劉瑋+陳苗

摘要：云計算能夠提供給用戶可靠的，安全的，自定義的，分布式計算與存儲服務，是未來最大化的利用計算機資源的重要途徑。闡述了云計算的基本概念，剖析了云計算的體系結(jié)構(gòu)相關服務模型。綜述了實現(xiàn)云計算的主要關鍵技術(shù)，包括虛擬化技術(shù)，分布式數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)以及云計算安全技術(shù)。最后指出了云計算在實際應用的前景和挑戰(zhàn)，為云計算的下一步研究提供參考。

關鍵詞：云計算；體系結(jié)構(gòu)；虛擬化；分布式；安全

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）10-0005-03

近年來，隨著數(shù)據(jù)的快速增長以及用戶對計算和存儲能力的要求越來越高，計算模式由最初的把任務集中交付給大型處理機模式，到后來基于網(wǎng)絡的分布式處理模式，再到近年來的按需處理的云計算（cloud computing）模式（圖1）。從技術(shù)上來講，云計算是一種融合了分布式計算、虛擬化技術(shù)、WEB服務和網(wǎng)格計算的新技術(shù)。它可以最大限度的降低用戶端的軟硬件采用費用，為用戶提供及時的、安全的、可靠的服務，用戶使用這些資源能夠像使用水、電、天然氣一樣簡單，可靠，因此云計算服務是當前信息技術(shù)領域最熱門的話題之一，也是未來計算服務的重要趨勢[1]。目前，國外各個IT巨頭如IBM，Google，Sun，Microsoft，Amazon都推出了自己研發(fā)的云計算平臺，國內(nèi)云計算廠商BAT也在積極部署自己的云計算存儲和處理平臺。學術(shù)界也從不同方面探索云技術(shù)的相關理論和應用，這些研究和探索都從不同方面推動著云計算向縱深發(fā)展。例如文獻[2]從云計算的體系架構(gòu)上定義云計算的服務模式并劃分服務類型。文獻[3]則從云計算的安全出發(fā)，重點分析云計算安全風險理論研究現(xiàn)狀，給出降低云計算安全風險的對策。但是這些更多的是停留在應用服務層討論，缺少對云計算的主要關鍵的整體比較。本文首先綜述了云計算的定義，然后給出了云計算的服務結(jié)構(gòu)和體系模式，并且根據(jù)服務模式對服務進行劃分。接著針對云計算的關鍵技術(shù)：虛擬化技術(shù)，分布式存儲技術(shù)和安全可靠性問題進行深入研究。最后展望了云計算服務的應用和挑戰(zhàn)，為相關研究提供參考。

1 云計算的定義和特點

對于云計算的定義，不同的文獻給出了不同的表述，大致有以下幾種代表性的定義。

定義1：云計算（cloud computing）是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。

定義2：云計算（cloud computing），由位于網(wǎng)絡上的一組服務器把其計算、存儲、數(shù)據(jù)等資源以服務的形式提供給請求者以完成信息處理任務的方法和過程。在此過程中被服務者僅需提供需求并獲取所需服務結(jié)果，對于需求被服務的過程并不知情。同時服務者以最優(yōu)利用的方式動態(tài)地把資源分配給眾多的服務請求者，以求達到最大效益。

定義3：云計算是一種并行的、分布式的系統(tǒng)，由虛擬化的計算資源構(gòu)成。這些資源可以根據(jù)負載動態(tài)的重新配置，已達到最優(yōu)化使用的目的。服務提供上能根據(jù)和用戶事先商定好的服務等級協(xié)議，給用戶提供有償付費服務。

根據(jù)云計算的定義可以看出，云計算具有虛擬化、異構(gòu)化、可擴展化、容錯化、可自治及可度量化等特點。這些特點都為研究云計算服務平臺提供了不同的方向。文獻[3]從云計算的服務資源，可擴展性，寬帶網(wǎng)絡調(diào)用，可度量性和可靠性對云計算的特點做了概括說明。同時對比了云計算，網(wǎng)格計算和web服務三者的不同。這種概括基于應用層來分析，主要從服務的提供和使用方面來研究云計算服務。它沒有說明如何度量云計算服務的質(zhì)量，如何劃分云計算的服務粒度以及適合應用云計算的軟件的屬性等。文獻[4]簡述了云計算的定義，并介紹了實現(xiàn)云計算各項技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并且對目前幾個具有代表性的云計算系統(tǒng)進行了研究。文獻缺少對云計算的服務質(zhì)量，服務安全等重要關鍵技術(shù)的探討。文獻[5]以谷歌的云計算為例，總結(jié)了云計算的關鍵技術(shù)：數(shù)據(jù)存儲技術(shù)（Google File System），數(shù)據(jù)管理技術(shù)（Bitable），編程模型和任務調(diào)度模型等，分析了云計算和傳統(tǒng)網(wǎng)格計算及超級計算的區(qū)別。針對特定平臺的云計算服務研究很難適用所有云計算的平臺。為了能夠更全面深入的理解云計算的特征和云服務的分類，必須首先對云計算進行解構(gòu)，抽象出云計算的體系結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)云計算的體系結(jié)構(gòu)劃分云計算所提供的服務和相關層次的關鍵技術(shù)。

2 云計算的體系結(jié)構(gòu)及服務模式

通過研究現(xiàn)有的各種云計算系統(tǒng)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)，云計算可以按照服務層次和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層（圖2）：

1） 基礎設施層（Iaas）。這層包括了所有的計算資源和存儲資源，是云計算向用戶提供服務的硬件實體。它可以給用戶提供虛擬化的計算資源和存儲資源。在這一層上提供服務的主要有亞馬遜的彈性云（Amazon，EC2）[6]和Apache的開源項目Hadoop[7]

2） 平臺服務層（Paas）。平臺服務層是整個云計算系統(tǒng)的核心層，主要包括軟件程序開發(fā)環(huán)境，海量數(shù)據(jù)的存儲管理和分布式文件系統(tǒng)以及其他實現(xiàn)云計算的管理系統(tǒng)。在這一層上提供服務的主要有Google App Engine[8]和Microsoft Azure[9]

3） 應用服務層（Saas）。這是一種軟體交付模式，用戶通過瀏覽器就可以訪問響應的應用程序，不必要了解其背后支持運作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件設施或者網(wǎng)絡拓撲。服務提供商通過網(wǎng)絡提供給用戶應用軟件服務來收費。

根據(jù)云計算體系結(jié)構(gòu)進行服務模式劃分是目前業(yè)界的主要方式。除此之外，也有的文獻將云計算按照提供服務的對象和服務的范圍進行劃分，按照這種思想可以將云服務可以劃分為專為某部門或行業(yè)服務的私有云，為社區(qū)提供社區(qū)云，為所有用戶提供的公共云和同時為特別用戶和公共用戶提供的混合云。

云計算通過瀏覽器提供給用戶按需分配的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲能力，而用戶不必要關心系統(tǒng)內(nèi)部如何實現(xiàn)。系統(tǒng)的實現(xiàn)過程對用戶是透明的，提供給用戶的操作是簡單可靠的。這些服務都是基于云計算的三大關鍵技術(shù)：虛擬化技術(shù)，分布式計算與存儲技術(shù)，可擴展和可管可控的安全性技術(shù)。

3 云計算的關鍵技術(shù)

3.1 云計算中的虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計算中的重要技術(shù)，通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了資源的邏輯抽象和統(tǒng)一標示，可以對規(guī)?；挠脩粜枨筮M行精心配置。虛擬主機的動態(tài)配置是解決這個問題的關鍵。文獻[10]提出了通過優(yōu)化虛擬機的調(diào)度策略和數(shù)據(jù)的遷移算，實現(xiàn)共享存儲和廣域網(wǎng)環(huán)境下的全系統(tǒng)實時遷移，目前這種方法能否真正實現(xiàn)自動觸發(fā)遷移和負載均衡，還需要進一步的實踐驗證。文獻[11]利用XenServer技術(shù)設計云桌面平臺，這種平臺將服務器虛擬化，組成龐大的服務器集群，提供海量的計算能力和靈活的資源調(diào)配機制，可以通過增加虛擬服務器來擴展系統(tǒng)性能，實際上也是一種動態(tài)主機的虛擬配置。這種設計通過將虛擬機桌面推送給使用客戶，提供給用戶安全穩(wěn)定的程序推算服務。文獻[12]也研究了利用虛擬機動態(tài)遷移的方法來解決負載均衡的問題，并且分析了傳統(tǒng)的資源分配的服務算法，研究建立基于開源云平臺OpenStack環(huán)境下的相關算法的遷移模型，設計了用戶衡量虛擬機動態(tài)遷移評價標準。這種遷移標準僅僅能夠衡量遷移的時間代價和寬帶，不能量化遷移的質(zhì)量和安全。

虛擬機的動態(tài)遷移是解決虛擬動態(tài)配置的核心，實現(xiàn)虛擬機動態(tài)遷移包括了內(nèi)存遷移，設備遷移和存儲遷移。目前云計算虛擬機動態(tài)遷移最經(jīng)典的實現(xiàn)機制是Xen虛擬機動態(tài)實現(xiàn)架構(gòu)（圖3），大多數(shù)文獻都是基于Xen 虛擬架構(gòu)提出研究動態(tài)遷移技術(shù)或者通過改進Xen虛擬架構(gòu)并提出虛擬機動態(tài)遷移優(yōu)化的框架。由于動態(tài)遷移技術(shù)不僅要考慮服務時間和負載均衡，也要考慮遷移質(zhì)量和安全可靠。因此關于遷移的策略逐步成為問題的核心，很多文獻針對這個問題提出了不同的解決方法，但是這些動態(tài)遷移策略還需要進一步通過實踐的檢驗。

3.2 云計算環(huán)境下的分布式存儲技術(shù)

云計算提供給眾多用戶可靠的，按需的服務，就需要對分布的，海量的數(shù)據(jù)進行處理和存儲，因此高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)是實現(xiàn)云計算的另一個關鍵技術(shù)。目前云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的GFS， BigTable，MapReduces數(shù)據(jù)和亞馬遜的Dynamo。文獻[13]針對云數(shù)據(jù)庫管理的概念，分析了GFS， Big Table ，Dynamo等當前互聯(lián)網(wǎng)主流云數(shù)據(jù)管理的基本原理，并針對未來云數(shù)據(jù)管理架構(gòu)進行分析。由于云計算要處理的數(shù)據(jù)具有海量，異構(gòu)和非確定的特點，因此如何確定數(shù)據(jù)的變化和預載信息，能夠最大程度的利用已有的存儲資源實現(xiàn)存儲優(yōu)化，還是目前要進一步討論的話題。文獻[14]在研究Apache下的開源分布式計算平臺Hadoop的基礎上，通過構(gòu)建基于HDFS的云存儲服務系統(tǒng)來解決海量數(shù)據(jù)的存儲問題。文獻[15]在基于分布式文件系統(tǒng)HDFS的基礎上，通過信息分散存儲的改進文件塊存放策略提高存儲的負載均衡能力，并且通過增加口令認證技術(shù)結(jié)合HDFS認證相結(jié)合來提高HDFS的安全性。云計算中數(shù)據(jù)主要是分布式存儲在各個數(shù)據(jù)中心節(jié)點上，這些數(shù)據(jù)中心是云計算的核心基礎設施，由百萬級以及以上的節(jié)點組成，尤其是一些核心節(jié)點，其上存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模往往達到了PB以及EB級，因此數(shù)據(jù)失效成為了一種常態(tài)，極大的影響云計算的應用，增加了云計算的成本。文獻[16]從提高可擴展性和容錯性，降低成本的角度研究了云計算分布式環(huán)境下的若干關鍵技術(shù)，首先對比介紹了當前典型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，其次介紹對比了當前兩種分布式存儲容錯技術(shù)，即基于復制的容錯技術(shù)和基于糾刪碼的容錯技術(shù)，然后介紹了當前的分布式存儲節(jié)能技術(shù)，對比了各項技術(shù)的優(yōu)缺點。

3.3 云計算的安全問題

云計算使得信息技術(shù)向著集約化，規(guī)?；透咝Щ姆较虬l(fā)展，但它在提高使用效率的同時也面臨著用戶信息的安全和隱私保護的巨大挑戰(zhàn)。安全成了云計算領域需要重要解決的問題，也是衡量云計算性能的一個重要指標。文獻[17]根據(jù)云計算面臨的挑戰(zhàn)，提出了構(gòu)建包括云計算安全服務體系，云計算安全標準及其評測體系的云計算安全框架，并且集中概括了云計算安全的幾個關鍵技術(shù)，如可信訪問控制，密文檢索與處理，數(shù)據(jù)隱私保護，虛擬安全技術(shù)，云資源訪問控制及可信云計算等方面。云計算安全不僅僅是技術(shù)問題，它也涉及監(jiān)管模式和法律法規(guī)等方面，因此在這方面還需要進一步的研究，制定相關的標準。文獻[18]根據(jù)云計算的服務特點，面臨的安全性挑戰(zhàn)，給出了云計算安全服務框架，在此基礎上給出了可管、可控、可度量的云計算安全架構(gòu)（圖4）。這種架構(gòu)將云計算的安全劃分成不同的層次，然后根據(jù)安全目標的不同實現(xiàn)方式，研究相應的安全機制，分析比較各種機制及相互的關系，提出一種基于多隊列多服務器云安全模型的分析思路。這種安全服務架構(gòu)既給出了安全設計的要求，也給出現(xiàn)有機制的適用范圍。云計算的任務和環(huán)境是不斷變化的，如何使現(xiàn)有的安全機制能夠適應不斷變化的環(huán)境，并且精確描述安全規(guī)模的增長還需要深入研究。

4 云計算的應用和挑戰(zhàn)

云計算能夠?qū)⒂嬎阗Y源和存儲資源都集中在云端，客戶端變得精簡，用戶的操作變得簡單。這種資源集中，按需分配的方式可以大大降低資源的浪費，是建立資源節(jié)約型社會的主要方式之一。相關的服務商能夠更敏捷的部署應用，調(diào)整業(yè)務，從而具有極大的可伸縮性。云計算能否快速響應用戶的需求，并且提供高質(zhì)的服務是云計算推廣的一個方面，同時個人用戶信息都存儲在云端，保證用戶的個人信息安全是云計算面臨的另一個重要挑戰(zhàn)。因此在這兩個方面將是進一步研究的重點。

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