云計算及其關(guān)鍵技術(shù)研究

胡瑩

摘 要：重點研究了云計算技術(shù)。從云計算結(jié)構(gòu)框架入手，詳細(xì)介紹了云計算的IaaS、PaaS、SaaS，云計算核心服務(wù)層、云計算服務(wù)管理層以及云計算用戶訪問接口層；重點介紹了云計算的關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)據(jù)中心管理技術(shù)、虛擬化技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等，對保障云計算平臺的有效運(yùn)行進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：云計算；核心服務(wù)層；虛擬化；海量數(shù)據(jù)存儲

DOIDOI：10.11907/rjdk.161654

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0159-03

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚牟糠?。網(wǎng)絡(luò)用戶不斷增多，使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商信息處理壓力越來越大，很多大型IT公司服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)量級已達(dá)到PB級別[1]，這些都需要消耗大量系統(tǒng)資源來完成相關(guān)信息的存儲、處理、傳輸，增加了企業(yè)在服務(wù)器、路由網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等硬件設(shè)備上的投入，以及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件上的成本，系統(tǒng)投入明顯增加，系統(tǒng)維護(hù)成本也大大增長[2]。為了應(yīng)對業(yè)務(wù)增長帶來的運(yùn)營商建設(shè)成本和運(yùn)維成本增長問題，云計算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。云計算技術(shù)能大大減少企業(yè)成本投入，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)營效益，云計算技術(shù)研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 云計算架構(gòu)

云計算有一個完整的結(jié)構(gòu)框架，能夠?qū)⒂布⒕W(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)等資源進(jìn)行彈性配置[3]，配合一系列服務(wù)完成云計算系統(tǒng)功能。對于云計算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架按照計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，一般分為云計算核心服務(wù)層、云計算服務(wù)管理層以及云計算用戶訪問接口層等，如圖1所示。

核心服務(wù)層主要針對硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)以及應(yīng)用服務(wù)作為其核心服務(wù)，通過彈性的資源配置、可靠的運(yùn)行環(huán)境、抽象的服務(wù)功能來滿足不同企業(yè)的業(yè)務(wù)需求。服務(wù)管理層主要對核心服務(wù)層進(jìn)行管理，在服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)安全等諸方面提供應(yīng)用保障，使云計算系統(tǒng)提供的服務(wù)穩(wěn)定、可靠、安全、高效。用戶訪問接口層提供云計算服務(wù)的訪問接口或程序接口[4]，企業(yè)可通過這些接口提供硬件服務(wù)、系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)行定制化配置和使用，訪問方式則是網(wǎng)絡(luò)終端向網(wǎng)絡(luò)云的遠(yuǎn)程訪問。

1.1 核心服務(wù)層

云計算系統(tǒng)核心服務(wù)是云計算提供主要功能服務(wù)層，一般分為IaaS（Infrastructure as a Service）、PaaS（Platform as a Service）以及SaaS（Software as a Service）3個層次。

IaaS是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，主要提供硬件資源的云計算服務(wù)[5]，是將云計算運(yùn)營商提供的硬件資源通過硬件虛擬化技術(shù)和數(shù)據(jù)中心管理技術(shù)，在硬件資源上部署企業(yè)環(huán)境、系統(tǒng)代碼等，從而節(jié)約企業(yè)硬件成本投入。IaaS是云計算系統(tǒng)提供的最底層硬件資源服務(wù)，通過引入硬件虛擬化技術(shù)，通過VMWare、KVM等虛擬化工具對硬件資源統(tǒng)一整合，對其虛擬化和統(tǒng)一分配。企業(yè)可根據(jù)實際需求，對虛擬化了的硬件資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等進(jìn)行配置，將硬件資源上的代碼部署在配置上，通過提供的用戶訪問接口，享受穩(wěn)定的、定制化的、高效的云計算系統(tǒng)IaaS服務(wù)。

PaaS，平臺即服務(wù)，是云計算運(yùn)營商提供的虛擬系統(tǒng)平臺，采用海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)和資源管理調(diào)度技術(shù)提供給企業(yè)[6]，企業(yè)可在系統(tǒng)平臺上搭建數(shù)據(jù)環(huán)境或部署代碼，從而節(jié)約企業(yè)操作系統(tǒng)的投入。PaaS的云計算服務(wù)屬于操作系統(tǒng)平臺級別服務(wù)，用戶不用關(guān)心操作系統(tǒng)硬件配置、操作系統(tǒng)配置，只需將工具、代碼或者運(yùn)行數(shù)據(jù)部署到PaaS服務(wù)提供的平臺即可。對于底層硬件、網(wǎng)絡(luò)的管理，則全權(quán)由云計算系統(tǒng)完成。由于PaaS服務(wù)層提供的系統(tǒng)平臺大都為企業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐，所以在云計算平臺中，針對PaaS層的技術(shù)更多的是針對系統(tǒng)資源管理以及進(jìn)程、資源的調(diào)度方面，從而有效提升了服務(wù)效率，使用戶享受更高級、穩(wěn)定的平臺服務(wù)。

SaaS是軟件即服務(wù)，云計算系統(tǒng)運(yùn)營商將已有的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序服務(wù)[7]，通過Web服務(wù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)等，允許企業(yè)和個人直接使用，從而節(jié)約了開發(fā)成本和維護(hù)成本。SaaS提供的應(yīng)用軟件一般是較為成熟的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，比如郵件系統(tǒng)等，企業(yè)在SaaS服務(wù)層中不必關(guān)心其代碼維護(hù)、服務(wù)器維護(hù)和管理等問題，只需通過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)終端到網(wǎng)絡(luò)云端的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。此外，SaaS的應(yīng)用還大大簡化了網(wǎng)絡(luò)終端的服務(wù)壓力，使用者不需要使用專門的個人桌面應(yīng)用程序，只需通過用戶訪問接口即可享受SaaS服務(wù)。

1.2 服務(wù)管理層

云計算系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行需要服務(wù)管理層的支持。服務(wù)管理層為云計算系統(tǒng)提供了QoS的服務(wù)質(zhì)量保證以及云計算的安全保護(hù)策略，同時還提供了云計算系統(tǒng)的資源監(jiān)控、服務(wù)計費系統(tǒng)等[8]，以此保障云計算從技術(shù)層面和業(yè)務(wù)層面高效穩(wěn)定運(yùn)行。

QoS服務(wù)質(zhì)量保證是服務(wù)管理層的重點功能。從業(yè)務(wù)層面上，為了保障云計算系統(tǒng)用戶良好的體驗，可制定相應(yīng)的服務(wù)水平協(xié)議。如果云計算系統(tǒng)提供的服務(wù)能力與用戶協(xié)議中的服務(wù)水平一致，云計算就將按照用戶繳納的租金持續(xù)提供服務(wù)；如果二者不一致，QoS服務(wù)保障機(jī)制就會報告云計算系統(tǒng)，系統(tǒng)將按照預(yù)定的方案進(jìn)行維護(hù)并對客戶進(jìn)行賠償。

云計算系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺，開放性和共享性是其主要特點，云計算安全問題則成為整個系統(tǒng)的瓶頸。為了保障安全問題（包括自然災(zāi)害、人為攻擊等）不會影響云計算系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)地提供服務(wù)，在系統(tǒng)中采用了數(shù)據(jù)加密、安全隔離、身份驗證、訪問控制等多重安全保障機(jī)制，從而有效保障云計算系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

1.3 用戶接口層

云計算系統(tǒng)的用戶接口層是企業(yè)享受云計算服務(wù)的連接方式，有兩種連接形式：①包含命令行和Web服務(wù)接口的連接訪問形式；②Web門戶的連接訪問形式。第一種方式主要是為租用云計算系統(tǒng)的企業(yè)提供的開發(fā)接口，可以使用相應(yīng)的API接口對租用的資源進(jìn)行配置和管理。第二種方式則主要針對一般的用戶，通過Web形式，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)即可享受云計算服務(wù)，實現(xiàn)桌面應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。不同的云計算運(yùn)營商之間用戶訪問接口標(biāo)準(zhǔn)存在很大差異，這將限制云計算系統(tǒng)快速發(fā)展，所以目前很多IT龍頭企業(yè)都在積極倡導(dǎo)云計算系統(tǒng)用戶訪問接口的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，從而實現(xiàn)不同云計算平臺的無縫通信、服務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)通乃至為構(gòu)建統(tǒng)一云奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 云計算關(guān)鍵技術(shù)

云計算平臺關(guān)鍵技術(shù)主要集中在數(shù)據(jù)中心管理的相關(guān)技術(shù)、虛擬化技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、資源管理和調(diào)度技術(shù)、QoS服務(wù)質(zhì)量保證等，保障云計算平臺穩(wěn)定、可靠地提供服務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)中心相關(guān)技術(shù)

云計算平臺多是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)中心管理相關(guān)技術(shù)是為保障云計算平臺能夠提供正常服務(wù)，其核心設(shè)計主要集中在數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計以及快速高效的數(shù)據(jù)處理和壓縮技術(shù)，從而為云計算平臺提供穩(wěn)定可靠高速的分布式數(shù)據(jù)計算，有效提升云計算平臺的運(yùn)算能力。

云計算平臺數(shù)據(jù)中心相關(guān)技術(shù)具有獨特特點，是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心無法比擬的。首先，云計算數(shù)據(jù)中心相關(guān)技術(shù)在容錯性方面有了很大提升，一般是結(jié)合大數(shù)據(jù)思想和相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對云計算數(shù)據(jù)存儲和管理，能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動維護(hù)，對各種異常情況有很強(qiáng)的容錯性，能夠自動恢復(fù)和重新配置，從而保證服務(wù)的持續(xù)性。其次，云計算平臺數(shù)據(jù)中心管理技術(shù)使用分布式存儲思想，將海量數(shù)據(jù)按照一定的策略分布存放在互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器集群上，從而指數(shù)級地提升了數(shù)據(jù)存儲規(guī)模，企業(yè)無需投入硬件存儲成本即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的大規(guī)模存儲和管理。最后，云計算平臺采用虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)存儲平臺規(guī)模的無限和無障礙擴(kuò)展，企業(yè)可以根據(jù)實際需求在低成本投入的情況下，提升數(shù)據(jù)平臺的高擴(kuò)展性。

2.2 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是一種充分利用硬件資源的技術(shù)，在云計算平臺中實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上不同硬件設(shè)備統(tǒng)一管理和統(tǒng)一分配，是云計算平臺的核心技術(shù)。傳統(tǒng)概念中，硬件和軟件是一一對應(yīng)的，一套硬件設(shè)備只能同時支持一套軟件操作系統(tǒng)平臺完成相關(guān)任務(wù)。虛擬化技術(shù)解決操作系統(tǒng)多用戶多任務(wù)思想，在操作系統(tǒng)平臺與硬件之間搭建一套軟件橋梁，從而使得操作系統(tǒng)不再直接與硬件打交道，而是通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用程序與硬件設(shè)備之間的通信。虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，使硬件資源成為可動態(tài)分配的資源，多個操作系統(tǒng)通過虛擬化技術(shù)來動態(tài)請求硬件資源，實現(xiàn)了多系統(tǒng)平臺同一硬件系統(tǒng)的應(yīng)用，這也是云計算平臺定制化功能和良好擴(kuò)展性實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)所在。

虛擬化技術(shù)應(yīng)用在云計算平臺具有以下特點：①實現(xiàn)了硬件資源共享，允許多個操作系統(tǒng)或平臺分享硬件環(huán)境，而彼此之間又相互獨立、互不干擾；②資源定制化，虛擬化技術(shù)使企業(yè)用戶可以按照自己的需求，任意定制需要的系統(tǒng)類型、型號、資源數(shù)量和配置等，從而在CPU數(shù)量、內(nèi)存和磁盤空間大小等方面滿足其根本需求；③虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了多平臺共享硬件資源，提升了硬件資源利用率，提升了投入性價比，減少了資金浪費。

基于云計算虛擬技術(shù)，在云平臺中可以實現(xiàn)虛擬機(jī)快速部署應(yīng)用以及虛擬機(jī)在線遷移功能。

（1）快速部署應(yīng)用。云計算虛擬機(jī)快速部署應(yīng)用，是通過在云計算平臺中構(gòu)建虛擬機(jī)平臺的各種模板，同時根據(jù)實際的共組需求，在模版中預(yù)裝各種工具和應(yīng)用。用戶只需要在訪問云平臺的虛擬機(jī)部署中，選擇相應(yīng)的模板和網(wǎng)絡(luò)配置（可以根據(jù)需求選擇DHCP和靜態(tài)IP設(shè)置等多種方式），云平臺即可在幾分鐘到十幾分鐘的時間內(nèi)自動部署所需要的平臺。在使用過程中，用戶可以根據(jù)需求自動調(diào)整CPU數(shù)量、內(nèi)存或磁盤空間大小、配置snapshot或回滾等操作，無需在操作平臺上花費太多時間。

（2）在線遷移應(yīng)用。虛擬機(jī)的在線遷移應(yīng)用是指在操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，在不同的物理機(jī)設(shè)備上實現(xiàn)無縫遷移的一種技術(shù)。最初的虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)是通過pre-copy的迭代預(yù)復(fù)制技術(shù)來同步遷移虛擬機(jī)的，而最新的虛擬機(jī)遷移技術(shù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了提升，可以在WAN中快速實現(xiàn)虛擬機(jī)遷移。虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)的應(yīng)用對于云計算系統(tǒng)平臺管理意義重大：首先，通過虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)可以很容易針對服務(wù)持續(xù)性要求，啟動系統(tǒng)實現(xiàn)雙機(jī)運(yùn)行環(huán)境，即在主服務(wù)器發(fā)生故障或需要維護(hù)時，快速將運(yùn)行的應(yīng)用移植到另外的物理機(jī)上，這將大大提升應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，使用虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)，很容易構(gòu)建負(fù)載均衡機(jī)制。通過構(gòu)建多個同樣狀態(tài)的虛擬機(jī)，在某個機(jī)器運(yùn)行負(fù)載過重時，即可將其它負(fù)載轉(zhuǎn)移到另外的機(jī)器上，從而提升應(yīng)用系統(tǒng)的使用性能。

2.3 海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

云計算系統(tǒng)在平臺級別的應(yīng)用中很多時候是對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，例如目前的百度云盤、360云盤等，各種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商都在提供自己的云存儲服務(wù)，云存儲服務(wù)需要應(yīng)對大量用戶的海量數(shù)據(jù)存儲和管理。在云計算環(huán)境中，海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)能夠保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的云存儲服務(wù)有效運(yùn)行，同時還能保障存儲IO的性能以及數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

不同的云計算系統(tǒng)提供的云存儲服務(wù)實現(xiàn)技術(shù)可能有所不同，但從整體看，其在體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制等方面大同小異。以Google公司的云存儲GFS（Google File System）為例說明海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

Google公司的GFS系統(tǒng)分為兩大部分：①文件元數(shù)據(jù)管理的GFS管理節(jié)點；②實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的、分布在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)各處的GFS存儲服務(wù)器。GFS文件系統(tǒng)通過管理節(jié)點對各個存儲服務(wù)器進(jìn)行管理。在管理節(jié)點中，存放了文件存儲的地址、具體位置、文件大小等，而存儲服務(wù)器則是存儲用戶數(shù)據(jù)的地方。當(dāng)用戶通過GFS客戶端訪問云存儲進(jìn)行文件存儲或讀取時，首先要將文件名通過管理節(jié)點進(jìn)行存儲或者索引存儲和查詢，而后根據(jù)管理節(jié)點反饋的信息，將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器中，或者從存儲服務(wù)器中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)到本地客戶端。這些操作由GFS文件系統(tǒng)來實現(xiàn)，企業(yè)用戶就像訪問一個存儲系統(tǒng)一樣，直接實現(xiàn)文件的查詢、上傳、下載。海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用，使得云計算平臺能夠?qū)崿F(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的存儲和管理，將文件存儲和管理的壓力分散到互聯(lián)網(wǎng)的各個服務(wù)器，從而有效提升了整個云計算系統(tǒng)的性能和文件IO吞吐率，極大方便了企業(yè)用戶的使用。

3 結(jié)語

云計算平臺通過自身的系統(tǒng)框架，為企業(yè)用戶提供IaaS、PaaS、SaaS服務(wù)，通過云計算平臺的數(shù)據(jù)中心相關(guān)技術(shù)、虛擬化技術(shù)以及海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)實現(xiàn)各種服務(wù)的有效運(yùn)行，從而降低企業(yè)建設(shè)成本和維護(hù)成本，為企業(yè)創(chuàng)造更大效益。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）