云計(jì)算技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用探討

　　2006年底，谷歌高級(jí)軟件工程師比希利亞利用谷歌特有的“20%自由時(shí)間”在母校華盛頓大學(xué)啟動(dòng)了一個(gè)代號(hào)為“Google 101”的項(xiàng)目，購(gòu)買了40臺(tái)普通的服務(wù)器組成了一個(gè)集群，利用谷歌數(shù)據(jù)計(jì)算的核心軟件MapReduce將每個(gè)任務(wù)分解為成百上千塊小任務(wù)，然后發(fā)送到計(jì)算機(jī)集群中，由每臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送回自己的那部分信息，MapReduce將其整合并形成答案，這其實(shí)就是云計(jì)算的雛形。美國(guó)eWeek網(wǎng)站評(píng)選出2009年IT業(yè)五大科技發(fā)展趨勢(shì)，云計(jì)算居首。

　　云計(jì)算是一個(gè)新興的商業(yè)計(jì)算模型。云計(jì)算有可能顛覆軟件產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用和許可被隨時(shí)購(gòu)買和生效，應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)上而不是本機(jī)上運(yùn)行。這種轉(zhuǎn)變將數(shù)據(jù)中心放在網(wǎng)絡(luò)的核心位置，而所有的應(yīng)用所需要的計(jì)算能力、存儲(chǔ)和帶寬都由數(shù)據(jù)中心提供。云計(jì)算不僅影響商業(yè)模式，還影響開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)行、交付應(yīng)用的方式。簡(jiǎn)而言之，有了云計(jì)算之后，用戶不再需要部署計(jì)算能力很強(qiáng)的客戶端，而是可以直接從“云”里(服務(wù)器端)獲得計(jì)算能力，并按照使用情況付費(fèi)。這種特性經(jīng)常被比喻為像水電一樣使用硬件資源，按需購(gòu)買和使用。

　　2 云計(jì)算的關(guān)聯(lián)概念

　　2.1 定義

　　云計(jì)算是一種資源交付和使用模式，指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得應(yīng)用所需的資源(硬件、平臺(tái)、軟件)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”，“云”中的資源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取。云計(jì)算將計(jì)算從用戶終端集中到“云端”，作為應(yīng)用通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供給用戶，計(jì)算通過(guò)分布式計(jì)算等技術(shù)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)共同完成。用戶只關(guān)心應(yīng)用的功能，而不關(guān)心應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方式，應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)只由其提供商完成，用戶根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的應(yīng)用。云計(jì)算不是一個(gè)工具、平臺(tái)或者架構(gòu)，而是一種計(jì)算的方式。

　　云計(jì)算服務(wù)層次的劃分與相關(guān)云產(chǎn)品如圖1、表1所示。

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　　圖1 云計(jì)算服務(wù)層次劃分

　　表1 云計(jì)算服務(wù)與企業(yè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)示例

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　　2.2 關(guān)聯(lián)概念

　　云計(jì)算正成為行業(yè)中的熱點(diǎn)概念。云計(jì)算集成了現(xiàn)有的虛擬化、網(wǎng)格計(jì)算和效用計(jì)算的技術(shù)，并基于此建立了云。為了更好地理解云計(jì)算的概念，有必要將與之關(guān)聯(lián)的概念做一闡述。

　　2.2.1　效用計(jì)算

　　效用計(jì)算(utility computing)是一種提供計(jì)算資源的商業(yè)模式，用戶從計(jì)算資源供應(yīng)商獲取和使用計(jì)算資源，并基于實(shí)際使用的資源付費(fèi)。效用計(jì)算主要給用戶帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，是一種分發(fā)應(yīng)用所需資源的計(jì)費(fèi)模式。相對(duì)而言，云計(jì)算是一種計(jì)算模式。它代表了在某種程度上共享資源進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)行應(yīng)用，以及資源的可擴(kuò)展收縮和對(duì)應(yīng)用連續(xù)性的支持。

　　2.2.2　分布式計(jì)算

　　分布式計(jì)算(distributed computing)是指在一個(gè)松散或嚴(yán)格約束條件下使用一個(gè)硬件和軟件系統(tǒng)處理任務(wù)，這個(gè)系統(tǒng)包含多個(gè)處理器單元或存儲(chǔ)單元、多個(gè)并發(fā)的過(guò)程、多個(gè)程序。一個(gè)程序被分成多個(gè)部分，同時(shí)在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。分布式計(jì)算類似于并行計(jì)算，但并行計(jì)算通常指一個(gè)程序的多個(gè)部分同時(shí)運(yùn)行于某臺(tái)計(jì)算機(jī)上的多個(gè)處理器上。所以，分布式計(jì)算通常必須處理異構(gòu)環(huán)境、多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接、不可預(yù)知的網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤。

　　2.2.3　網(wǎng)格計(jì)算

　　網(wǎng)格計(jì)算(grid computing)是指分布式計(jì)算中兩類比較廣泛使用的子類型：一類是在分布式的計(jì)算資源支持下作為服務(wù)被提供的在線計(jì)算或存儲(chǔ);另一類是由一個(gè)松散連接的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一個(gè)虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，可以用來(lái)執(zhí)行大規(guī)模任務(wù)，如圖2所示。

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　　圖2　網(wǎng)格計(jì)算示意

　　網(wǎng)格計(jì)算強(qiáng)調(diào)資源共享，任何人都可以作為請(qǐng)求者使用其他節(jié)點(diǎn)的資源，任何人都需要貢獻(xiàn)一定資源給其他節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格計(jì)算強(qiáng)調(diào)將工作量轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程的可用計(jì)算資源上;云計(jì)算強(qiáng)調(diào)專有，任何人都可以獲取自己的專有資源，并且這些資源是由少數(shù)團(tuán)體提供的，使用者不需要貢獻(xiàn)自己的資源。在云計(jì)算中，計(jì)算資源被轉(zhuǎn)換形式去適應(yīng)工作負(fù)載，它支持網(wǎng)格類型應(yīng)用，也支持非網(wǎng)格環(huán)境，比如運(yùn)行傳統(tǒng)或Web 2.0應(yīng)用的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。網(wǎng)格計(jì)算側(cè)重并行的計(jì)算集中性需求，并且難以自動(dòng)擴(kuò)展;云計(jì)算側(cè)重事務(wù)性應(yīng)用，大量的單獨(dú)的請(qǐng)求，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)的擴(kuò)展。表2對(duì)網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。

　　表2　 網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算的對(duì)比

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　　2.2.4　服務(wù)器集群

　　服務(wù)器集群是指將一組服務(wù)器關(guān)聯(lián)起來(lái)，使它們?cè)谕饨鐝暮芏喾矫婵雌饋?lái)如同一臺(tái)服務(wù)器。集群內(nèi)的服務(wù)器之間一般通過(guò)局域網(wǎng)連接，通常用來(lái)改善性能和可用性，但一般而言比具有同等性能/功能/可用性的單臺(tái)主機(jī)具有更低的成本。網(wǎng)格通常更加松散連接、異構(gòu)、地理位置分散，主機(jī)之間信任度更低。

　　2.2.5 虛擬化

　　虛擬化指對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行抽象的一個(gè)廣義概念。虛擬化對(duì)上層應(yīng)用或用戶隱藏了計(jì)算資源的底層屬性。既包括將單個(gè)的資源(如一個(gè)服務(wù)器、一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)應(yīng)用程序、一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備)劃分成多個(gè)虛擬資源，也包括將多個(gè)資源整合成一個(gè)虛擬資源。虛擬化是云的一個(gè)組成部分。云比虛擬化先進(jìn)的是可以為最終用戶在虛擬機(jī)上直接部署用戶定制的IT環(huán)境。

　　3 功能特性

　　云計(jì)算的內(nèi)涵非常豐富，不同行業(yè)的人從不同的角度結(jié)合自身的業(yè)務(wù)方向和現(xiàn)實(shí)利益給予了它不同的解釋。它的基本原理是能將動(dòng)態(tài)、可伸縮的IT計(jì)算資源以服務(wù)方式通過(guò)Internet提供給用戶。具體來(lái)說(shuō)，就是把計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，而非本地計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行將與互聯(lián)網(wǎng)更加相似。這使得企業(yè)能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問(wèn)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。云計(jì)算可提供一種標(biāo)準(zhǔn)的、簡(jiǎn)化的、集中式的按需使用平臺(tái)，具有自助服務(wù)、快速反應(yīng)、彈性和可伸縮等特點(diǎn)。真正的云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)以下5個(gè)特性[1]：

　　· 以用戶為中心;

　　· 云計(jì)算是以任務(wù)為中心的;

　　· 云計(jì)算是易于訪問(wèn)的;

　　· 云計(jì)算是智能的;

　　· 云計(jì)算是可編程的。

　　4 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

　　云計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的“云”網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和服務(wù)，可利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每一個(gè)服務(wù)器的能力，將各自的資源通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，提供超級(jí)計(jì)算和存儲(chǔ)能力。通用的云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)[2]如圖3所示。

　　(1)云用戶端：提供云用戶請(qǐng)求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云的入口，用戶通過(guò)Web瀏覽器可以注冊(cè)、登錄及定制服務(wù)、配置和管理用戶。打開(kāi)應(yīng)用實(shí)例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣。

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　　圖3 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)示意

　　(2)服務(wù)目錄：云用戶在取得相應(yīng)權(quán)限(付費(fèi)或其他限制)后可以選擇或定制服務(wù)列表，也可以對(duì)已有服務(wù)進(jìn)行退訂操作，在云用戶端界面生成相應(yīng)的圖標(biāo)或列表來(lái)展示相關(guān)的服務(wù)。

　　(3)管理系統(tǒng)和部署工具：提供管理和服務(wù)，能管理云用戶，能對(duì)用戶的授權(quán)、認(rèn)證和登錄進(jìn)行管理，并可以管理可用計(jì)算資源和服務(wù)，接收用戶發(fā)送的請(qǐng)求，并根據(jù)用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的應(yīng)用程序，調(diào)度資源智能地部署資源和應(yīng)用，動(dòng)態(tài)地部署、配置和回收資源。

　　(4)監(jiān)控：監(jiān)控和計(jì)量云系統(tǒng)資源的使用情況，以便做出迅速反應(yīng)，完成節(jié)點(diǎn)同步配置、負(fù)載均衡和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給合適的用戶。

　　(5)服務(wù)器機(jī)群：虛擬的或物理的服務(wù)器，由管理系統(tǒng)管理，負(fù)責(zé)高并發(fā)量的用戶請(qǐng)求處理、大運(yùn)算量計(jì)算處理、用戶Web應(yīng)用服務(wù)，云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)采用相應(yīng)數(shù)據(jù)切割算法以并行方式上傳和下載大容量數(shù)據(jù)。

　　(6)用戶可通過(guò)云用戶端從列表中選擇所需服務(wù)，其請(qǐng)求通過(guò)管理系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的資源，并通過(guò)部署工具分發(fā)請(qǐng)求、配置Web應(yīng)用。

　　云計(jì)算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)和云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)不是一個(gè)概念，后者從服務(wù)的角度來(lái)劃分云，主要突出了云服務(wù)能給用戶帶來(lái)什么。而云計(jì)算的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)主要從系統(tǒng)屬性和設(shè)計(jì)思想角度來(lái)說(shuō)明云，是對(duì)軟硬件資源在云計(jì)算技術(shù)中所充當(dāng)角色的說(shuō)明。參考文獻(xiàn)[3]提出從云計(jì)算技術(shù)角度來(lái)分，云計(jì)算大致由物理資源、虛擬化資源、中間件管理部分和服務(wù)接口4部分構(gòu)成，如圖4所示。

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　　圖4 云計(jì)算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

　　5 應(yīng)用及意義

　　最簡(jiǎn)單的云計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見(jiàn)，如搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等。Google的Applications(包括Gmail、Gtalk、Google日歷)及FaceBook等都是“云計(jì)算”的具體應(yīng)用。云計(jì)算可以讓你體驗(yàn)10 萬(wàn)億次/s的運(yùn)算能力，擁有這么強(qiáng)大的計(jì)算能力可以模擬核爆炸、預(yù)測(cè)氣候變化和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。簡(jiǎn)言之，云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式，在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心里，成千上萬(wàn)臺(tái)電腦和服務(wù)器連接成了一片電腦云。云計(jì)算對(duì)服務(wù)提供商和用戶而言的意義見(jiàn)表3。

　　表3　云計(jì)算的意義

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　　2007年，多家企業(yè)推出了云計(jì)算計(jì)劃和服務(wù)。亞馬遜推出了名為“彈性計(jì)算機(jī)云”的服務(wù)，供中小軟件企業(yè)按照需求購(gòu)買亞馬遜數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力;Sun推出了“黑盒子”計(jì)劃，同樣基于“云計(jì)算”原理，為政府、企業(yè)和大學(xué)的數(shù)據(jù)中心隨時(shí)提供額外的計(jì)算能力;IBM宣布了“藍(lán)云”計(jì)劃，并安排200名工程師參與這一計(jì)劃;雅虎將一個(gè)由4 000臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的“云”開(kāi)放給卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的研究人員;微軟宣布將投資5億美元在愛(ài)爾蘭首都都柏林建設(shè)其第一個(gè)歐洲數(shù)據(jù)中心，用來(lái)支持MSN門(mén)戶、Windows Live、Hotmail、照片共享、博客和在線存儲(chǔ)等一系列在線服務(wù)。

　　6 挑戰(zhàn)及展望

　　云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展面臨一系列的挑戰(zhàn)，例如：使用云計(jì)算來(lái)完成任務(wù)能夠獲得哪些優(yōu)勢(shì);可以實(shí)施哪些策略、做法或立法來(lái)支持或限制云計(jì)算的采用;如何提供有效的計(jì)算和提高存儲(chǔ)資源的利用率;對(duì)云計(jì)算和傳輸中的數(shù)據(jù)以及靜止?fàn)顟B(tài)的數(shù)據(jù)，將有哪些獨(dú)特的限制;安全需求有哪些;提供可信環(huán)境都需要些什么。此外，云計(jì)算雖然給企業(yè)和個(gè)人用戶提供了創(chuàng)造更好的應(yīng)用和服務(wù)的機(jī)會(huì)，但同時(shí)也給了黑客機(jī)會(huì)。云計(jì)算宣告了低成本提供超級(jí)計(jì)算服務(wù)的可能，使黑客投入極少的成本，就能獲得極大的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力，一旦這些“云”被用來(lái)破譯各類密碼、進(jìn)行各種攻擊，將會(huì)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)安全帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。所以，在這些安全問(wèn)題和危險(xiǎn)因素被有效控制之前，云計(jì)算很難得到徹底的應(yīng)用和接受。

　　云計(jì)算將對(duì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、產(chǎn)品應(yīng)用模式和lT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向產(chǎn)生影響。云計(jì)算技術(shù)是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是包括Google 在內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力和方向，未來(lái)主要朝以下3個(gè)方向發(fā)展。

　　· 手機(jī)上的云計(jì)算。云計(jì)算技術(shù)提出后，對(duì)客戶終端的要求大大降低，瘦客戶機(jī)將成為今后計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。瘦客戶機(jī)通過(guò)云計(jì)算系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的功能，而手機(jī)就是一種典型的瘦客戶機(jī)，云計(jì)算技術(shù)和手機(jī)的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨身的高性能計(jì)算。

　　· 云計(jì)算時(shí)代資源的融合。云計(jì)算最重要的創(chuàng)新是將軟件、硬件和服務(wù)共同納入資源池，三者緊密地結(jié)合起來(lái)融合為一個(gè)不可分割的整體，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶提供恰當(dāng)?shù)姆⻊?wù)。網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高為這種資源融合的應(yīng)用方式提供了可能。

　　· 云計(jì)算的商業(yè)發(fā)展。最終人們可能會(huì)像繳水電費(fèi)那樣去為自己得到的計(jì)算機(jī)服務(wù)繳費(fèi)。這種使用計(jì)算機(jī)的方式對(duì)于諸如軟件開(kāi)發(fā)企業(yè)、服務(wù)外包企業(yè)、科研單位等對(duì)大數(shù)據(jù)量計(jì)算存在需求的用戶來(lái)說(shuō)無(wú)疑具有相當(dāng)大的誘惑力。

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