今天，計算資源在人們的日常生活中逐漸變得不可或缺，于是如何以更好地方式給公眾提供計算資源受到很多研究人員和 實(shí)踐者的關(guān)注。
隨著(zhù)多核處理器、虛擬化、分布式存儲、寬帶互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化管理等技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一種新型的計算模式——云計算 ，它能夠按需部署計算資源，用戶(hù)只需要為所使用的資源付費。從本質(zhì)上來(lái)講，云計算是指用戶(hù)終端通過(guò)遠程連接，獲取 存儲、計算、數據庫等計算資源。云計算在資源分布上包括“云”和“云終端”。“云”是列互聯(lián)網(wǎng)或大型服務(wù)器集群的 一種比喻，由分布的互聯(lián)網(wǎng)基礎設施(網(wǎng)絡(luò )設備、服務(wù)器、存儲設備、安全設備等)等構成，幾乎所有的數據和應用軟件， 都可存儲在“云”里，“云終端”，例如PC、手機、車(chē)載電子設備等，只需要擁有一個(gè)功能完備的瀏覽器，并安裝一個(gè)簡(jiǎn) 單的操作系統，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接入“云”，就可以輕松地使用云中的計算資源。
本文旨在探討云計算的概念、現狀及其關(guān)鍵技術(shù)，組織如下：第一節討論云計算的產(chǎn)生、定義及其特點(diǎn);第二節研究云計 算的發(fā)展現狀，分析比較幾個(gè)典型的云計算平臺;第三節探討云計算的體系結構和部分關(guān)鍵技術(shù)。
2云計算概念
2.1 云計算的產(chǎn)生背景
21世紀初期，崛起的Web2.0讓網(wǎng)絡(luò )迎來(lái)了新的發(fā)展高峰。網(wǎng)站或者業(yè)務(wù)系統所需要處理的業(yè)務(wù)量快速增長(cháng)，例如視頻在線(xiàn) 或者照片共享，這樣的網(wǎng)站需要為用戶(hù)儲存和處理大量的數據。這類(lèi)系統所面臨的重要問(wèn)題是如何在用戶(hù)數量快速增長(cháng)的 情況下快速擴展原有系統，隨著(zhù)移動(dòng)終端的智能化、移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò )的普及，將有越來(lái)越多的移動(dòng)設備進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，意味著(zhù) 與移動(dòng)終端相關(guān)的IT系統會(huì )承受更多的負載，而列于提供數據服務(wù)的企業(yè)來(lái)講，IT系統需要處理更多的業(yè)務(wù)量。由于資源 的有限性，電力成本、空間成本、各種設施的維護成本快速上升，直接導致數據中心的成本上升，這就面臨著(zhù)怎樣有效地 利用這些資源，以及如何利用更少的資源解決更多的問(wèn)題。
同時(shí)，隨著(zhù)高速網(wǎng)絡(luò )連接的衍生，芯片和磁盤(pán)驅動(dòng)器產(chǎn)品在功能增強的同時(shí)，價(jià)格也在變得甘益低廉，擁有成百上千臺計 算機的數掂中心也具備了快速為大量用戶(hù)處理復雜問(wèn)題的能力。技術(shù)上，分布式計算的日益成熟和應用，特別是網(wǎng)格計算 的發(fā)展通過(guò)Internet把分散在各處的硬件、軟件、信息資源連接成為一個(gè)巨大的整體，從而使得人們能夠利用地理上分散 于各處的資源，完成大規模的、復雜的計算和數據處理的任務(wù)oJ。數據存儲的快速增長(cháng)產(chǎn)生了以GFS(Google File System) 、SAN(Storage Area Network)為代表的高性能存儲技術(shù)。服務(wù)器整合需求的不斷升溫推動(dòng)了Xen等虛擬化技術(shù)的進(jìn)步還有 Web2 0的實(shí)現，SaaS(Software as a Service)觀(guān)念方興未艾，多核技術(shù)的普及等，所有這些技術(shù)為產(chǎn)生更強大的計算能力和服務(wù)提供了可能。
計算能力和資源利用效率的迫切需求，資源的集中化和技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)云計算應運而生。
2 2云計算的定義
為了更好地理解云計算，先讓我們舉個(gè)生活中的例子、這就好比是從古老的單臺發(fā)電機模式轉向了電廠(chǎng)集中供電的模式。 它意味著(zhù)計算能力也可以作為一種商品進(jìn)行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便，費用低廉，最大的不同在于，它是通 過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸的。讓用戶(hù)通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)租用計算資源，而不冉需要自己進(jìn)行大量的軟硬件投資。
許多計算技術(shù)研究人員和實(shí)踐者已經(jīng)嘗試著(zhù)以各種各樣的方式定義云計算。
基于云計算的發(fā)展和我們對云計算的理解，我們給出如下定義：
云計算是一種新興的共享基礎架構的方法。它統一管理大量的物理資源，并將這些資源虛擬化，形成一個(gè)巨大的虛擬化資 源池。云是一類(lèi)并行和分布式的系統，這些系統由一系列互聯(lián)的虛擬計算機組成。這些虛擬計算機是基于服務(wù)級別協(xié)議(供 應者和消費者之問(wèn)協(xié)商確定)被動(dòng)態(tài)部署的，并且作為一個(gè)或多個(gè)統一的計算資源而存在。
云計算可以按照用戶(hù)對資源和計算能力的需求動(dòng)態(tài)部署虛擬資源，而不受物理資源的限制。用戶(hù)所有基于云的計算和應用 工作在虛擬化的資源上，不需要關(guān)心這些資源部署在哪些物理資源上，用戶(hù)可以方便地變更對計算資源的需求。
2.3云計算的特點(diǎn)
從現有的云計算半臺來(lái)看，它與傳統的單機和網(wǎng)絡(luò )應用模式相比，具有如下特點(diǎn)：
1)虛擬化技術(shù)：這是云計算最強調的特點(diǎn)，包括資源虛擬化和應用虛擬化。每一個(gè)應用部署的環(huán)境和物理平臺是沒(méi)有關(guān)系 的。通過(guò)虛擬半臺進(jìn)行管理達到對應用進(jìn)行擴展、遷移、備份，操作均通過(guò)虛擬化層次完成。
2)動(dòng)態(tài)可擴展：通過(guò)動(dòng)態(tài)擴展虛擬化的層次達到對應用進(jìn)行擴展的目的。：可以實(shí)時(shí)將服務(wù)器加入到現有的服務(wù)器機群中 ，增加“云”的計算能力。
3)按需部署：用戶(hù)運行不同的應用需要不同的資源和計算能力。云計算平臺可以按照用戶(hù)的需求部署資源和計算能力。
4)高靈活性：現在大部分的軟件和硬件都對虛擬化有一定支持，各種IT資源，例如，軟件、
硬件、操作系統、存儲網(wǎng)絡(luò )等所有要素通過(guò)虛擬化，放在云計算虛擬資源池中進(jìn)行統一管理。同時(shí)，能夠兼容不同硬件廠(chǎng) 商的產(chǎn)品，兼容低配置機器和外設而獲得高性能計算。
5)高可靠性：虛擬化技術(shù)使得用戶(hù)的應用和計算分布在不同的物理服務(wù)器上面，即使單點(diǎn)服務(wù)器崩潰，仍然可以通過(guò)動(dòng)態(tài) 擴展功能部署新的服務(wù)器作為資源和計算能力添加進(jìn)來(lái)，保證應用和計算的正常運轉。
3.1 發(fā)展中的云計算服務(wù)
目前，已經(jīng)涌現的云計算服務(wù)形態(tài)包括從技術(shù)、半臺供應商到軟件服務(wù)提供商，從成熟的應用
根據不同服務(wù)的特性可以將云計算分為以下幾種類(lèi)型：
3 1 1云計算基礎架構
這類(lèi)云計算提供底層的技術(shù)平臺以及核心的云服務(wù)，是最為全面的云計算服務(wù)。Amazon、Google等推出的云計算服務(wù)可以 歸于這類(lèi)。這種云計算服務(wù)形態(tài)將支撐起整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的虛擬中心，使其能夠將內存、I/O設備、存儲和計算能力集中起來(lái)成為一個(gè)虛擬的資源池為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供服務(wù)。
3 1 2云計算半臺服務(wù)
這種形式的云計算也被稱(chēng)為半臺即服務(wù)PaaS(Platfbrm as a Service)，它將開(kāi)發(fā)環(huán)境作為服務(wù)來(lái)提供。：這種形式的云計 算可以使用供應商的基礎架構來(lái)開(kāi)發(fā)自己的程序，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )從供應商的服務(wù)器上傳遞給用戶(hù)。典型的實(shí)例比如 Salesforce com的Force tom開(kāi)發(fā)半臺。
3 1 3云計算軟件服務(wù)
這種類(lèi)型的云計算稱(chēng)之為軟件即服務(wù)SaaS，它通過(guò)瀏覽器把程序傳給用戶(hù)。.從用戶(hù)的角度，這樣會(huì )省去在服務(wù)器和軟件 授干義上的開(kāi)支;從供應商的角度看，這樣只需要維持一個(gè)程序就夠了，減少了維護成本。Salesforce com是迄今為止這 類(lèi)服務(wù)最為有名的公司。SaaS在CRM、ERP中比較常用，Google Apps和Zoho Office也提供類(lèi)似的服務(wù)。
3. 1.4云計算API
這類(lèi)服務(wù)供應商提供API(Application Programming Interface)讓開(kāi)發(fā)者能夠開(kāi)發(fā)更多基于互聯(lián)網(wǎng)的應用，幫助開(kāi)發(fā)商拓 展功能和服務(wù)，而不是只提供成熟的應用軟件他們的服務(wù)范圍從提供分散的商業(yè)服務(wù)到Google Maps等的全套API服務(wù)。這 與軟件即服務(wù)有著(zhù)密切的關(guān)系。
3. 1. 5云計算互動(dòng)半臺
該類(lèi)云計算為用戶(hù)和提供商之問(wèn)的互動(dòng)提供了一個(gè)半臺。例如，RightScale利用Amazon EC2網(wǎng)絡(luò )計算服務(wù)和s3網(wǎng)絡(luò )存儲服 務(wù)的API提供一個(gè)操作面板和AWS(Amazon’s Web Services)前端托管服務(wù)。
3.2幾個(gè)典型的云計算平臺
Morgan Stanley的研究表明云計算已經(jīng)成為突出的技術(shù)趨勢之一。隨著(zhù)計算技術(shù)行業(yè)不斷出現的為個(gè)人和企業(yè)提供隨時(shí)隨 地按需方問(wèn)的PaaS和SaaS，可利用的云計算平臺將不斷增加，很多研究單位和工業(yè)組織已經(jīng)開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)云計算的相關(guān)技 術(shù)和基礎架構。本節我們將比較幾個(gè)典型的云計算半臺，如表l，并列部分云計算半臺進(jìn)行探討。
亞馬遜(Amazon tom)的云計算稱(chēng)之為亞馬遜網(wǎng)絡(luò )服務(wù)(AWS)，它主要由四塊核心服務(wù)組成：Simple Storage Service(簡(jiǎn)單 存儲服務(wù))、ElasticCompute Cloud(彈性計算云EC2)、Simple QueuingServices(簡(jiǎn)單排列服務(wù))以及SimpleDB(簡(jiǎn)單數據庫。換句話(huà)說(shuō)，目前亞馬遜所提供的是可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的存儲，計算機處理，信息排隊和數據庫管理系統接入式服務(wù) 。無(wú)論是個(gè)人還是大型企業(yè)，只要是使用AWS的研發(fā)人員都可以在亞馬遜的基礎架構上進(jìn)行應用軟件的研發(fā)和交付，而無(wú)需實(shí)現配置軟件和服務(wù)器。
Google比一般網(wǎng)站更甲遭遇分布才能存儲的數據。凼此Google開(kāi)發(fā)了特有的GFS(分布式文件系統)、MapReduce(分布式計算 模型)和BigTable(分布式存儲系統)，這正是Google“云”的基礎架構。Google“云”是幾萬(wàn)甚至大約100萬(wàn)臺廉價(jià)的服務(wù)器所組成的網(wǎng)絡(luò )。Google的Google AppEngine允許用戶(hù)運行使用Pythontn言編寫(xiě)的席用程序。同時(shí)，GoogleAppEngine 支持多種API，并為用戶(hù)提供基于Web的管理控制臺，方便用戶(hù)管理他們的Web應用程序。
IBM的“藍云(Blue Cloud)”基于A(yíng)lmaden研究中心的云基礎架構，包括虛擬化Linux服務(wù)器、并行一作負載安排(Hadoop)和 Tivoli管理軟件。“藍云”由IBM Tivoli軟件支持，通過(guò)管理服務(wù)器來(lái)確?；谛枨蟮淖罴研阅?。這包括能夠跨越多服務(wù) 器實(shí)時(shí)分配資源的軟件，為客戶(hù)帶來(lái)一種無(wú)縫體驗，加速性能并確保在最苛刻環(huán)境下的穩定性。
此外，Sun公司推出“黑盒子”計劃，還有Salesforce、Oracle、EMC等公司加入進(jìn)來(lái)。但是每種半臺都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性 。目前，云計算還沒(méi)有一個(gè)統一的標準，雖然一些半臺已經(jīng)為很多用戶(hù)所使用，但是云計算在私有權、數據安全、IT業(yè)標準、廠(chǎng)商鎖定和高性能應用軟件方面也面臨著(zhù)各種問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決需要技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
4云計算關(guān)鍵技術(shù)
按需部署是云計算的核心。要解決好按需部署，必須解決好資源的動(dòng)態(tài)可重構、監控和自動(dòng)化部署等、而這些又需要以虛 擬化技術(shù)、高性能存儲技術(shù)、處理器技術(shù)、高速互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎。所以云計算除了需要仔細研究其體系結構外，還要特 別注意研究資源的動(dòng)態(tài)可重構、自動(dòng)化部署、資源監控、虛擬化技術(shù)、高性能存儲技術(shù)、處理器技術(shù)等、本節將探討云計 算的體系結構和部分關(guān)鍵技術(shù)。
4.1體系結構
為了有效支持云計算，半臺的體系結構必須支持幾個(gè)關(guān)鍵特征。首先，這些系統必須是自治的，也就是說(shuō)，它們需要內嵌 有自動(dòng)化技術(shù)，減輕或消除人工部署和管理任務(wù)，而允許平臺自己智能地響應應用的要求其次，云計算架構必須是敏捷的，能夠對需求信號或變化的一作負載做出迅疾的反應。換句話(huà)說(shuō)，內嵌的虛擬化技術(shù)和集群化技術(shù)，能應付增長(cháng)或服務(wù)級 要求的快速變化。
云計算平臺的體系結構如圖1，是一個(gè)云服務(wù)器的互連網(wǎng)絡(luò )圖：
·服務(wù)目錄：用戶(hù)可選擇的服務(wù)列表。
·部署工具：自治的，根據用戶(hù)請求智能地部署資源和應用，動(dòng)態(tài)地部署、配置和回收資源。
·監控：監控云系統資源的使用情況，以便做出迅疾的反應。
·服務(wù)器集群：虛擬的或者物理的服務(wù)器，由管理系統管理。
4.2自動(dòng)化部署
自動(dòng)化部署，是指通過(guò)自動(dòng)安裝和部署，將計算資源從原始狀態(tài)變?yōu)榭捎脿顟B(tài)。在云計算中體現為將虛擬資源池中的資源 進(jìn)行劃分、安裝和部署成可以為用戶(hù)提供各種服務(wù)和應用的過(guò)程。這里的資源包括硬件資源(服務(wù)器)、軟件資源(用戶(hù)需要的軟件和配置)，還有網(wǎng)絡(luò )資源和存儲資源。
系統資源的部署需要多個(gè)步驟，自動(dòng)化部署通過(guò)凋用腳本，實(shí)現不同廠(chǎng)商設備管理工具的自動(dòng)配置、應用軟件的部署和配 置，確保這些調用過(guò)程可以以靜默的方式實(shí)現，免除了大量的人機交互，使得部署過(guò)程不再依賴(lài)于現場(chǎng)人工操作。整個(gè)部 署過(guò)程基于工作流來(lái)實(shí)現，如圖2所示：
其中，工作流引擎和數據模型是我們在自動(dòng)化部署管理工具中涉及的功能模塊，通過(guò)將具體的軟硬件甚至邏輯概念定義在 數據模型中，管理工具可以標識并在工作流中調度這些資源，實(shí)現分類(lèi)管理。工作流引擎是調用和觸發(fā)工作流，實(shí)現部署 自動(dòng)化的核心機制，自動(dòng)將不同種類(lèi)的腳本流程整合在一個(gè)集中、可重復使用的工作流數據庫中。這些工作流可以自動(dòng)完 成原來(lái)需要手工完成的服務(wù)器、操作系統、中問(wèn)件、應用程序、存儲器和網(wǎng)絡(luò )設備的供廊和配置任務(wù)。
4 3資源監控
“云”通常具有大量服務(wù)器，并且資源是動(dòng)態(tài)變化的，需要文時(shí)、準確、動(dòng)態(tài)的資源信息。資源監控可以為“云”對資源 的動(dòng)態(tài)部署提供依據，并有效地監控資源的使用情況和負載情況。
資源監控是實(shí)現“云”資源管理的一個(gè)重要環(huán)節。它可提供對系統資源的實(shí)時(shí)監控，并為其它子系統提供系統性能信息， 以便更好地完成系統資源的分配。
云計算通過(guò)一個(gè)監視服務(wù)器監控和管理計算資源池中的所有資源通過(guò)在云中的各個(gè)服務(wù)器上部署Agent代理程序，配置并監 視各資源服務(wù)器，并定期將資源使用信息數據傳送至數掂倉庫。監視服務(wù)器列數據倉庫中的“云”資源使用數據進(jìn)行分析 ，跟蹤資源的可用性和性能，并為問(wèn)題故障的排除和資源的均衡提供信息。
5結束語(yǔ)
目前，云計算還處于起步階段，毫無(wú)疑問(wèn)云計算前景光明。它可能徹底改變用戶(hù)對計算資源的使用方式，使得用戶(hù)從以桌 面為核心轉向以Web為核心。在本文中，我們已經(jīng)討論了云計算的現有服務(wù)，對比分析了現有的云計算平臺、隨著(zhù)云計算的發(fā)展，將會(huì )有更多的平臺和服務(wù)類(lèi)型不斷涌現。
云計算不僅僅是一個(gè)計算問(wèn)題，它需要融合許多技術(shù)和成果。本文探討了云計算的部分關(guān)鍵技術(shù)，還有更多的技術(shù)需要繼 續研究。在Google與IBM的支持下，美國的多所大學(xué)參與到云計算的研究及教學(xué)中，包括卡內基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院、 斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、馬克蘭大學(xué)和華盛頓大學(xué)等。國內也有學(xué)校加入到這個(gè)研究計劃中。
我們相信，隨著(zhù)越來(lái)越多的參與者加入到云計算的研究與發(fā)展中，云計算會(huì )出現一些新的結構模式、開(kāi)發(fā)平臺和應用軟件 ，推動(dòng)云計算及其應用日益走向成熟。
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