云计算:体系架构与关键技术（一）
本文系统地分析和总结云计算的研究现状，划分云计算体系架构为核心服务、服务管理、用户访问接口等3个层次。围绕低成本、高可靠、高可用、规模可伸缩等研究目标，深入全面地介绍了云计算的关键技术及最新研究进展。在云计算基础设施方面，介绍了云计算数据中心设计与管理及资源虚拟化技术:在大规模数据处理方面，分析了海量数据处理平台及其资源管理与调度技术;在云计算服务保障方面，讨论了服务质量保证和安全与隐私保护技术。针对新型的云计算应用和云计算存在的局限性，又探讨并展望了今后的研究方向。最后，介绍了东南大学云计算平台以及云计算研究与应用方面的相关成果。
1引言
近年来，社交网络、电子商务、数字城市、在线视频等新一代大规模互联网应用发展迅猛。这些新兴的应用具有数据存储量大、业务增长速度快等特点。据统计至2010年，社交网站Facebook 己存储了15TB的数据，并且每天新增60TB数据；电子商务网站淘宝的B2C业务在2010年增长了4倍，其数据中心存储了14PB数据，并且每天需要处理SOOTB数据。与此同时，传统企业的软硬件维护成本高昂；在企业的IT投入中，仅有20%的投入用于软硬件更新与商业价值的提升，而80%则投入用于系统维护。根据2006年IDC对200家企业的统计，部分企业的信息技术人力成本达到1320美元/每人/每台服务器，而部署一个新的应用系统需要花费5.4周。
为了解决上述问题，2006年Google、Amazon等公司提出了“云计算”的构想。根据美国国家标准与技术研究院(NIST)的定义，云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池(如计算设施、存储设备、应用程序等)的计算模式。计算机资源服务化是云计算重要的表现形式，它为用户屏蔽了数据中心管理、大规模数据处理、应用程序部署等问题。通过云计算，用户可以根据其业务负载快速申请或释放资源，并以按需支付的方式对所使用的资源付费，在提高服务质量的同时降低运维成本。
作为信息产业的一大创新，云计算模式一经提出便得到工业界、学术界的广泛关注。其中Amazon等公司的云计算平台提供可快速部署的虚拟服务器，实现了基础设施的按需分配。MapReduce 等新型并行编程框架简化了海量数据处理模型。Google公司的App Engine云计算开发平台为应用服务提供商开发和部署云计算服务提供接口。
Salesforce公司的客户关系管理(CRM, customerrelationship management)服务等云计算服务将桌面应用程序迁移到互联网，实现应用程序的泛在访问。同时，各国学者对云计算也展开了大量研究工作。早在2007年，斯坦福大学等多所美国高校便开始和Google, IBM合作，研究云计算关键技术。近年来，随着云计算研究的深入，众多国际会议(如SIGCOMM、OSDI, SIGMOD, CCS等)上陆续发表了云计算相关研究成果.此外，以Eucalyptus为代表的开源云计算平台的出现，加速了云计算服务的研究和普及。
不仅如此，各国政府纷纷将云计算列为国家战略，投入了相当大的财力和物力用于云计算的部署。其中，美国政府利用云计算技术建立联邦政府网站，以降低政府信息化运行成本。英国政府建立国家级云计算平台(G-Cloud)，超过2/3的英国企业开始使用云计算服务。在我国，北京、上海、深圳、杭州、无锡等城市开展了云计算服务创新发展试点示范工作;电信、石油石化、交通运输等行业也启动了相应的云计算发展计划，以促进产业信息化。
然而，云计算本质上并非一个全新的概念。早在1961年，计算机先驱John McCarthy就预言:“未来的计算资源能像公共设施(如水、电)一样被使用。”为了实现这个目标，在之后的几十年
里，学术界和工业界陆续提出了集群计算、效用计算、网格计算、服务计算等技术，而云计算正是从这些技术发展而来。
在这些传统技术中，集群计算将大量独立的计算机通过高速局域网相连，从而提供高性能计算能力。效用计算为用户提供按需租用计算机资源的途径。网格计算整合大量异构计算机的闲置资源(如计算资源和磁盘存储等)，组成虚拟组织，以解决大规模计算问题。服务计算作为连接信息技术和商业服务的桥梁，研究如何用信息技术对商业服务建模、操作和管理。
对云计算而言，其借鉴了传统分布式计算的思想。通常情况下，云计算采用计算机集群构成数据中心，并以服务的形式交付给用户，使得用户可以像使用水、电一样按需购买云计算资源。从这个角度看，云计算与网格计算的目标非常相似。但是云计算和网格计算等传统的分布式计算也有着较明显的区别:首先云计算是弹性的，即云计算能根据工作负载大小动态分配资源，而部署于云计算平台上的应用需要适应资源的变化，并能根据变化做出响应；其次，相对于强调异构资源共享的网格计算，云计算更强调大规模资源池的分享，通过分享提高资源复用率，并利用规模经济降低运行成本:最后，云计算需要考虑经济成本，因此硬件设备、软件平台的设计不再一味追求高性能，而要综合考虑成本、可用性、可靠性等因素。
基于上述比较并结合云计算的应用背景，云计算的特点可归纳如下。
1)弹性服务。服务的规模可快速伸缩，以自动适应业务负载的动态变化。用户使用的资源同业务的需求相一致，避免了因为服务器性能过载或冗余而导致的服务质量下降或资源浪费。
2)资源池化。资源以共享资源池的方式统一管理。利用虚拟化技术，将资源分享给不同用户，资源的放置、管理与分配策略对用户透明。
3)按需服务。以服务的形式为用户提供应用程序、数据存储、基础设施等资源，并可以根据用户需求，自动分配资源，而不需要系统管理员干预。
4)服务可计费。监控用户的资源使用量，并根据资源的使用情况对服务计费。
5)泛在接入。用户可以利用各种终端设备(如PC电脑、笔记本电脑、智能手机等)随时随地通过互联网访问云计算服务。
正是因为云计算具有上述5个特性，使得用户只需连上互联网就可以源源不断地使用计算机资源，实现了“互联网即计算机”的构想。
综上所述，云计算是分布式计算、互联网技术、大规模资源管理等技术的融合与发展(如图1所示)，其研究和应用是一个系统工程，涵盖了数据中心管理、资源虚拟化、海量数据处理、计算机安全等重要问题。本文通过归纳云计算特点与体系架构，总结和分析云计算各层服务的关键技术及系统实例，针对当前云计算存在的问题，提出未来研究的方向。
图1云计算与相关技术的联系
2云计算体系架构
云计算可以按需提供弹性资源，它的表现形式是一系列服务的集合。结合当前云计算的应用与研究，其体系架构可分为核心服务、服务管理、用户访问接口3层，如图2所示。核心服务层将硬件基础设施、软件运行环境、应用程序抽象成服务，这些服务具有可靠性强、可用性高、规模可伸缩等特点，满足多样化的应用需求。服务管理层为核心服务提供支持，进一步确保核心服务的可靠性、可用性与安全性。用户访问接口层实现端到云的访问。
图2云计算体系架构
2.1核心服务层
云计算核心服务通常可以分为3个子层:基础设施即服务层(IaaS, infrastructure as a service )、平台即服务层(PaaS, platform as a service )、软件即服务层(SaaS, software as a service)。表1对3层服务的特点进行了比较。
IaaS提供硬件基础设施部署服务，为用户按需提供实体或虚拟的计算、存储和网络等资源。在使用IaaS层服务的过程中，用户需要向IaaS层服务提供商提供基础设施的配置信息，运行于基础设施的程序代码以及相关的用户数据。由于数据中心是IaaS层的基础，因此数据中心的管理和优化问题近年来成为研究热点。另外，为了优化硬件资源的分配，IaaS层引入了虚拟化技术。借助于Xen、KVM、VMware等虚拟化工具，可以提供可靠性高、可定制性强、规模可扩展的IaaS层服务。
PaaS是云计算应用程序运行环境，提供应用程序部署与管理服务。通过PaaS层的软件工具和开发语言，应用程序开发者只需上传程序代码和数据即可使用服务，而不必关注底层的网络、存储、操作系统的管理问题。由于目前互联网应用平台(如Facebook.Google、淘宝等)的数据量日趋庞大，PaaS层应当充分考虑对海量数据的存储与处理能力，并利用有效的资源管理与调度策略提高处理效率。
SaaS是基于云计算基础平台所开发的应用程序。企业可以通过租用SaaS层服务解决企业信息化问题，如企业通过GMail建立属于该企业的电子邮件服务。该服务托管于Google的数据中心，企业不必考虑服务器的管理、维护问题。对于普通用户来讲，SaaS层服务将桌面应用程序迁移到互联网，可实现应用程序的泛在访问。
表1
2.2服务管理层
服务管理层对核心服务层的可用性、可靠性和安全性提供保障。服务管理包括服务质量(QoS,quality of service)保证和安全管理等。
云计算需要提供高可靠、高可用、低成本的个性化服务。然而云计算平台规模庞大且结构复杂，很难完全满足用户的QoS需求。为此，云计算服务提供商需要和用户进行协商，并制定服务水平协议(SLA,service level agreement )，使得双方对服务质量的需求达成一致。当服务提供商提供的服务未能达到SLA的要求时，用户将得到补偿。
此外，数据的安全性一直是用户较为关心的问题。云计算数据中心采用的资源集中式管理方式使得云计算平台存在单点失效问题。保存在数据中心的关键数据会因为突发事件(如地震、断电)、病毒入侵、黑客攻击而丢失或泄露。根据云计算服务特点，研究云计算环境下的安全与隐私保护技术(如数据隔离、隐私保护、访问控制等)是保证云计算得以广泛应用的关键。
除了QoS保证、安全管理外，服务管理层还包括计费管理、资源监控等管理内容，这些管理措施对云计算的稳定运行同样起到重要作用。
2.3用户访问接口层
用户访问接口实现了云计算服务的泛在访问，通常包括命令行、Web月及务、Web门户等形式。命令行和Web服务的访问模式既可为终端设备提供应用程序开发接口，又便于多种服务的组合。Web 门户是访问接口的另一种模式。通过Web门户，云计算将用户的桌面应用迁移到互联网，从而使用户随时随地通过浏览器就可以访问数据和程序，提高工作效率。虽然用户通过访问接口使用便利的云计算服务，但是由于不同云计算服务商提供接口标准不同，导致用户数据不能在不同服务商之间迁移。为此，在Intel , Sun和Cisco等公司的倡导下，云计算互操作论坛(CCIF, cloud computing interop-erability forum)宣告成立，并致力于开发统一的云计算接口(UCI, unified cloud interface)，以实现“全球环境下不同企业之间可利用云计算服务无缝协同工作”的目标。
3云计算关键技术
云计算的目标是以低成本的方式提供高可靠、高可用、规模可伸缩的个性化服务。为了达到这个目标，需要数据中心管理、虚拟化、海量数据处理、资源管理与调度、QoS保证、安全与隐私保护等若干关键技术加以支持。本节详细介绍核心服务层与服务管理层涉及的关键技术和典型应用，并从IaaS,PaaS、SaaS 3个方面依次对核心服务层进行分析。
3.1IaaS
IaaS层是云计算的基础。通过建立大规模数据中心，IaaS层为上层云计算服务提供海量硬件资源。同时，在虚拟化技术的支持下，IaaS层可以实现硬件资源的按需配置，并提供个性化的基础设施服务。基于以上两点，IaaS层主要研究2个问题:①如何建设低成本、高效能的数据中心;②如何拓展虚拟化技术，实现弹性、可靠的基础设施服务。
3.1.1 数据中心相关技术
数据中心是云计算的核心，其资源规模与可靠性对上层的云计算服务有着重要影响。Google、Facebook等公司十分重视数据中心的建设。在2009年，Facebook的数据中心拥有30 000个计算节点，截止2010年，计算节点数量更是达到60 000个；Google公司平均每季度投入约6亿美元用于数据中心建设，其中仅2010年第4季度便投入了25亿美元。
一、选择题30‘ 云计算 Software as a Service Platform-as-a-Service Platform-as-a-Service 云计算的特点:○1通用○2高扩展○3按需服务○4极其廉价 云计算的三大核心技术 GFS中的每一个文件被划分成多个Chunk，Chunk的默认大小是64MB，每个Chunk 又划分为若干Block（64KB），每个Block对应一个32bit的校验码，保证数据 正确（若某个Block错误，则转移至其他Chunk副本） 二、名词解释15’
1.企业信息化：企业信息化是指企业利用现代信息技术，通过对信息资源的深化开发和广泛利用，不断提高企业生产、经营、管理、决策的效率和水平，进而提高企业经济效益和企业市场竞争力的过程。 2.云计算:是一种商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够按需获取计算力、存储空间和信息服务。 :Apache开源组织的一个分布式计算框架，可以在大量廉价的硬件设备组成的集群上运行应用程序，为应用程序提供了一组稳定可靠的接口，旨在构建一个具有高可靠性和良好扩展性的分布式系统 4.企业信息系统 PS:管理信息系统是一个以人为主导，利用计算机硬件、软件、网络通讯设备以及其它办公设备，进行信息收集、传输、加工、存储、更新和维护，以提高企业竞争力、提高效益和效率为目的，支持企业高层决策、中层控制、基层运作的集成化的人机系统。 4、决策支持信息系统 DSS是一种以计算机为工具，应用决策科学及有关学科的理论与方法，以人机交互方式辅助决策者解决半结构化和非结构化决策问题的信息系统。 5.客户关系管理:通过信息技术使企业在营销、销售和服务业务范围内实现以客户为中心的管理理念的软件系统，其中涉及销售、市场营销、客户服务以及支持应用等软件 三、简答题30‘ 的三大关键技术，了解GFS的构成以及作用，实现机制。 三大关键技术：mapreduce,hbase,hdfs. ○1实现机制： 客户端首先访问Master节点，获取交互的Chunk Server信息，然后访问这些
从整体来看，Google的云计算平台包括了如下的技术层次。 ●网络系统：包括外部网络(Exterior Network) ，这个外部网络并不是指运营商自己的骨干网，也是指在Google 云计算服务器中心以外，由Google 自己搭建的由于不同地区/国家，不同应用之间的负载平衡的数据交换网络。内部网络（Interior Network），连接各个Google自建的数据中心之间的网络系统。 ●硬件系统：从层次上来看，包括单个服务器、整合了多服务器机架和存放、连接各个服务器机架的数据中心（IDC）。 ●软件系统：包括每个服务器上面的安装的单机的操作系统经过修改过的Redhat Linux。Google 云计算底层软件系统（文件系统GFS、并行计算处理算法Mapreduce、并行数据库Bigtable，并行锁服务Chubby Lock，云计算消息队列GWQ） ●Google 内部使用的软件开发工具Python、Java、C++ 等 ●Google 自己开发的应用软件Google Search 、Google Email 、Google Earth 外部网络系统介绍 当一个互联网用户输入的时候，这个URL请求就会发到Google DNS 解析服务器当中去，Google 的DNS 服务器会根据用户自身的IP 地址来判断，这个用户请求是来自哪个国家、哪个地区。根据不同用户的IP地址信息，解析到不同的Google的数据中心。 进入第一道防火墙，这次防火墙主要是根据不同端口来判断应用，过滤相应的流量。如果仅仅接受浏览器应用的访问，一般只会开放80 端口http，和443 端口https （通过SSL加密）。将其他的来自互联网上的非Ipv4 /V6 非80/443 端口的请求都放弃，避免遭受互联网上大量的DOS 攻击。 在大量的web 应用服务器群（Web Server Farm）前，Google使用反向代理（Reverse Proxy）的技术。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受internet 上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给Internet 上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。
云计算平台设计参考架构 在私有云当中，主要包含以下几个组件：物理基础架构、虚拟化层、服务自动化层、服务门户、安全体系、云API和可集成的其它功能。（如图私有云参考架构） 图3.4 私有云参考架构 a) 物理基础架构 物理架构的定义是组成私有云的各种计算资源，包括存储、计算服务器、网络，无论是云还是传统的数据中心，都必须基于一定的物理架构才能运行。
在私有云参考架构中的物理基础架构其表现形式应当是以资源池模式出现，也就是说，所有的物理基础架构应当是统一被管，且任一设备可以看成是无状态，或者说并不与其它的资源，或者是上层应用存在紧耦合关系，可以被私有云根据最终用户的需求，和预先定制好的策略，对其进行改变。 b) 虚拟化层 虚拟化是实现私有云的前提条件，通过虚拟化的方式，可以让计算资源运行超过以前更多的负载，提升资源利用率。虚拟化让应用和物理设备之间采用松耦合部署，物理资源状态的变更不影响到虚拟化的逻辑计算资源。且可以根据物力基础资源变化而动态调整，提升整体的灵活性。 c) 服务自动化层 服务自动化层实现了对计算资源操作的自动化处理。它可以集中的监控目前整体计算资源的状态，比如性能、可用性、故障、事件汇总等等，并通过预先定义的自动化工作流进行
相关的处理。 服务自动化层是计算资源与云计算服务门户相关联的重要部件，服务自动化层拥有自动化配置和部署功能，可以进行服务模板的制定，并将服务内容和选择方式在云计算服务门户上注册，用户可以通过服务门户上的服务目录来选择相应的计算资源请求，由服务自动化层实现服务交付。 d) 云API 云应用开发接口提供了一组方法，让云服务门户和不同的服务自动化层进行联系，通过云API，可以在一个私有云当中接入多个不同地方的计算资源池，包括不同架构的计算资源，并通过各自的服务自动化体系去进行服务交互。 e) 云服务门户 云服务门户是用户使用私有云计算资源的接口，云服务门户上提供了所有可用服务的目录，并提供了完善的服务申请流程，用户可以执行申请、变更、退回等计算资源使用服务。
不定项选择题 1.云计算的产生是哪些因素共同促进的结果？ A.需求推动 B.技术进步 C.商业模式转变 D.行业变革 2.IT基础架构经历了下面哪几个时代： A.分布式计算 B.大型机时代 C.PC时代 D.云计算时代 3.云计算的演进经历了哪几个阶段： A.并行计算 B.分布式计算 C.网格计算 D.云计算 4.云计算的关键特征有哪些： A.按需自助服务 B.与位置无关的资源池 C.按使用付费 D.快速弹性 5.某用户从云服务提供商租用虚拟机进行日常使用，外出旅游时把虚拟机归还给云服务提供商，这体现了云计算的哪个关键特征： A.按需自助服务 B.与位置无关的资源池 C.按使用付费 D.快速弹性 6.从商业视角来看，云计算与下面哪种事物比较相像？ A.加油站 B.自来水管 C.信息电厂 D.水库 7.云计算的部署模式有哪些？ A.公有云 B.私有云 C.政务云
8.某公司自己搭建了桌面云环境供员工办公使用，属于哪种云计算部署模式？ A.公有云 B.私有云 C.政务云 D.混合云 9.电子商务网站平台，平时业务流量比较均衡，数据处理在其公司自身构建的云环境上；当节假日来临，流量增大，从云服务提供商租用资源进行处理。该电商属于哪种云计算部署模式？ A.公有云 B.私有云 C.政务云 D.混合云 10.某公司搭建云计算服务平台，提供虚拟机资源供有需要的用户购买使用，此公司属于哪种云计算部署模式？： A.公有云 B.私有云 C.政务云 D.混合云 11.云计算的商业模式有哪些？ A.IaaS B.PaaS C.SaaS D.DaaS 12.某公司提供多种资源给客户使用，下面哪些形式属于IaaS？ A.网络存储服务 B.应用系统 C.开发平台 D.裸虚拟化 13.某公司构建IT系统时，使用虚拟化平台把服务器抽象组合为多个虚拟服务器使用，提高资源利用率，降低企业投资成本。该公司的云计算使用属于哪种流派： A.大分小 B.小聚大 C.一虚多 D.多合一 14.下面哪些技术属于云计算技术体系： A.虚拟化技术
Google 云计算技术架构: Google 云计算技术架构应用均依赖于四个基本组件1.分布式文件存储(GFS),2,并行数据处理模型(MapReduce).3分布式锁(Chubby).4,结构化数据表(BigTable). Chubby的作用:1.为GFS提供锁服务,选择Master节点:记录Master的相关描述信息;2:通过独占锁记录Chunk Server 的活跃情况;3:为BigTable提供锁服务,记录子表信息(如子表文件信息,子表分类信息,子表服务信息);4:记录MapReduce的任务信息;5:为第三方提供锁服务与文件存储. GFS的作用:1.存储Bigtable的子表文件,2:为第三方应用提供大尺寸文件存储功能;3:文件读操作流程(API与Mater 通信,获取文件元信息,根据指定的读取位置与读取长度,API发动兵发起操作,分别从若干ChunkServer上读取数据,API组装所得数据,返回结果. BigT able的作用:1.为Google云计算应用(或第三方应用)提供数据结构化存储功能;2:类似于数据库;3:为应用提供简单数据查询功能(不支持联合查询);4:为MapReduce提供数据源或者数据结果存储. BigT able的存储于服务请求的响应:1.换分为子表存储,每一个子表对应一个子表文件,子表文件存储于GFS 上;2:bigTable通过元数据组织子集;3:每个子集都被分配给一个子表服务器;4:一个子表服务器可同时分配多个子表;4:子表服务器负责对外提供服务,响应查询请求. MapReduce的作用:对BigTable中的数据进行并行计算处理;2使用BigTable或者GFS存储计算结果 Google Analytics:免费的企业级网络分析解决方案;2:帮助企业了解网站流量和营销效果;3:能以灵活的反噬(各类报表)查看并分析流量数据 Google网站流量分析的基本功能:统计网站的基本数据,包括会话,综合浏览量,点击量和字节流量;2:分析网站页面关注度,帮助企业调整或者增删页面;3:分析用户浏览路径,优化页面布局;4:分析用户访问来源连接,提供广告投资回报;5:分析用户访问环境,帮助美化页面 EC2:Eastic Compute Cloud)简言之,EC2就是一部具有无限采集能力的虚拟计算机,用户能够用来执行一些处理任务EC2的主要特征:1:灵活性,可以自行配置的实例类型,数量,还可以选择实例运行的地理位置,可以根据影虎的需求随时改变实例的使用数量;2:低成本:SSH,可配置的防火墙机制,监控等;3:易用性:用户可以根据亚马逊提供的模块自由构建自己的应用程序,同时EC2还会对用户的服务请求自动进行负载均衡;3:容错性,弹性IP 简单队列服务SQS:目标:解决低耦合系统间的通信问题,支持分布式计算机系统之间的工作流, 简单队列服务SQS:特点:简单,无处不在 简单队列服务SQS:的机制:冗余存储,给予加权随机分布的消息取样,并发管理和故障排除,消息的可见性超时值与生命周期 SDB与S3的区别:S3是专为大型,费结构化的数据块设计的;SimpleDB是为复杂的,结构化数据建立的,支持数据的查找,删除,插入等操作
云计算架构的设计原则
关于“架构”概念的介绍，包括： ?“事物的组织、结构或格局。” -- 《现代汉语大词典》?“建筑的科学或艺术。”-- 《牛津辞典》 ?“①建造，构筑；②框架，支架。-- 《新华词典》
1.公有云进入快车道，逐渐成为主流：Gartner 数据显示，2016 年全球IaaS 投入增长为38.4%， 达到了224 亿美元，并预计到2020 年，全球IaaS 投入将增至560.5 亿美元，复合年增长率将达到29%。
2.企业自建数据中心不断减少：Gartner 预测未来企业数据中心将会不断消失，逐渐会向公有云上 迁移。 3.公有云和企业IT 会长期并存，形成混合云形态：根据Gartner 预测，在2017 年全球公有云服 务市场规模预计增长18%，相比2016 年的2092 亿美元，总数将达2468 亿美元。但相比全球总的IT 开销来看，全球3.8 万亿美元的IT 总开销相比，还只是刚刚起步。长期开看，企业自有IT 和公有云会长期并存，形成混合云形态。 原则二：混合云成为必然 企业架构师需要具备双模IT 的思想，双模IT 的实现基础是混合云架构。根据IDC 的预测，未来3 年内将会有超过80% 的企业会采纳混合云模式部署，大幅推动组织变革和业务创新。混合云成为企业必然的选择： 1.私有云部分负责承担关键业务、敏感数据、合规性要求、交易型平台。
2.公有云部分负责承担交互类应用、创新类业务、数字化业务服务等 3.私有云和公有云之间可以进行平滑的负载迁移，在私有云高负载的情况下，部分业务可以平滑迁 移到公有云部署；公有云业务随着企业管控要求，可以随时回归到私有云环境中；公有云和私有云可以进行混合型业务部署，私有云承担关键业务交易，公有云承担读写分离式的查询业务（类似于12306）。
由于云计算分为IaaS、PaaS和SaaS三种类型，不同的厂家又提供了不同的解决方案，目前还没有一个统一的技术体系结构，对读者了解云计算的原理构成了障碍。为此，本文综合不同厂家的方案，构造了一个供商榷的云计算体系结构。这个体系结构如图3所示，它概括了不同解决方案的主要特征，每一种方案或许只实现了其中部分功能，或许也还有部分相对次要功能尚未概括进来。 图3 云计算技术体系结构 云计算技术体系结构分为4层：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA构建层，如图3所示。物理资源层包括计算机、存储器、网络设施、数据库和软件等；资源池层是将大量相同类型的资源构成同构或接近同构的资源池，如计算资源池、数据资源池等。构建资源池更多是物理资源的集成和管理工作，例如研究在一个标准集装箱的空间如何装下2000个服务器、解决散热和故障节点替换的问题并降低能耗；管理中间件负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务；SOA构建层将云计算能力封装成标准的Web Services服务，并纳入到SOA体系进行管理和使用，包括服务注册、查找、访问和构建服务工作流等。管理中间件和资源池层是云计算技术的最关键部分，SOA构建层的功能更多依靠外部设施提供。 云计算的管理中间件负责资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作。资源管理负责均衡地使用云资源节点，检测节点的故障并试图恢复或屏蔽之，并对资源的使用情况进行监视统计；任务管理负责执行用户或应用提交的任务，包括完成用户任务映象(Image)的部署和管理、任务调度、任务执行、任务生命期管理等等；用户管理是实现云计算商业模式的一个必不可少的环节，包括提供用户交互接口、管理和识别用户身份、创建用户程序的执行环境、对用户的使用进行计费等；安全管理保障云计算设施的整体安全，包括身份认证、访问授权、综合防护和安全审计等。 基于上述体系结构，本文以IaaS云计算为例，简述云计算的实现机制，如图4所示。 用户交互接口向应用以Web Services方式提供访问接口，获取用户需求。服务目录是用户可以访问的服务清单。系统管理模块负责管理和分配所有可用的资源，其核心是负载均衡。配
云计算的总体架构、应用及模式探讨 1.引言： 云计算，是一种可用于商业化运作的技术架构。云计算是新一代的IT （计算机技术）模式，是IT发展历程的回归，自乔布斯创新PC（个人电脑）分散应用以来的IT领域第一次大集中应用。云计算的诞生，仍然得遵循经济规律，利用技术上的创新实现需求的增长和运营成本的降低。面对大量资源利用率不足的计算机，通过云的形式，利用富裕的已存在性能资源，使其虚拟成池以提供服务满足社会各方面的信息软件化需求，这是目前IT业大举进攻的目标市场。云计算是技术，有自身的技术架构，通过对云计算架构中功能模块的解析和架构应用实例的列举，阐述了云计算实现的基本模型，并对云计算的商业模式进行了分类展望。 2.云架构： 云计算经过初期的摸索，架构渐渐清晰，主流是分为两部分：服务和管理。 云架构的总体结构框如图1： 图1 云架构系统框图 服务分三层：SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）和IaaS（基础设施即服务）。 SaaS是出现最早，最普遍的云计算服务。随着互联网的高速发展，基础网络条件的日益成熟，用户通过浏览器联网即能用云上的软件服务。SaaS最靠近用户，只需按需付费就能享受云计算服务商提供的软件服务，用户因此省去了前期软硬件和后期维护的资金投入，这种高体验性服务，促成了SaaS产品在云计算产品中的高市场份额。SaaS包含以下常见技术： （1）、HTML（超文本标记语言）。Web（网站）页面标准技术，现主流是HTML4，逐步会过渡至HTML5，视频的高品质需求体验是其推动力。 （2）、JavaScript（物件导向语言）。用于丰富Web页面功能的动态描述语言，提高人机交互时的动画体验。 （3）、CSS(级联样式表)。控制Web页面的外观，例如链接文字的变化，
浅谈Google云计算架构 成都信息工程大学信息安全工程学院 方欣方睿廖勇 摘要：本文通过对google云计算架构的介绍，分析数据在云计算中存储，读取，获取等一系列技术，本文将google云计算分为两部分分别为外网与内网，从两个部分讲解google云计算架构，重点分析云计算架构的原理。 关键字：云计算，平台，架构，技术，网络 Introduction to Google cloud computing architecture Abstract:Based on the introduction to Google cloud computing architectures, analyze the data stored in the cloud computing, to read, access and a series of technology, this article will Google cloud computing is divided into two parts, respectively for the outside network and Intranet, from the two parts on Google cloud computing architectures, focuses on analyzing the principle of cloud computing architectures. Key words: Cloud computing ,platform, architecture, technology, and networks 1、引言
云计算不仅是技术，更是服务模式的创新。云计算之所以能够为用户带来更高的效率、灵活性和可扩展性，是基于对整个IT领域的变革，其技术和应用涉及硬件系统、软件系统、应用系统、运维管理、服务模式等各个方面。 IaaS(基础架构即服务)作为云计算的三大部分之一，将基础架构进行云化，从而更好的为应用系统的上线、部署和运维提供支撑，提升效率，降低TCO。同时，由于IaaS包含各种类型的硬件和软件系统，因此在向云迁移过程中也面临前所未有的复杂性和挑战。那么，云基础架构包含哪些组件?主要面临哪些问题?有哪些主要的解决方法呢? 一、云基础架构 如图1所示，传统的IT部署架构是“烟囱式”的，或者叫做“专机专用”系统。 图1传统IT“烟囱”模式部署架构 在这种架构中，新的应用系统上线的时候需要分析该应用系统的资源需求，确定基础架构所需的计算、存储、网络等设备规格和数量，这种部署模式主要存在的问题有以下两点： l硬件高配低用。考虑到应用系统未来3～5年的业务发展，以及业务突发的需求，为满足应用系统的性能、容量承载需求，往往在选择计算、存储和网络等硬件设备的配置时会留有一定比例的余量。但硬件资源上线后，应用系统在一定时间内的负载并不会太高，使得较高配置的硬件设备利用率不高。 l整合困难。用户在实际使用中也注意到了资源利用率不高的情形，当需要上线新的应用系统时，会优先考虑部署在既有的基础架构上。但因为不同的应用系统所需的运行环境、对资源的抢占会有很大的差异，更重要的是考虑到可靠性、
稳定性、运维管理问题，将新、旧应用系统整合在一套基础架构上的难度非常大，更多的用户往往选择新增与应用系统配套的计算、存储和网络等硬件设备。 这种部署模式，造成了每套硬件与所承载应用系统的“专机专用”，多套硬件和应用系统构成了“烟囱式”部署架构，使得整体资源利用率不高，占用过多的机房空间和能源，随着应用系统的增多，IT资源的效率、扩展性、可管理性都面临很大的挑战。 云基础架构的引入有效解决了传统基础架构的问题(如图2所示)。 图2云计算融合模式部署架构 云基础架构在传统基础架构计算、存储、网络硬件层的基础上，增加了虚拟化层、云层： 虚拟化层：大多数云基础架构都广泛采用虚拟化技术，包括计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等。通过虚拟化层，屏蔽了硬件层自身的差异和复杂度，向上呈现为标准化、可灵活扩展和收缩、弹性的虚拟化资源池; 云层：对资源池进行调配、组合，根据应用系统的需要自动生成、扩展所需的硬件资源，将更多的应用系统通过流程化、自动化部署和管理，提升IT效率。 相对于传统基础架构，云基础架构通过虚拟化整合与自动化，应用系统共享基础架构资源池，实现高利用率、高可用性、低成本、低能耗，并且通过云平台层的自动化管理，实现快速部署、易于扩展、智能管理，帮助用户构建IaaS(基础架构即服务)云业务模式。
1.云计算参考架构 在私有云当中，主要包含以下几个组件：物理基础架构、虚拟化层、服务自动化层、服务门户、安全体系、云API和可集成的其它功能。（如图私有云参考架构） 图3.4 私有云参考架构 a) 物理基础架构 物理架构的定义是组成私有云的各种计算资源，包括存储、计算服务器、网络，无论是云还是传统的数据中心，都必须基于一定的物理架构才能运行。 在私有云参考架构中的物理基础架构其表现形式应当是以资源池模式出现，也就是说，所有的物理基础架构应当是统一被管，且任一设备可以看成是无状态，或者说并不与其它的资源，或者是上层应用存在紧耦合关系，可以被私有云根据最终用户的需求，和预先定制好的策略，对其进行改变。 b) 虚拟化层 虚拟化是实现私有云的前提条件，通过虚拟化的方式，可以让计算资源运行超过以前更
多的负载，提升资源利用率。虚拟化让应用和物理设备之间采用松耦合部署，物理资源状态的变更不影响到虚拟化的逻辑计算资源。且可以根据物力基础资源变化而动态调整，提升整体的灵活性。 c) 服务自动化层 服务自动化层实现了对计算资源操作的自动化处理。它可以集中的监控目前整体计算资源的状态，比如性能、可用性、故障、事件汇总等等，并通过预先定义的自动化工作流进行相关的处理。 服务自动化层是计算资源与云计算服务门户相关联的重要部件，服务自动化层拥有自动化配置和部署功能，可以进行服务模板的制定，并将服务内容和选择方式在云计算服务门户上注册，用户可以通过服务门户上的服务目录来选择相应的计算资源请求，由服务自动化层实现服务交付。 d) 云API 云应用开发接口提供了一组方法，让云服务门户和不同的服务自动化层进行联系，通过云API，可以在一个私有云当中接入多个不同地方的计算资源池，包括不同架构的计算资源，并通过各自的服务自动化体系去进行服务交互。 e) 云服务门户 云服务门户是用户使用私有云计算资源的接口，云服务门户上提供了所有可用服务的目录，并提供了完善的服务申请流程，用户可以执行申请、变更、退回等计算资源使用服务。 云服务门户收到最终用户的请求时，将根据预先定义好的策略对该请求进行立刻供应、预留或者排队。 不同的用户通过同一个云服务门户当中，将会看到只属于自己的应用、计算资源和服务目录，这是云计算当中的多租户技术，用户使用的资源在后台集中，但是在前端是完全的逻
【摘 要】文章首先探讨了云计算的定义，接着对其体系结构进行梳理，将IT业内的相关业务和技术分别归纳到该体系结构的五个层面中，最后阐述了云计算在国内的应用。【关键词】云计算 体系结构 业务实例 IDC 收稿日期：2010-07-27 彭国庆 周冠宇 广州杰赛通信规划设计院 云计算分层体系结构研究 1 云计算定义 从严格意义上来说，云计算不是一个具体的技术概念，并没有明确的定义，也因其所指的“什么都能做”而受到业界的广泛批评。尽管如此，我们却可以对云的特性进行分析，从而明确云计算的涵义。可以通过以下几条语句来描述它： （1）云计算是通过互联网广泛共享计算资源的一种计算方式，而不是使用本地PC的软件或存储； （2）云计算是快捷接入互联网所提供的远端站点的一种延伸。理论上，这是一种范式转移，对用户来说，云将实现的技术细节抽象了，用户不需要也不用了解和控制组成云的技术架构； （3）云计算描述了一种新的基于互联网IT服务的补充、消费和交付模式，它提供典型的基于互联网的业务——以动态可扩展的和虚拟的资源作为服务； （4）典型的云计算提供商交付公共在线商业应用，这些商业应用在客户端通过网页浏览器访问，而软件和数据则被存储在服务器端。 由此，我们可以尝试着给云计算下一个定义：提供计算能力，将底层技术架构（如：服务器、存储和网络）抽象为计算资源，方便地、按需地通过网络访问可配置计算 资源的共享池，计算资源能以少量的管理代价或由服务提供商交互而被快速提供和释放。这个定义描述了云计算的五个必要特性： （1）按需自助服务：申请、调整和释放资源均由用户在管理界面上自行操作； （2）广泛网络访问：任何时间、任何地点和任何接入方式均可以访问到云计算所提供的服务； （3）资源的池化：计算机的物理资源不再专人专用，而是有需求才占用，不需要就释放； （4）良好的弹性：资源的调度能够及时响应用户需求的扩张和收缩； （5）计费服务：可满足公用服务的运营需求，资源的使用以计时和计量来收取费用。 其实云计算所涵盖的技术并不具有创新性，它是很多已有技术的抽象、进化和综合： （1）网格计算（Grid Computing）：分布式计算和并行计算的一种形式，一群联网的松耦合计算机可协同处理非常巨大的任务，如同一台超级的虚拟计算机。通常用于科学计算； （2）公用计算/效用计算（Utility Computing）：将计算资源打包，如计算能力和存储，作为一项可计量的服务，类似于传统的公用设施（例如：水、电、气）。由亚 马逊首先进行商用；
云计算体系结构 云计算基本原理 云计算是对分布式处理（Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）及分布式数据库的改进处理，其前身是利用并行计算解决大型问题的网格计算和将计算资源作为可计量的服务提供的公用计算，在互联网宽带技术和虚拟化技术高速发展后萌生出云计算。 许多云计算公司和研究人员对云计算采用各种方式进行描述和定义，基于云计算的发展和我们对云计算的理解，概括性给出云计算的基本原理为：利用非本地或远程服务器（集群）的分布式计算机为互联网用户提供服务（计算、存储、软硬件等服务）。这使得用户可以将资源切换到需要的应用 上，根据需求访问计算机和存储系统。云计算可以把普通的服务器或者PC 连接起来以获得超级计算机计算机的计算和存储等功能，但是成本更低。云计算真正实现了按需计算，从而有效地提高了对软硬件资源的利用效率。云计算的出现使高性并行计算不再是科学家和专业人士的专利，普通的用户也能通过云计算享受高性能并行计算所带来的便利，使人人都有机会使用并行机，从而大大提高了工作效率和计算资源的利用率。云计算模式中用户不需要了解服务器在哪里，不用关心内部如何运作，通过高速互联网就可以透明地使用各种资源。 云计算体系结构
云计算是全新的基于互联网的超级计算理念和模式，实现云计算需要多种技术结合，并且需要用软件实现将硬件资源进行虚拟化管理和调度，形成一个巨大的虚拟化资源池，把存储于个人电脑、移动设备和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工作。 按照最大众化、最通俗理解云计算就是把计算资源都放到互联网上，互联网即是云计算时代的云。计算资源则包括了计算机硬件资源（如计算机设备、存储设备、服务器集群、硬件服务等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境、软件服务）。 云计算体系结构 云计算平台是一个强大的“云”网络，连接了大量并发的网络计算和 服务，可利用虚拟化技术扩展每一个服务器的能力，将各自的资源通过云计算平台结合起来，提供超级计算和存储能力。通用的云计算体系结构如下图所示： 云计算体系结构 云用户端：提供云用户请求服务的交互界面，也是用户使用云的入口，用户通过Web浏览器可以注册、登录及定制服务、配置和管理用户。打开应用 实例与本地操作桌面系统一样。 服务目录：云用户在取得相应权限（付费或其他限制）后可以选择或定制的服务列表，也可以对已有服务进行退订的操作，在云用户端界面生成相应的图标或列表的形式展示相关的服务。 云计算体系结构 管理系统和部署工具：提供管理和服务，能管理云用户，能对用户授权、认证、登录进行管理，并可以管理可用计算资源和服务，接收用户发送的请求，根据用户请求并转发到相应的相应程序，调度资源智能地部署资源和应用，动态地部署、配置和回收资源。 监控：监控和计量云系统资源的使用情况，以便做出迅速反应，完成节点同步配置、负载均衡配置和资源监控，确保资源能顺利分配给合适的用户。 服务器集群：虚拟的或物理的服务器，由管理系统管理，负责高并发量的用户请求处理、大运算量计算处理、用户Web应用服务，云数据存储时采用
云计算架构介绍
白皮书 第 1 版，2009 年 6 月
摘要
云计算可望提高应用程序部署速度、促进创新和降低成本，同时还增强经营敏捷 性。Sun 抱持一种全面的云计算观点，因而可以支持各个层面，其中包括服务器、 存储、网络和虚拟化技术，这些技术将云计算环境扩展到虚拟设备中运行的软件， 而这些虚拟设备可用来在极少时间内成功汇编应用程序。本白皮书探讨云计算如何 变革我们的设计、构建和提供应用程序的方式，以及企业在采纳并应用云计算技术 时必须考虑的架构问题。
本页故意留空。
Sun 公司
目录
引言............................................................... 1 Sun 公司观点. ....................................................... 1 云计算的性质....................................................... 2 扩大已形成的趋势................................................... 2 将虚拟机作为标准部署对象......................................... 2 按需、自助、以使用情况付费的模式................................. 2 通过网络提供服务................................................. 5 开放源软件的作用................................................. 5 云计算基础设施模式................................................. 6 公用云、专用云和混合云........................................... 6 云计算的架构层................................................... 9 云应用程序设计接口.............................................. 11 云计算效益........................................................ 11 缩短运行时间和响应时间.......................................... 11 最大限度地减轻基础设施风险...................................... 12 降低入市成本.................................................... 12 加快创新步伐.................................................... 12 实现 IaaS 必须考虑的架构问题. ....................................... 13 不断发展的应用程序架构............................................ 变革架构的途径.................................................. 变革应用程序设计................................................ 目标仍然相同...................................................... 一致而稳定的抽象层................................................ 标准有助于解决复杂问题.......................................... 松散耦合、无状态、原地失败 (Fail-in-Place) 计算. ........................ 水平扩展.......................................................... 并行化............................................................ 分割并征服...................................................... 数据物理.......................................................... 数据与处理之间的关系............................................ 编程策略........................................................ 合规与数据物理.................................................. 安全性与数据物理................................................ 网络安全做法...................................................... 13 13 13 14 16 16 18 18 19 20 21 21 21 22 22 23
Sun 公司与云计算. .................................................. 24 来自 Sun 社区的创新................................................ 社区与开放式标准.................................................. 选择的重要性...................................................... 选择云计算提供商.................................................. 感谢.............................................................. 24 25 25 25 26
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术网络通讯及安全本栏目责任编辑：冯蕾第7卷第1期(2011年1月)云计算体系架构 施游，张智勇 （湖南师范大学，湖南长沙410081） 摘要：该文整理了业界对云计算的定义，分析了目前主流的云计算技术以及体系架构和关键技术。并给出了当前云计算参与企业所采用的云计算实现方案。文章最后给出了云计算的特点进行总结，并进行展望。 关键词：云计算；体系结构 中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)01-0083-02 Cloud Calculative Architecture SHI You,ZHANG Zhi-yong (Hunan Normal University ,Changsha ,410081) Abstract:We review the definition of computing clouds in the industry,analyzes the current main computing clouds technology and sys -tem structure and key technology.And presents the current computing clouds to participate in the enterprise adopted the cloud calculative scheme.Finally,it presents a cloud calculative characteristics was summarized,and was discussed. Key words:Cloud calculative;architecture 1云计算概述 云计算从概念的提出到现在为止也近3年了，目前仍然云计算没有一个准确的、统一的定义。Markus Klems 认为云计算机是包含了研发、负载均衡、合理架构的一种软件开发的新商业模式。简而言之云计算就是一个以因特网为核心的软件。Reuven Cohen 认为云计算就是基于Web 的一种服务模式，即用户仅仅购买自己需要的功能，而不需要额外的硬件、软件、体系的投资。云计算是一个直接获得需求的方法。Jeff Kaplan 认为云计算即将炙手可热，虚拟化方式下的新应用，将成为新的服务模式。 云计算主要特点是针对基础设施进行整合，即把原来的PC 机、服务器进行整合，把应用的基础操作系统平台进行整合，从而形成一个大的服务器和服务器应用平台。这个和HPC 不完全相同，传统的HPC 只能整合相同的硬件，同时只关注科学计算。 云计算应该拥有以下特征： 1）能整合不同的PC 、服务器、存储、网络等硬件设备； 2）能实现各硬件间的负载均衡，充分利用计算、存储资源； 3）支持快速的应用开发。 2主流的云计算技术及关键技术 目前，国内、外大公司都推出了自身的云计算技术。 2.1IBM 云 IBM 认为云计算属于新的业务模式和新用户体验。通过云计算提供新的交付方式，可以实现业务系统的快速部署。 他们把云分为三种： 1）共有云：服务提供者只是逻辑和法理上拥有和管理的权利。服务 器和用户可以完全脱离。用户可以按需、灵活的购买服务。 2）私有云：用户仍然需要进行IT 基础设施建设，独立拥有和管理 服务的能力。但是，用户开发和使用应用的效率更高。 3）混合云：即综合了私有云和共有云的共同优点。 IBM 云平台特点是开放、支持多核心支撑。能涵盖众多服务领域， 能充分兼容各种软硬件，利用SOA 思想进行整合；更针对需求进行弹 性的扩展和删减。整合包含所有服务器、存储、网络、各类软件、中间件 的IT 资源，从而形成一个虚拟化服务集，成为一个高效、独立的信息系 统基础架构。 IBM 技术框架如图1所示。收稿日期：2010-11-25 基金项目：湖南省教育厅资助科研项目（09C648）；湖南师范大学青年基金资助项目（60909） 作者简介：施游（1978-），男，硕士，工程师，主要研究方向为计算机算法与应用软件；张智勇（1973-），男，硕士，工程师，主要研究方 向为计算机网络，算法分析。 图1IBM 技术框架 E-mail:info@https://www.doczj.com/doc/b24871926.html, https://www.doczj.com/doc/b24871926.html, Tel:+86-551-56909635690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.7,No.1,January 2011,pp.83-84，11583
云计算：体系架构与关键技术 罗军舟金嘉晖宋爱波东方 东南大学计算机科学与工程学院，江苏南京２１１１８９ 摘要：系统地分析和总结云计算的研究现状，划分云计算体系架构为核心服务、服务管理、用户访问接口等３ 个层次。围绕低成本、高可靠、高可用、规模可伸缩等研究目标，深入全面地介绍了云计算的关键技术及最新研 究进展。在云计算基础设施方面，介绍了云计算数据中心设计与管理及资源虚拟化技术；在大规模数据处理方面， 分析了海量数据处理平台及其资源管理与调度技术；在云计算服务保障方面，讨论了服务质量保证和安全与隐私 保护技术。针对新型的云计算应用和云计算存在的局限性，又探讨并展望了今后的研究方向。最后，介绍了东南 大学云计算平台以及云计算研究与应用方面的相关成果。 云计算；虚拟化；数据中心；海量数据处理；服务质量；安全与隐私 ＴＰ３９３Ａ１０００－４３６Ｘ（２０１１）０７－０００３－１９ Ｃｌｏｕｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ： ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＵＯ Ｊｕｎ－ｚｈｏｕＪＩＮ Ｊｉａ－ｈｕｉＳＯＮＧ Ａｉ－ｂｏＤＯＮＧ Ｆａｎｇ ２０１１－０５－２０２０１１－０６－３０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１０７０１６１， ６１０７０１５８，６１００３２５７，６０７７３１０３，９０９１２００２）；国家重点基础研究发展计划（“９７３”计划）基金资助项目（２０１０ＣＢ３２８１０４）；国家科技支撑计划课题基金资助项目（２０１０ＢＡＩ８８Ｂ０３）；教育部博士点基金课题基金资助项目（２００８０２８６００３１）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００８０３０）；国家科技重大专项课题基金资助项目（２００９ＺＸ０３００４－００４－０４）：江苏省“网络与信息安全”重点实验室基金资助项目（ＢＭ２００３２０１）；“计算机网络与信息集成” 教育部重点实验室项目（９３Ｋ－９） 万方数据