初探云計算對氣象領(lǐng)域的影響

肖 云 錢惠平 夏梅娟 吳文淵

(浙江氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，浙江杭州310017)

0 引言

云計算(Cloud Computing)是一種近幾年提出的計算模式，是分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(ParallelComputing)和網(wǎng)格計算(GridComputing)的發(fā)展。目前，亞馬遜、微軟、谷歌、IBM、英特爾等公司紛紛提出了“云計劃”。例如亞馬遜(Amazon)、IBM和谷歌聯(lián)合進(jìn)行的“藍(lán)云”計劃等。這對云計算的商業(yè)價值給予了巨大的肯定。同時學(xué)術(shù)界也紛紛對云計算進(jìn)行深層次的研究，不可回避的是，云計算將給依托信息處理交換的各行各業(yè)帶來巨大變革，同樣將對氣象領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

1 云計算的定義

云計算是21世紀(jì)初興起的熱門概念，對它的定義還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，對它的定義有20多個版本，之所以稱它為“云”，是因為亞馬遜Amazon公司云計算的鼻祖之一把網(wǎng)格計算(Grid Computing)，叫了一個新名稱“彈性計算云”(Elastic Compute Cloud，EC2)，并把它成功應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。所以可以認(rèn)為云計算是網(wǎng)格計算的商業(yè)進(jìn)化升級版。

云計算的基本原理是，用戶所需的應(yīng)用程序并不需要運(yùn)行在用戶的個人電腦、手機(jī)等終端設(shè)備上，而是運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模服務(wù)器集群中。用戶所處理的數(shù)據(jù)也并不存儲在本地，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心里面。這些數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)轉(zhuǎn)的管理和維護(hù)則由提供云計算服務(wù)的企業(yè)負(fù)責(zé)，并由他們來保證足夠強(qiáng)的計算能力和足夠大的存儲空間來供用戶使用。在任何時間和任何地點，用戶都可以任意連接至互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備。因此無論是企業(yè)還是個人，都能在云上實現(xiàn)隨需隨用。同時用戶終端的功能將會被大大簡化，而諸多復(fù)雜的功能都將轉(zhuǎn)移到終端背后的網(wǎng)絡(luò)上去完成。

2 云計算的現(xiàn)狀

云計算是個熱度很高的新名詞。由于它是多種技術(shù)混合演進(jìn)的結(jié)果，其成熟度較高，又有大公司推動，發(fā)展極為迅速。Amazon，Google，IBM，微軟和Yahoo等大公司是云計算的先行者。云計算領(lǐng)域的眾多成功公司還包括Everydo，Salesforce，F(xiàn)acebook，Youtube，Myspace 等。

Amazon使用彈性計算云(EC2)和簡單存儲服務(wù)(S3)為企業(yè)提供計算和存儲服務(wù)。收費的服務(wù)項目包括存儲服務(wù)器、帶寬、CPU資源以及月租費。它可以讓小軟件公司按照自己的需要購買Amazon數(shù)據(jù)中心的處理能力。使得獨立的開發(fā)人員也能夠使用Amazon公司內(nèi)部的計算資源來建立自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，用戶可以根據(jù)自己的需求購買數(shù)據(jù)中心的計算能力。云計算目前是Amazon增長最快的業(yè)務(wù)之一。

我們熟悉的Google是最大的云計算的使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多個地點、超過上百萬臺服務(wù)器的支撐之上，這些設(shè)施的數(shù)量還在快速增長。Google地球、地圖、Gmail，Docs等也同樣使用了這些基礎(chǔ)設(shè)施。采用Google Docs之類的應(yīng)用，用戶數(shù)據(jù)會保存在互聯(lián)網(wǎng)上的某個位置，可以通過任何一個與互聯(lián)網(wǎng)相連的系統(tǒng)十分便利地訪問這些數(shù)據(jù)。目前，Google已經(jīng)允許第三方在Google的云計算中通過Google App Engine運(yùn)行大型并行應(yīng)用程序。值得稱頌的是Google不保守。它以發(fā)表學(xué)術(shù)論文的形式公開其云計算3大法寶：GFS，MapReduce和BigTable，并在中國高校開設(shè)如何進(jìn)行云計算編程的課程。

IBM在近幾年推出了“改變游戲規(guī)則”的“藍(lán)云”計算平臺，為客戶帶來即買即用的云計算平臺。它包括一系列的自動化、自我管理和自我修復(fù)的虛擬化云計算軟件，使來自全球的應(yīng)用可以訪問分布式的大型服務(wù)器池，使得數(shù)據(jù)中心在類似于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下運(yùn)行計算。

微軟緊跟云計算步伐，于2008年10月推出了Windows Azure操作系統(tǒng)。Azure(譯為“藍(lán)天”)是繼Windows取代DOS之后，微軟的又一次顛覆性轉(zhuǎn)型——通過在互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)上打造新云計算平臺，讓W(xué)indows真正由PC延伸到“藍(lán)天”上。微軟擁有全世界數(shù)以億計的Windows用戶桌面和瀏覽器，現(xiàn)在它將它們連接到“藍(lán)天”上。Azure的底層是微軟全球基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，由遍布全球的第4代數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。

在我國，云計算發(fā)展也非常迅猛。2008年6月24日，IBM在北京IBM中國創(chuàng)新中心成立了第2家中國的云計算中心——IBM大中華區(qū)云計算中心;2008年11月28日，廣東電子工業(yè)研究院與東莞松山湖科技產(chǎn)業(yè)園管委會簽約，廣東電子工業(yè)研究院將在東莞松山湖投資2億元建立云計算平臺;2008年12月30日，阿里巴巴集團(tuán)旗下子公司阿里軟件與江蘇省南京市政府正式簽訂了2009年戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，于2009年初在南京建立國內(nèi)首個“電子商務(wù)云計算中心”，首期投資額將達(dá)上億元人民幣;世紀(jì)互聯(lián)推出了CloudEx產(chǎn)品線，包括完整的互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)服務(wù)“CloudEx Computing Service”，基于在線存儲虛擬化的“CloudEx Storage Service”，供個人及企業(yè)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)云端備份的數(shù)據(jù)保全服務(wù)等等系列互聯(lián)網(wǎng)云計算服務(wù)。

3 云計算的特點

3．1 規(guī)模大

上面介紹Google云計算已經(jīng)擁有100多萬臺服務(wù)器，而 Amazon，IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺服務(wù)器。所以“云”能賦予用戶前所未有的計算能力。

3．2 高可靠

“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的高可靠性，使用云計算比使用本地計算機(jī)可靠性高的多。

然而，林運(yùn)娘家屬卻堅持其對林場劃為公益林的情況事先并不知情。蘇碧輝解釋道，由于政府鼓勵造林，承包山地還能領(lǐng)到一定的補(bǔ)助，所以當(dāng)時大家積極性都很高。除伯公科這一片林地外，他們還開墾了另外幾塊林地。前些年雖然的確領(lǐng)到過公益林的補(bǔ)償金，但一直以為是另外一片松樹林的，因為在經(jīng)營伯公科經(jīng)濟(jì)林的20多年間，其從未聽說過這片山林變更為了生態(tài)林，也沒有收到政府下發(fā)的任何相關(guān)通知。

3．3 虛擬化

云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形的實體。應(yīng)用在“云”中某處運(yùn)行，但實際上用戶無需了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺筆記本或者一個手機(jī)，就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來實現(xiàn)我們需要的一切，甚至包括超級計算這樣的任務(wù)。

3．4 通 用

在“云”的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個“云”可以同時支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行讓數(shù)據(jù)和服務(wù)圍繞著用戶，你只要明白自己的意圖，便可以把剩下的工作交給云來處理。

3．5 高可擴(kuò)展

滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要，“云”的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮。

3．6 服務(wù)按需提供

“云”是一個巨大的資源池，人們按需購買;而且云可以象自來水、電、煤氣那樣計費。

3．7 性價比高

由于“云”的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云，“云”的自動化集中式管理使大量企業(yè)無需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，“云”的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升，因此用戶可以充分享受“云”的低成本優(yōu)勢，經(jīng)常只要花費幾十美元、幾天時間就能完成以前需要數(shù)萬美元、數(shù)月時間才能完成的任務(wù)。

3．8 存在的危險

“云”除了提供計算服務(wù)外，還必然提供了存儲服務(wù)。目前云計算服務(wù)基本上壟斷在大商業(yè)公司手中，而他們僅僅能夠提供商業(yè)信用。對于政府機(jī)構(gòu)、商業(yè)機(jī)構(gòu)(如銀行這樣持有敏感數(shù)據(jù)的商業(yè)機(jī)構(gòu))對于選擇云計算服務(wù)應(yīng)保持足夠的警惕。一旦商業(yè)用戶大規(guī)模使用大商業(yè)公司提供的云計算服務(wù)，無論其技術(shù)優(yōu)勢有多強(qiáng)，存在大商業(yè)公司以“數(shù)據(jù)(信息)”的重要性挾制整個社會危險。對于信息社會而言，“信息”是至關(guān)重要的。另一方面，云計算中的數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)所有者以外的其他用戶云計算用戶是保密的，但是對于提供云計算的商業(yè)機(jī)構(gòu)而言確實毫無秘密可言。所有這些潛在的危險，是商業(yè)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)選擇云計算服務(wù)、特別是國外機(jī)構(gòu)提供的云計算服務(wù)時，需要認(rèn)真考慮的一個重要問題。

4 云計算對氣象領(lǐng)域的影響

根據(jù)云計算的現(xiàn)狀和特點，結(jié)合氣象領(lǐng)域信息處理系統(tǒng)實際情況和需求，可以預(yù)見云計算對氣象領(lǐng)域的影響。

4．1 計算平臺的改變

氣象領(lǐng)域每天打交道的天氣預(yù)報產(chǎn)品，需要大量的科學(xué)計算才能給出，對于復(fù)雜的天氣系統(tǒng)預(yù)報，如臺風(fēng)路徑的預(yù)測更需要超大型計算機(jī)的計算，目前中國超大型計算機(jī)天河一號和曙光公司研制的“星云”高性能計算機(jī)都應(yīng)用在氣象領(lǐng)域。超級計算機(jī)的應(yīng)用確實提高了我國整體的預(yù)報計算能力，但使用成本是非常高的，省一級氣象科技人員還沒有能力提交計算應(yīng)用，一些模式運(yùn)算只能在本系統(tǒng)內(nèi)的小型機(jī)上進(jìn)行，效率低下。而云計算能夠為氣象預(yù)報工作帶來強(qiáng)大、靈活和低成本的協(xié)作與創(chuàng)新平臺，云計算一個最明顯的優(yōu)勢是可以降低應(yīng)用計算的成本，提高效率。粗略地計算，目前的個人計算機(jī)每個CPU芯片的處理能力是200MIPS，就是每秒鐘執(zhí)行200M也就是兩億次指令，而去年Yahoo!公司報道他們已經(jīng)實現(xiàn)了有一萬個節(jié)點(node)就是一萬臺PC計算機(jī)連接的分布式系統(tǒng)，總的處理能力是2 000 000MIPS，如果節(jié)點上是小型機(jī)，那處理能力難以想象，世界上最快的芯片也無法達(dá)到這個速度，因為在一定面積上設(shè)計的芯片的速度是存在一個極限的，不可逾越。所以我們的預(yù)報科技人員只要通過一臺PC機(jī)甚至一臺3G手機(jī)連接到云計算平臺，就可以實現(xiàn)超大型計算機(jī)完成的任務(wù)或完成不了的作業(yè)。

4．2 數(shù)據(jù)存儲方式的改變

隨著公共服務(wù)需求的提速，氣象數(shù)據(jù)成幾何倍數(shù)增長，每天的自動站、雷達(dá)、雨量標(biāo)校站、衛(wèi)星，常規(guī)氣象資料及歷史資料入庫構(gòu)成了各級氣象領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)中心每年數(shù)據(jù)庫建設(shè)的常態(tài)，2009年統(tǒng)計氣象數(shù)據(jù)存儲每年以50% ～70%增長，網(wǎng)絡(luò)中心需不斷投資購買昂貴的硬件設(shè)備，負(fù)擔(dān)頻繁的維護(hù)與升級，而服務(wù)器和存儲的利用率全國為15% ～25%，電力和空調(diào)占數(shù)據(jù)中心總運(yùn)行費用的25% ～35%，預(yù)計2012年全國將有35%的數(shù)據(jù)中心面臨因高密度設(shè)備的需求而陷入電力及空調(diào)不足的困境，且一個新的應(yīng)用往往需要60～180 d才能布置完畢，花費了大量的人力和物力。云計算存儲的新穎之處在于它幾乎可以提供無限的廉價存儲和計算能力，利用云計算存儲模式，數(shù)據(jù)儲存在云端，由專業(yè)的服務(wù)商提供維護(hù)，把分布在大量的分布式計算機(jī)上的內(nèi)存、存儲和計算能力集中起來成為一個虛擬的資源池，并通過網(wǎng)絡(luò)為用戶提供實用存儲服務(wù)。云計算存儲對用戶端的設(shè)備要求很低，氣象科技人員只要用廉價的終端設(shè)備鏈接到云存儲，就可以拿到需要的數(shù)據(jù)資料，這一特點決定了云計算將會在各單位的網(wǎng)絡(luò)中心大受歡迎，可以減輕數(shù)據(jù)中心人員工作強(qiáng)度，為單位節(jié)約大量的計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換等硬件設(shè)備的購買和維護(hù)成本。

4．3 數(shù)據(jù)共享平臺的改變

氣象領(lǐng)域是一個資源極其豐富、數(shù)據(jù)極其龐大的行業(yè)，近幾年國家對氣象信息資源建設(shè)的投入不斷加大，各個單位都積累了大量的氣象信息資源，目前的現(xiàn)狀是各個單位信息資源只在本單位共享，缺乏一個行業(yè)之間部門之間的氣象信息共享平臺，這極大地浪費了資源，重復(fù)建設(shè)問題十分突出。這個問題在云計算時代將得到解決，全球或全國的氣象行業(yè)擁有一個氣象公共云，這一氣象公共云將基于Web的服務(wù)器、存儲、數(shù)據(jù)庫和其他云計算架構(gòu)的服務(wù)放在一個可供世界各地氣象人員或氣象愛好者使用訪問的平臺。對于預(yù)報和行業(yè)之間的合作，如和航空、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利部門之間可以創(chuàng)建部門云，各部門把資料放在同一云中，資料共享，共同合作，協(xié)同工作，各取所需。

4．4 氣象服務(wù)平臺的改變

氣象部門是公共服務(wù)部門，為全社會提供防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)，從省到市縣各單位擁有一套氣象服務(wù)平臺，大同小異，建設(shè)雷同。而在云計算時代，將是這樣的云氣象服務(wù)平臺，它將各種IT資源包括OS、服務(wù)器、路由器、存儲器等，以虛擬化技術(shù)等服務(wù)提供給云消費者，我們作為云消費者只要按時提供云氣象服務(wù)平臺需要的交互數(shù)據(jù)就可以了。氣象科技服務(wù)部門關(guān)心的是業(yè)務(wù)種類和服務(wù)類型和如何定制化服務(wù)可以更商業(yè)化，同時為氣象事業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)收入;通過云計算模式，不再為基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入資金，只需根據(jù)自己的需求，從云服務(wù)提供商獲得虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，在很大程度上減少了對這些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的成本，同時節(jié)約了用電。

5 云計算需要關(guān)注的問題

5．1 目前的云計算模式還存在很多有待解決的問題，將數(shù)據(jù)存放、管理信息系統(tǒng)的建設(shè)以及基礎(chǔ)設(shè)施的建立放在云端，隨之而來的最大問題就是安全與信任問題，這種擔(dān)心就像是把錢存銀行還是放在自己的保險箱里哪一個更安全一樣，在信任銀行之前，會傾向于把錢放在自己的保險箱里，經(jīng)過信任評估后，再決定取舍。

5．2 由于氣象部門屬于政府公共服務(wù)部門，同時又賦予管理氣象工作的政府職能。所以在云計算時代來臨時，對氣象數(shù)據(jù)的分類就是一個必須解決的問題，哪些資料可以上公共云?哪些資料可以上部門的私有云?哪些資料免費?哪些資料收費?

5．3 網(wǎng)絡(luò)中心部分職能的可能由維護(hù)中心機(jī)房各類設(shè)備轉(zhuǎn)到按需購買云計算和云存儲服務(wù)，由單一的純IT技術(shù)型部門向多個技術(shù)型領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，其中包括商務(wù)談判、法律法規(guī)等。

5．4 由于云計算和存儲的應(yīng)用，使得全球預(yù)報資源的共享最大化，地域差異趨于最小化，很多行業(yè)甚至個人可以利用它的優(yōu)勢進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)報產(chǎn)品，這無疑是給專業(yè)氣象工作帶來巨大的壓力，我們的業(yè)務(wù)水平將面臨更大的競爭和挑戰(zhàn)。

6 浙江氣象如何面對云計算發(fā)展的建議

6．1 提高對云計算的認(rèn)識，積極面對

云計算正在大踏步的走向各個領(lǐng)域，作為服務(wù)于經(jīng)濟(jì)大省的浙江氣象應(yīng)該積極面對，妥善布局。首先要普及云計算的基本知識，特別是要使決策者能夠認(rèn)識到，云計算業(yè)務(wù)最吸引人的地方是它的敏捷性、高可靠性、易布局性、容災(zāi)性及快速恢復(fù)性。因為決策層的認(rèn)同，是各單位IT啟動和布置氣象混合云的基礎(chǔ)。

6．2 提出面對云計算發(fā)展要遇到的關(guān)鍵問題，找出答案

浙江氣象在推廣云計算的過程中，可以預(yù)見會遇到許多關(guān)鍵問題，其中包括如何結(jié)合各單位的局域網(wǎng)構(gòu)建本單位的私有云，如何將各單位的私有云與和氣象公共云結(jié)合起來，并最終綜合成浙江氣象混合云。因為我們知道氣象公共云缺乏行之有效的商業(yè)規(guī)模和安全控制技術(shù)，而結(jié)合各單位的局域網(wǎng)構(gòu)建的私有云升級潛力有限，在應(yīng)用方面難以滿足不斷提出的氣象服務(wù)要求。但是對于將來的浙江氣象混合云，有很多優(yōu)勢，它包括私有和公共云之間，具有保障的資源配置，且更容易控制和管理內(nèi)部和外部環(huán)境和企業(yè)級安全級別的資源。為了實現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，解決這些關(guān)鍵問題，浙江氣象IT團(tuán)隊的教育和培訓(xùn)方面投資也顯得非常重要。

6．3 立足當(dāng)前，妥善布局，解決實際問題

浙江氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由多類業(yè)務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成的，其中多數(shù)子系統(tǒng)是實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為保證全省氣象信息網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，特別是滿足不斷發(fā)生變化的氣象服務(wù)需求，要購買更多更先進(jìn)的硬件設(shè)備和進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級，為此網(wǎng)絡(luò)中心投入了大量的人力物力和時間，但仍然不能滿足日新月異的需求變化，還有許多關(guān)鍵子系統(tǒng)是孤軍奮戰(zhàn)。如MICAPS(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System)系統(tǒng)，每天不間斷作為全省氣象預(yù)報員中短期，短時預(yù)報的工作平臺，目前就是單機(jī)運(yùn)行，一旦遇到故障勢必影響預(yù)報服務(wù)工作。如何解決這個問題，傳統(tǒng)的雙機(jī)熱備，磁盤陣列等技術(shù)已經(jīng)不能滿足宕機(jī)率接近零的需求，可以采用云計算的服務(wù)器集群方案，我們不需要了解這些服務(wù)器的物理位置和他們的型號，它們可以在世界的任何地點存在，其中很可能部分服務(wù)器也會發(fā)生故障，但集群中的其他服務(wù)器會繼續(xù)工作，我們網(wǎng)絡(luò)中心作為云計算的客戶在與云服務(wù)提供商簽約之前，應(yīng)了解自己到底有哪些資源，要購買哪些資源服務(wù)，以及我們的應(yīng)用程序在公共、共享的服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行的業(yè)務(wù)流程，同時還要注意基于云而構(gòu)建的所有Web服務(wù)和功能，然后通過云服務(wù)提供商系統(tǒng)調(diào)度得到我們要的MICAPS系統(tǒng)就可以了。

7 結(jié)語

我們正在步入云計算的時代。云計算通過將中間件組件化、虛擬化，為氣象領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的開發(fā)提供了一種動態(tài)組成系統(tǒng)的有效機(jī)制，使復(fù)雜的問題可以簡單快速的解決。云計算的出現(xiàn)，將要影響氣象領(lǐng)域的許多業(yè)務(wù)平臺，帶來前所未有的改變，我們要積極面對，取其之長，補(bǔ)我之短。

當(dāng)然，云計算并不完美，還有很多有待解決的問題，例如這種云服務(wù)的提供對網(wǎng)絡(luò)的依賴極大還有安全信任問題。但是，不可否認(rèn)，云計算提供了一條新的思路：動態(tài)的組成系統(tǒng)，簡單的處理方式，更大程度的資源共享。可以說，云計算時代的到來，將使氣象領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，數(shù)據(jù)存儲模式，預(yù)報服務(wù)方式帶入一個新的里程碑。

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