云计算理论研究

　　第二章 云计算理论研究

　　2.1 云计算定义

　　云计算发展至今，对于其基本定义仍有不同见解。本文引用美国国家标准与技术研究院的计算机专家与产业机构及政府机构协作开发的云计算定义草案，作为云计计算架构、安全以及联邦政府部署战略的一份特别出版物的基本概念：

　　“云计算是一种资源利用模式，它能提供便捷的、按需的网络访问进入可配置的计算资源共享池（如网络、服务器、存储、应用软件及服务等），这些资源可被快速提供，且秩序投入最少的管理工作，或秩序与服务提供商开发少量的交互。这种云计算模式提升了可获得性，并拥有五种基本特征、三种交付模式和四种部署模式构成。”

　　图 2-1 为云计算及企业 IT 信息架构示意图，从图中我们可以看到，在云计算架构中，底层服务器作为通用基础平台，提供着架构即服务（IaaS）。在上层存储阶段，数据库、文件存储及其他备份机制作为数据库存储支持，为最终用户提供存储即服务（SaaS）。在上一层，为用户及程序应用提供身份认证，数据同步及信息等服务，统称为平台即服务（PaaS）。在应用层分布着企业应用系统,例如企业资源管理系统（ERP）、商业智能（BI）、客户关系管理系统（CRM）、其他企业资源管理系统，例如供应商管理系统（SCM）等应用级别服务。现在在此平台云计算为最终用户提供应用即服务功能，即我们经常提到的云计算的最终高级属性 SaaS。

　　2.2 云计算部署方式

　　现阶段云计算发展经历了起步的争议和讨论，实际的产品规划，及未来的发展研究等多个阶段。对于云计算的部署方式，目前云计算领域内公认可以分为公有云、私有云和混合云三种方式。

　　（1）公有云

　　公有云计算是为外部客户提供服务的云平台，公有云提供的服务均为供别人使用，例如提供天气预报、信息查询、邮件等云服务。目前，业界比较知名的公共云有微软的 Windows Azure，亚马逊的 Salesforce.com，以及国内的用友伟库、阿里巴巴等。对于使用者而言，公共云最大的优点就是其所应用的数据、程序、服务都存放在公共云提供者处，自己不需要做相应的投资和建设，这也正是云计算的一大特点，在未来会有更多的公有云服务，也会产生大量专门的云计算公司。

　　但问题是由于数据并不是存储在自己的数据中心之中，其安全性也存在着一定的风险。同时，公共云的可用性不能受使用者的控制，这方面也存在着一定程度的不确定性。

　　（2）私有云

　　私有云计算是指企业可以完全控制的云计算方式，例如云存储的存储资源的访问可以完全有企业控制，而不是哪一个云计算服务提供商。私有云的另外一种概念是由云计算提供商提供强的隔离性，将用户构建的集群以及数据中心作为一个云服务的独立和隔离的子集，成为一个用户私有的子云，是企业北部使用的云，私有云所有的服务都不是供别人使用的，而是供企业自己的内部人员或企业的分支机构使用, 如亚马逊弹性计算云。近期来看，私有云的构建是最快并且最为现实的，正是那些有丰富资源的大公司首先开始向云架构演进。以银行和医疗机构为例，它们都是先做数据中心整合，服务器虚拟化，然后建立其私有云。在过去几年里，数据中心整合向云的演进是刚刚发生的事，在今后几年里将加速发展。

　　在构建私有云平台方面，微软于 2010 年在柏林召开的 TechEd 欧洲会议的开幕式上发布了其最新的私有云产品“Hyper-V Cloud”。与微软合作的服务器厂商包括 IBM、戴尔、惠普、日立和 NEC 等，作为合作计划的一部分，它们均就提供认证私有云产品包达成一致。

　　（3）混合云

　　混合云模式是供企业自己和客户共同使用的云，混合云所提供的服务既可以供其他用户使用，也可以供企业自己来使用。甲骨文、微软、IBM 等公司分别在各自的云计算白皮书中表述了相一致的观点。

　　在以上云计算模式中，私有云在服务水准、可控程度及安全性等方面的优势相对比较明显；而公有云在前期的应用部署、成本投入节省、技术成熟程度、资源利用效率及环保节能等方面更具优势。混合云则兼有两者的长处。所以，对于达到一定的规模，对信息化系统安全性要求也比较高的企业，私有云更为合适，企业可以按照标准化、虚拟化、自动化、弹性化的步骤从现有信息系统环境逐渐向云环境进行迁移；对于中小型企业而言，由于企业资金和技术实力相对有限，公有云对于它们而言是一种比较实际的选择。从目前中国的实际应用情况来看，私有云的应用仍占有主导地位，公有云、混合云的市场占有率则相对较低些。据统计，2011 年在已经部署或使用了云计算的企业中，72%的企业选择了私有云，而选择公有云和混合云的企业比例低于 30%。

　　以上为目前云计算市场中较为认可的云计算部署方式，这三种云模式多倾向于企业作为最终用户，服务于企业的经营管理等活动。云计算发展至今，面向的另外一大客户群体就是个人用户，这部分业务统称为个人云计算。个人云计算具有与一般云计算相同的特征，如共享、随意访问和可扩展。个人信息不仅可以为自己使用，也可以为亲友、公共使用，从而实现个人信息的社会价值。任意形式的联网终端，如 PC、平板电脑、智能手机、互联网电视等，可以在任意时间、任意地点访问个人信息。个人云可以在不改变基础架构的情况下，灵活地进行扩展，支持更多更灵活的个人信息及处理方法。

　　个人云计算也具有与一般云计算不一样的特点。这是由个人信息的特点决定的。个人信息是私有的，对安全性要求较高。个人拥有大量的流媒体、图片等多媒体信息，要求存储量较大、并可以扩展。大多数个人并非专业人士，不会复杂的信息处理，从而对计算能力要求不强，但对易用性要求高。针对这些要求，个人云计算具有简易化、大容量、高安全等特征。本文主要研究云计算在企业中应用，因此对于个人应用市场不过多赘述。

　　2.3 云计算 SPI 服务模型

　　云计算通过共享资源池的方式提高系统及资源的利用效率。在云计算中，根据其资源池中资源的类别，可以将云计算的服务模型分为三种，及所谓的 SPI模型，如表 2-1 所示：

　　2.3.1 SaaS

　　SaaS（Software as a Service，软件即服务）是目前最为成熟、最出名，也是得到最广泛应用的一种云计算。可以理解为一种软件分布模式，在这种模式下，应用软件安装在厂商或者服务供应商那里，用户可以通过某个网络来使用这些软件，通常使用的网络是互联网。这种模式通常也被称为“随需应变”（on demand）软件，这是最成熟的云计算模式，因为这种模式具有高度的灵活性、已经证明可靠的支持服务、强大的可扩展性，因此能够降低客户的维护成本和投入，而且由于这种模式的多宗旨式的基础架构，运营成本也得以降低。Salesforce.com、NetSuite、谷歌的 Gmail 和 SPSCommerce.net 都是这方面非常好的例子。

　　2.3.2 PaaS

　　PaaS（Platform as a Service，平台即服务）提供了基础架构，软件开发者可以在这个基础架构之上建设新的应用，或者扩展已有的应用，同时却不必购买开发、质量控制或生产服务器。Salesforce.com 的 Force.com、谷歌的 App Engine和微软的 Azure（微软云计算平台）都采用了 paas 的模式。这些平台允许公司创建个性化的应用，也允许独立软件厂商或者其他的第三方机构针对垂直细分行业创造新的解决方案。

　　2.3.3 IaaS

　　IaaS（Infrastructure as a Service，基础架构即服务）通过互联网提供了数据中心、基础架构硬件和软件资源。IaaS 可以提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和/或信息资源。最高端 IaaS 的代表产品是亚马逊的 AWS，不过 IBM、Vmware 和惠普以及其他一些传统 IT 厂商也提供类似服务。IaaS 通常会按照"弹性云"的模式引入其他的使用和计价模式，也就是在任何一个特定的时间，都只使用你需要的服务，并且只为之付费。

　　2.4 云计算行业解决方案

　　目前云计算行业领先的解决方案提供商有亚马逊、谷歌、IBM 及微软等公司，本文就其中推出时间较早，市场占有率较高的三家厂商产品、服务及商业模式进行研究。

　　2.4.4 亚马逊弹性计算云

　　亚马逊一直被公认为当前最大的在线零售商，但鲜为人知的是，亚马逊同样也是云计算行业的领跑者，为软件开发公司及人员提供云计算服务平台。亚马逊的云计算平台称为弹性计算云（Elastic Compute Cloud，EC2），它是最早提供远程云计算服务的平台。

　　亚马逊简单队列服务（SQS）在 2007 年 7 月正式公布，这项服务使托管主机计算机之间发送的消息可以被保存。应用程序编写者可以通过此服务，不考虑信息丢失，在分布式程序之间传递数据。服务内部缓存相应的消息，一旦消息接收器运行，消息队列服务递交到相应的运行模块进行处理。计费规则按照消息传递的容量进行收费，类似于的消息存储大小的基础上的计费规则。

　　亚马逊没有从一开始发展能够适应企业发展的相应网络服务组件，而是通过改造现有平台的升级，在满足自身的网络零售购物需求的基础上，为外部开发人员提供应用服务接口。亚马逊弹性云计算用户通过使用特定协议来实现与内部实例的数据通信。建立在公司内部现有云计算平台基础上，开发出适应于各种计算模式的通用接口，保留了原来简便快捷的风格。通过接口连接，可以避免信息传输的泄露，数据传输的安全性得到大幅度提升。

　　亚马逊弹性云适应企业实际应用需要，在实际部署时，支持多个内部实例间传输信息以进行实时通信。为了获得更好的计算和通信性能，每一个计算实例都有其特定的内部地址。客户程序可以使用内部地址进行数据传输，提升云计算平台中内部通信效率。为了云计算平台中的实例和外部应用进行联系，在绑定内部地址的同时，每个内部实例将被分配一个指定的外部映射地址，让云计算服务可以为平台外的系统或终端用户提供服务。弹性云计算平台为最终用户和开发人员提供了弹性的、易于使用同时，也为最终用户提供灵活的付费方式：云平台内部传输和外部传出分别独立计费，给云计算使用者更大的使用和扩展选择空间。另一方面来看，通过弹性云计算的实施，亚马逊公司内部的管理成本也大大降低。

　　综上所述，开发人员通过使用亚马逊云计算平台，可以降低对硬件设备的维护成本。区别于传统的服务器托管付费方式，亚马逊弹性云平台，以按需订制服务的方法，根据使用的资源情况支付相关的费用。而传统托管模式下，企业需要将硬件设备交付给服务提供商，后者负责服务器硬件设备维护及网络情况保障等基础服务提供。企业不但需要支付运维成本，而且需要自行开发设计云计算平台具体应用，这种模式并不能实现资源的最优配置组合。而亚马逊弹性云将这一过程大大简化，用户可以根据自身需要，选择相应服务并根据使用情况支付相应费用。这种独创的亚马逊云计算平台运营模式为其他云计算平台服务提供商做出了很好的参考作用。

　　2.4.5 谷歌云计算平台与应用

　　之前分析的亚马逊弹性云计算平台，是根据自身网络零售运营需要而开发并发展至公共云平台，这一点上谷歌公司的云计算平台也有很多相似的巧合。谷歌作为全球最大的互联网搜索提供商，每小时处理数以亿计的搜索请求，对服务器资源需求相当庞大。谷歌在全球多地部署有数据中心，根据自身特有的分布式大规模网络计算结构，谷歌提出整体集群基础架构解决方案，不仅保障硬件设备的正常运转，通过系统软件的实时监控和资源调度，保证网络集群中各节点处于高效运营状态。

　　谷歌公司内部专业技术资源雄厚，从 2000 年起已开展多项针对计算机系统发展的研究。在 2003 年，关于内部分布式数据处理方法的多篇论文相应在业内顶级学术会议和期刊上发表，阐述其掌握并在持续优化发展的云计算技术。谷歌的云计算基础架构模式包含四个系统模块，相互之间独立运行但又通过数据通信、共享存储等方式紧密协同。包括谷歌建立在集群之上的文件系统，针对谷歌应用程序的特点提出的 Map/Reduce 编程模式，分布式的锁机制 Chubby 以及谷歌开发的模型简化的大规模分布式数据库 BigTable。作为全球最大的搜索引擎提供商，谷歌设计并实现了谷歌文件系统（GFS），以满足快速增长的数据处理人物需求。GFS 包含高性能、高可靠性等多种特点，不同于传统的分布式文件存储（DFS），其设计的主要考虑为了支撑谷歌应用程序负载压力。

　　综上所述，谷歌为了自身业务发展需要设计出高灵活性的文件系统 GFS。目前，谷歌已在全球数据中心全面部署 GFS 系统，超过 1000TB 存储空间，其集群存储节点数量达到 2000 以上。应用于不同应用系统的文件存储及数据分析角色服务器之中。谷歌不仅建立了 GFS 存储基础平台，还在其基础平台上部署了相应的监控管理系统和应用系统。这些应用程序机遇互联网 2.0 技术得以为更多的用户提供更全面的交互计算能力。作为云计算战略发展的重要组成部分，谷歌推出了 Docs 办公软件公有云服务。众所周知，目前办公软件市场主导产品为微软Office 系列产品，同时苹果公司的 iWorks 也占据着相当的市场份额。谷歌 Docs面对激烈的市场竞争，采取个性化发展模式，目前已推出电子表格编辑，文档编辑，幻灯片及日历等多项功能组建，使之可以与微软 Office 相庭抗衡。谷歌 Docs作为办公软件平台的云计算解决方案，更容易被中小企业接受和应用，本文将在第四章云计算在中小企业中的作用中做详细分析。

　　2.4.6 IBM 蓝云计算平台

　　IBM 在 2007 年 11 月发布了蓝云（Blue Cloud）计算平台白皮书，基于 IBM多年积累的软件与系统技术经验，为客户提供即买即用的云计算平台服务。蓝云的运营模式更加全球化、分布化，它取代了之前云计算产品的数据服务器集群模式，通过分布式可任意地点访问的基础架构，将云计算数据中心建立成类似于互联网结构的计算模式。相比其他厂商的产品，IBM 的蓝云更加庞大，负载能力更高，运算速度更强。在 IBM 的云计算白皮书上，我们可以看到如下的蓝云计算平台配置情况：

　　蓝云平台是基于 IBM Almaden 研究中心（Almaden Research Center）的云基础架构，包括 Hadoop 文件系统、PowerVM 和 Xen 虚拟化、Linux 操作系统映像混合构建。蓝云通过将 Tivoli 管理软件、DB2 数据库系统、WebSphere 与硬件产品集成，为企业架设一个分布式、可全球访问的资源结构。目前支持 PowerServer 和x86 CPU 服务器系统的蓝云产品已于 2008 年正式推出，随后推出基于高密度机架集群的云环境以及基于 System z 大型主机的云环境，为 IBM 公司奠定了云计算市场的份额。IBM 最新发布的蓝云发展计划，能够帮助用户进行现有系统的评估，和云计算环境的搭建。这包括通过能够跨越多服务器实时分配资源的软件，为客户带来一种无缝体验，加速性能并确保在最苛刻环境下的稳定性。在蓝云计算平台中使用了 Xen 虚拟化软件，为云计算平台提供虚拟化支持。

　　Xen 能够在现有的 Linux 基础之上运行另外一个操作系统，并通过虚拟机方式灵活地进行软件部署和操作，作为一款出色的开源软件，Xen 可以为开发人员提供丰富的应用程序接口（API），让用户能能够更加灵活地按需部署虚拟化云计算平台，实现云计算资源管理的最佳配置。虚拟机这个概念是区别于物理机而提出的，是在物理服务器上安装特定程序，分配合适的资源用于虚拟机中的独立系统运行，可以模拟硬件环境对系统进行定义。这样，可以将整个执行环境通过打包的方式传输到其他物理节点上，这样就能够使得执行环境与物理环境隔离，方便整个应用程序模块的部署。

　　随着硬盘存储技术的不断进步，直接导致硬盘价格的下降和存储容量的提升，为云计算存储设计部署提供了机遇。IBM 公司在设计蓝云计算平台的存储体系架构的时候，存储容量并不是影响设计的唯一因素。相较于磁盘的容量，在云计算平台的存储中，磁盘 I/O 访问速度是一个更重要的问题。实际应用中磁盘的 I/O 往往成为应用程序数据访问的瓶颈。在实际应用中，往往通过多块磁盘同时读写来提高磁盘访问速度，这就需要将数据存储于分布式的多个磁盘上。谷歌GFS 群集文件系统作为一种行业存储标准，被云计算厂商广泛应用；另一种同时存在发展的存储技术为 SAN 存储区域网络系统，这两种存储方式为云计算平台提供高速、稳定的磁盘数据存储基础。

　　另外，应用软件级别上，基于公司发展和现有业务结构的差异，IBM 并没有提供类似于谷歌的软件公有云服务。IBM 的办公平台 Domino 系统仍属于企业内部信息部署方式，但据最新报告显示，处于市场竞争及公司战略发展考虑，IBM计划将 Domino 平台的部分应用更新至蓝云近计算平台之中，为客户体统基于客户端软件的云计算服务。

　　2.5 云计算安全

　　目前，云计算的安全一直存在两种对立的说法。持乐观的看法认为，利用云计算将增强安全性，通过一个集中云计算中心的部署，安全专家和专业的安全服务团队可以实现整体系统安全管理，避免现在的人工安全维护，导致漏洞被黑客利用的安全隐患。但是，一个更为现实的观点集中管理的云计算中心将成为黑客攻击的主要目标，其安全性面临更严峻的考验比以往任何时候都由于体积庞大系统和前所未有的开放性和复杂性。对于普通用户，安全风险没有减少，反而增加。

　　信息安全领域的发展过程中已经证明了很多次，信息技术，信息安全领域的发展的过程中，将有重大变化直接影响。例如，计算机出现之前，信息安全学科进入计算机时代以来，以达到保密通信密码学研究的主要目的，信息安全研究的目标扩展到计算机系统的安全性信息安全学术界的分析和验证安全模型为理论基础，对信息安全产品的主要组成部分，建设为主要目标的安全系统的思想，不仅出现的安全操作系统，安全数据库管理系统，防火墙，代表的安全域信息安全产品，而形成的信息技术安全评估标准，并根据安全标准认证体系和市场准入制度，信息安全产品，信息技术的迅速进入了网络时代的特殊监管，跨区域合作的评价是不可避免的，跨管理域之间的频繁互动，多个系统或大规模数据流，专一，有严格的信息控制策略，改变了为止，然后进入信息安全领域的立体防御，深入防御的核心理念整个生命周期的安全管理为主要特征的时代的信息安全警告，攻击防范，应对和恢复，出现了大规模的网络攻击和保护，互联网安全的监管这项新的研究。

　　云计算动态服务为主要技术特征发生重大变化，在信息技术领域，灵活的服务合约为核心业务的特点，这种变化的信息安全领域带来了巨大的冲击：

　　云应用在云平台上运行没有固定的基础设施，有没有固定的安全边界，是难以实现的用户数据的安全和隐私。云服务和所涉及的资源由多个管理者的利益不能有冲突统一规划和部署安全措施。

　　云计算平台的数据和计算的高度集中，安全的措施必须满足海量信息处理需求，对于这样的问题，由于目前信息安全领域的研究仍缺乏，硬，以确保云服务提供了必要的理论技术和产品支持，学术界和工业界共同关心的信息安全，促进信息安全领域，将重点放在制定云服务的安全服务协议交付验证，第三方检验，并逐渐形成一种新的技术体系和管理体系，标志着一个新的时代，在信息安全领域的合适的。

　　云计算模式下，所有的业务处理都将在服务器端完成，服务器一旦出现问题，就将导致用户应用无法正常运行，数据无法访问。毕竟云服务的规模都十分庞大，在出现问题之后，很容易导致网民对于云计算模式的怀疑，动摇用户对云服务的信心。由此可见，如果云计算的可靠性和安全性问题不能很好解决的话，云计算的普及仍有很长一段路要走。

　　2.6 云计算发展方向

　　云计算方案发展到现阶段，数据、软件、平台、基础设施都已成为云计算的战略资源，而今后云计算的发展则取决于上述战略资源同“集中计算、按需应用”

　　模式的整合与关联的程度，用一个简单的公式来表达：

　　云计算 =（数据+软件+平台+基础设施）* 服务

　　数据（Data）：随着大数据的发展，商业数据智能分析被各企业提升至战略发展角度去考虑。通过解决大量数据的结构化关联智能分析，能够更好的促进云计算体现其价值。以数据为中心的云计算将真正把用户置于计算体验的核心，也将决定云计算模式的发展方向。

　　软件（Software）：软件面对的最终用户是数据处理者，通过对数据的挖掘和分析过程，分析数据中蕴含的商业价值。软件作为云计算的最终载体，将实现效果传达给最终使用用户。

　　平台（Platform）：目前主流服务器计算平台有 Unix、Linux 及 Windows 等，作为软件的载体，通过虚拟化及高可用等多种应用技术，为云计算提供底层基础架构服务。

　　基础设施（Infrastructure）：服务器硬件及网络资源是基础架构的主要组成，直接决定了云计算平台的处理能里和服务提供水平。云计算服务提供商需要投入大量资金来进行基础设施建设。对于中小企业来讲，通过部署云计算应用或将现有系统迁移至云平台可以大幅度降低企业信息化建设中基础设施方面的投入，时间简捷、快速、灵活的 IT 管理。

　　中国电子学会近期专门成立了云计算专家委员会，部分企业也在开始建造自己的企业云，这都说明云计算在中国受到了很大关注，并已成为学术界和产业的一大热点和发展趋势。在崭新的信息化市场竞争之中，掌握高效的数据分析处理能力将成为企业制胜的前提条件。商用和科学数据计算量的日益增长，数据计算能力将转变成一种战略资源和资本。在我国随着信息化发展需求的增长，云计算的广泛普及和深入应用已经变得迫在眉睫。因此，国内 IT 厂商应深入研究云计算及其应用，为在企业信息化发展新纪元处于不败之地，同时在国际云计算技术产品领域取得发展和突破。