计算机云计算及其实现技术研究

　　随着多核处理器、虚拟化、分布式存储、宽带互联网和自动化管理等技术的发展，产生了一种新型的计算模式——云计算，它能够按需部署计算资源，而用户只需要为所使用的资源付费。从本质上讲，云计算是指用户终端通过远程连接，获取存储、计算、数据库等计算资源。云计算在资源分布上包括“云”和“云终端”。“云”是列互联网或大型服务器集群的一种比喻，由分布的互联网基础设施，如网络设备、服务器、存储设备、安全设备等构成，几乎所有的数据和应用软件。都可存储在“云”里。而“云终端”，例如PC、手机、车载电子设备等，只需要拥有一个功能完备的浏览器，并安装一个简单的操作系统，通过网络接入“云”，就可以轻松使用云中的计算资源。

 

　　1 基本概念和特点

 

　　1.1 云计算的产生背景

 

　　21世纪初期，崛起的Web2.0让网络迎来了新的发展高峰。网站或者业务系统所需要处理的业务量快速增长，例如视频在线或者照片共享网站需要为用户储存和处理大量的数据。这类系统所面临的重要问题是，如何在用户数量快速增长的情况下快速扩展原有系统，随着移动终端的智能化、移动宽带网络的普及，将有越来越多的移动设备进入互联网，这意味着与移动终端相关的IT系统会承受更多的负载，而列于提供数据服务的企业来讲，IT系统需要处理更多的业务量。由于资源的有限性，其电力成本、空间成本、各种设施的维护成本快速上升，直接导致数据中心的成本上升，这就面临着如何有效地、更少地利用资源解决更多的问题。同时，随着高速网络连接的衍生，芯片和磁盘驱动器产品在功能增强的同时，价格也在变得更加低廉，拥有大量计算机的数据中心，也具备了快速为大量用户处理复杂问题的能力。技术上，分布式计算的日益成熟和应用，特别是网格计算的发展通过Internet把分散在各处的硬件、软件、信息资源连接成为一个巨大的整体，使得人们能够利用地理上分散于各处的资源，完成大规模的、复杂的计算和数据处理的任务。数据存储的快速增长产生了以GFS(Google File System)，SAN(Storage AreaNemork)为代表的高性能存储技术。服务器整合需求的不断升温，推动了xen等虚拟化技术的进步，还有Web2.0的实现、Saas(Sofhare as a Senrice)观念的快速普及、多核技术的广泛应用等，所有这些技术为产生更强大的计算能力和服务提供了可能H1。随着对计算能力、资源利用效率、资源集中化的迫切需求，云计算应运而生。

 

　　1.2云计算的特点

 

　　从现有的云计算平台来看，它与传统的单机和网络应用模式相比，其特点如表1所示。

 

　　表1 云计算特点和具体过程

 

　　

 

云计算特点和具体过程

 

 

　　2 云计算实现形式

 

　　(1)SaaS(软件即服务)。这种类型的云计算通过浏览器把程序传给成千上万的用户。在用户眼中看来，这样会省去在服务器和软件授权上的开支;从供应商角度而言，只需要维持一个程序即可，这样能够减少成本。Salesforce是迄今为止这类服务最为著名的公司，saas在人力资源管理程序和ERP中比较常用，Google Apps和zoho O伍ce也是类似的服务;

 

　　(2)实用计算(Utility computing)。这个方法早先就有人提出，但是直到最近才在Amazon，Sun，IBM和其它提供存储服务和虚拟服务器的公司中新生。这种云计算是为IT行业创造虚拟的数据中心使得其能够把内存、L/O设备、存储和计算能力集中起来，成为一个虚拟的资源池为整个网络提供服务;

 

　　(3)网络服务。同SaaS关系密切，网络服务提供者们提供API，让开发者能够开发更多基于互联网的应用，而不是单机程序;

 

　　(4)平台即服务。即另一种SaaS，这种形式的云计算，是把开发环境作为一种服务来提供。可以使用中间商的设备开发自己的程序，并通过互联网和其服务器传输到用户手中;

 

　　(5)MSP(管理服务提供商)是最古老的云计算运用之一。这种应用更多的是面向IT行业而不是终端用户，常用于邮件病毒扫描、程序监控等;

 

　　(6)商业服务平台。SaaS和MSP的混合应用，该类云计算为用户和提供商之间的互动提供了一个平台。比如用户个人开支管理系统，能够根据用户的设置来管理其开支并协调其订购的各种服务;

 

　　(7)互联网整合。将互联网上提供类似服务的公司整合起来，以便用户能够更方便地比较和选择自己的服务供应商。

 

　　3 云计算关键技术

 

　　按需部署是云计算的核心。要解决按需部署，必须解决资源的动态可重构、监控和自动化部署等，而这些又需要以虚拟化、高性能存储、处理器、高速互联网等技术为基础。所以云计算除了需要仔细研究其体系结构外，还要特别注意研究资源的动态可重构、自动化部署、资源监控、虚拟化、高性能存储、处理器等关键技术。

 

　　3.1 体系结构

 

　　为了有效支持云计算，其体系结构必须支持几个关键特征。首先，系统必须是自治的，即需要内嵌有自动化技术，以减轻或消除人工部署和管理任务，而允许平台智地响应应用的要求;其次，云计算的架构必须是敏捷的，能够对需求信号或变化做出迅还的反应。内嵌的虚拟化技术和集群化技术，能应付增长或服务级要求的快速变化。云计算平台的体系结构，如图1所示，是一个云服务器的互连网络图。

 

　　

 

云计算平台的体系结构

 

 

　　图1 云计算平台的体系结构

 

　　(1)用户界面：“云”用户请求服务的交互界面;

 

　　(2)服务目录：用户可选择的服务列表;

 

　　(3)管理系统：用于管理可用计算资源和服务;

 

　　(4)部署工具：自治的，根据用户请求智能地部署资源和应用，动态地部署、配置和回收资源;

 

　　(5)监控：监控云系统资源的使用情况，以便做出迅疾的反应;

 

　　(6)服务器集群：虚拟或者物理服务器，由管理系统管理。

 

　　3.2 自动化部署

 

　　自动化部署，是指通过自动安装和部署，将计算资源从原始状态变为可用状态。在云计算中体现为将虚拟资源池中的资源进行划分、安装和部署成可以为用户提供各种服务和应用的过程，其中包括硬件(服务器)、软件(用户需要的软件和配置)、网络和存储。系统资源的部署有多个步骤，自动化部署通过调用脚本，实现不同厂商设备管理工具的自动配置、应用软件的部署和配置，确保这些调用过程可以以静默的方式实现，免除了大量的人机交互，使得部署过程不再依赖人工操作。整个部署过程基于工作流来实现，如图2所示。

 

　　

 

自动化部署方案构架

 

 

　　图2 自动化部署方案构架

 

　　其中，工作流引擎和数据模型是在自动化部署管理工具中涉及的功能模块，通过将具体的软硬件甚至逻辑概念定义在数据模型中，管理工具可以标识并在工作流中调度这些资源，实现分类管理。工作流引擎是调用和触发工作流，实现部署自动化的核心机制，自动将不同种类的脚本流程整合在一个集中、可重复使用的工作流数据库中。这些工作流可以自动完成原来需要手工完成的服务器、操作系统、中间件、应用程序、存储器和网络设备的配置任务。

 

　　3.3 资源监控

 

　　“云”通常具有大量服务器，并且资源是动态变化的，需要及时、准确、动态的资源信息。资源监控可以为“云”对资源的动态部署提供依据，并有效监控资源的使用情况和负载情况。资源监控是实现“云”资源管理的一个重要环节，它可提供对系统资源的实时监控，并为其它子系统提供系统性能信息，以便更好地完成系统资源的分配。云计算通过一个监视服务器监控和管理计算资源池中的所有资源，并通过在云中的各个服务器上部署Agent代理程序，配置并监视各资源服务器，定期将资源使用信息数据传送至数据仓库，监视服务器数据仓库中“云”资源的使用情况，对数据进行分析及跟踪资源的可用性，为排除故障和均衡资源提供信息。

 

　　4 结束语

 

　　目前，云计算还处于起步阶段，但它将改变用户对计算资源的使用方式，使得用户从以桌面为核心转向以Web为核心。文中讨论了云计算的现有技术、随着云计算的发展，将会有更多的平台和服务类型出现，并推动云计算及其应用的发展。