點等方面入手，探討了云計算的關鍵技術的研究現狀，并展望了云計算未來的發展方向。

【關鍵詞】云計算；體系架構；關鍵技術

Architecture and Key Technologies of Cloud Computing

Wang Li-ming

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】Cloud computing is a computational model developed on the basis of distributed computing， Internet， and large-scale data management. It can provide shared hardware and software resources and information to computers and other devices on demand. This paper starts from the aspects of the architecture and characteristics of cloud computing， discusses the current situation of the key technology of cloud computing， and looks forward to the future development direction of cloud computing.

【Key words】Cloud computing；Architecture；Key technology

1. 前言

（1）近年來，社交網絡、電子商務、在線視頻、搜索引擎等新一代大規模互聯網應用發展迅速。這些新興的應用具有數據存儲量大、業務增長速度快等特點。據數據統計，在線視頻網站優酷網已存儲18PB數據，并且每天新增80TB 數據；社交網站Facebook 已超過Google的訪問量，數據中心存儲了15PB 數據，并且每天需要處理500TB 數據。與此同時，傳統企業的軟硬件維護成本高昂：在企業的IT 投入中，僅有20% 的投入用于軟硬件更新與商業價值的提升，而80% 的投入則用于系統維護。為了解決上述問題，云計算應運而生。

（2）云計算分私有云和公共云。私有云需要用戶自己購買硬件設備，自行維護整個系統，所有數據由用戶自己管理，云的規模相對比較有限，云計算的高性能和高性價比的優勢沒有充分體現。公共云的應用中，用戶不需要購買設備和自己維護系統，可按需支付費用給云服務提供商， 用戶通過網絡就可以方便地獲取所需的計算、存儲等資源，整個服務資源的調度、管理、維護等工作由云服務提供商負責，用戶不必關心“云”內部的實現，共公云有著更大的靈活性和成本優勢。

2. 云計算體系架構

（1） 核心服務層云計算的核心服務層可以分為基礎設施服務層、平臺服務層及軟件服務層。其中基礎設施服務層為云計算提供了硬件基礎設施的部署服務， 它能夠根據用戶需要提供實體或虛擬的計算、存儲及網絡等資源。在使用該服務層的過程中， 用戶需要向服務提供商提供基礎設施的配置信息， 運行于基礎設施的程序代碼以及相關的用戶數據。基礎設施服務層通過引人虛擬化技術， 能夠極大提高服務的可靠性和規模。平臺服務層是云計算應用程序的運行環境， 它為云計算提供了部署和管理服務。通過利用相應的軟件工具和開發語言， 應用程序開發人員只需要通過上傳程序代碼及相關數據即可使用相應的服務。不需要關心底層系統的管理問題。平臺服務層具有對海量數據的存儲和處理能力，能夠通過有效的資源管理與調度策略來提高數據的處理效率。軟件服務層是基于云計算基礎平臺所開發的應用程序。企業用戶可以通過租用軟件服務來解決企業的信息化問題同時， 該服務層能夠實現應用程序的互聯網轉移， 實現應用程序的泛在訪問。

（2） 服務管理層服務管理層為云計算的核心服務層的可用性、可靠性及使用安全性提供了保障。服務管理主要包括了對服務質量的保證和安全管理等多個方面的內容。云計算平臺規模龐大且具有復雜的系統結構， 很難保證用戶所要求的服務質量。對此， 云計算服務提供商與用戶進行協商， 制定服務水平協議， 使得服務提供商與用戶能夠達成統一的質量要求標準。此外， 由于云計算會使用戶的所有數據都存儲與云端服務器， 這就使用戶非常關心數據的安全問題。服務管理層采用資源集中的管理方式使得云計算平臺存在單點失效問題。保存在云端的數據可能會因為多種原因發生丟失以及泄漏的危險。根據云計算服務的特點， 研究云計算環境下數據的安全保護技術是保證云計算健康發展的關鍵所在。

（3） 用戶訪問接口層用戶訪問借口實現了云計算服務的泛在訪問。它所提供的泛在訪問服務既能夠為終端設備提供應用程序開發借口， 又能夠實現多種服務的組合應用。用戶訪問接口層中所包含的門戶形式， 能夠實現桌面程序網互聯網的移植， 從而提高程序的易用性， 為用戶帶來方便， 提高用戶的工作效率。

3. 云計算關鍵技術

（1）虛擬化技術。云計算通過虛擬化技術將離散的硬件資源統一起來以創建共享動態平臺， 為用戶提供PaaS、SaaS、IaaS服務。目前在云計算中普遍使用三種虛擬機技術：VMware、Xen和Citrix。云計算平臺主要采用集中控制方式管理多虛擬機資源，即通過集中控制器管理多個宿主機節點，并利用節點的虛擬機監控器管理其上的虛擬機， 從而實現云計算環境下多虛擬機的集中管理。針對集中管理存在的一些不足，如宿主機節點間缺乏協同交互機制、不能自主觸發動態遷移等，劉進軍等人提出了一種面向云計算的基于P2P 結構的多虛擬機管理模型， 實現了宿主機節點資源的負載均衡及按需使用。袁文成等人提出一種面向虛擬資源的云計算資源管理機制，通過資源劃分策略、資源預留策略實現對虛擬資源的分配， 確保用戶對虛擬資源使用的有效性，并提出一種借入/借出調度策略來實現虛擬資源利用率的最大化。H. Andrés Lagar-Cavilla， Joseph A. Whitney 等人提出了Rapid Virtual Machine Cloning for Cloud Computing，提出了虛擬機克隆方法，該方法瞬間可產生多個虛擬機，可以將一個虛擬機快速克隆到云計算集群內不同的物理主機上， 并使在不同的主機上運行的所有副本共享相同的初始狀態， 該方法可以根據計算的需要分配資源， 從眾多的物理機中創建一個合理大小的虛擬集群，由這個虛擬集群來完成相應的計算，虛擬機克隆使得云計算提供商能夠快速有效地部署系統資源。

（2）安全性。在公共云計算環境中，用戶不再擁有基礎設施的硬件資源，軟件都運行在“云”中，用戶數據在云服務器端，可被拷貝多份用以容錯容災， 數據安全問題就成為公共云普及中重要的顧慮之一。數據的安全主要受到兩個方面的威脅，即外部入侵威脅和內部惡意破壞威脅。目前，云計算安全關鍵技術主要研究虛擬安全技術、可信訪問控制、密文檢索與處理、數據存在與可使用性證明、數據隱私保護、云資源訪問控制、可信云計算等。現有的安全措施能夠保護物理硬件的安全， 記錄操作日志及對雇員的監控等， 然而這些安全措施不能保證覆蓋到所有安全漏洞及預警安全威脅的發生。

（3）數據存儲。云計算中利用服務器集群，采用分布式冗余存儲的方式來保證存儲數據的可靠性。目前的云存儲系統基本都采用Master/Slave 結構，包括Google 的GFS、Yahoo 采用的HDFS和Amazon 的S3 等，還包括Microsoft 的SkyDrive，Sun 的Honeycomb，HP 的Upline，EMC 的Atoms 等， 其中HDFS，KFS，Sector 為參考GFS 進行實現的開源項目。GFS 是一個分布式文件系統，它能夠處理大規模分布式數據。

4. 結束語

云計算具有廣闊的發展前景，體系構架及相關的各項關鍵技術也在不斷發展，現代軟件應用和商務處理的全球化、信息化和自動化，必將為云計算的研究發展提供廣泛的市場和應用背景。云計算所帶來的新興IT 資源共享和應用模式是互聯網之后的又一次變革，將給IT 產業特別是軟件服務業帶來深遠影響。

參考文獻

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