深度科普：云计算，智慧城市的大脑与基石

□文/竺松涛　银江股份有限公司

深度科普：云计算，智慧城市的大脑与基石

□文/竺松涛银江股份有限公司

“云计算”这个词汇是Google CEO埃里克·施密特于2006年8月9日在搜索引擎战略会议上的演讲中首次提出的。经过短短几年的发展，云计算已经形成了雷霆万钧的势能和横扫千军的动能。Google、Amazon、微软等互联网与IT巨头纷纷把云计算作为自己未来的核心战略。更重要的是，在硅谷，近百家新型云计算创新企业正在兴起，业务范围涉及从硬件、软件到应用的各个领域。这些企业创新的势头及其目标定位颇像三十年前个人计算机及十五年前互联网刚刚出现的时候，具有创新精神的小公司迅速大量涌现。这些公司在刚成立时便立志从技术、服务、商业模式等方面挑战与颠覆现有的IT产业格局。

云计算的定义

然而，到底什么是云计算，至少可以找到100种解释，目前还没有公认的定义语句。一般来说：

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，使用户能够按需获取计算力、存储空间和信息服务。

这种资源池称为“云”。“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常是一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器和宽带资源等。云计算将计算资源集中起来，并通过专门软件实现自动管理，无需人为参与。用户可以动态申请部分资源，支持各种应用程序的运转，无需为烦琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于提高效率、降低成本和技术创新。云计算的核心理念是资源池，这与早在2002年刘鹏教授提出的网格计算池（Computing Pool）的概念非常相似。网格计算池将计算和存储资源虚拟成为一个可以任意组合分配的集合，池的规模可以动态扩展，分配给用户的处理能力可以动态回收重用。这种模式能够大大提高资源的利用率，提升平台的服务质量。

之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。之所以称为“云”，还因为云计算的鼻祖之一亚马逊公司将大家曾经称为网格计算的东西，取了一个新名称“弹性计算云”（Elastic Computing Cloud），并取得了商业上的成功。

云计算是并行计算（Parallel Computing）、分布式计算（Distributed Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展，或者说是这些计算科学概念的商业实现。云计算是虚拟化（Virtualization）、效用计算（Utility Computing）、将基础设施作为服务IaaS（Infrastructure as a Service）、将平台作为服务PaaS（Platform as a Service）和将软件作为服务SaaS（Software as a Service）等概念混合演进并跃升的结果。

计算机的核心是解决信息与知识的存储、处理和传播问题。计算机发展的起点是主机时代，最主要的特点是信息被中央主机所控制，用户需要获取信息时，要通过特定的终端连接到主机。二十世纪七十年代末个人计算机的革命改变了这一结构。个人计算机可以把个人的信息存放在自己的计算机上，使每个人成为“自己知识的主人”。这场个人计算机革命极大地推动了社会进步，知识普及的同时也打破了垄断，产生出微软、Intel、Apple等一代企业巨头，并使美国牢固地占领了这个技术制高点，极大地提高了世界经济的效率。互联网的出现使得个人计算机可以通过网络连接起来，更为彻底地改变了信息和知识的传播方式，极大地提高了信息和知识传播的效率。技术变革演变至此，个人计算机的发展仍然面临一个很大问题，就是每台计算机的功能与能力利用很不充分，信息不能充分和高效共享，操作复杂，成本居高不下。随着网络尤其是宽带网络的发展，以及“虚拟化软件”技术的实现，人们意识到“网络即是计算机”，我们可以把计算能力、存储能力再一次集中起来，放到“网络”中去。当我们需要的时候，就通过网络拿出来，不需要时就放到网络上面。这种无所不在的计算能力，被人们形象地称为“云”。从主机的集中到个人计算机的分散，乃至新的一次集中，计算机的发展似乎也在遵循着“否定之否定”的钟摆定理。这次新的集中的结果将使每个“计算终端”的计算能力更强，计算成本更便宜——所谓“书本一样的价格，超级计算机一样的能力”。

有人将这种模式比喻为从单台发电机供电模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水和电一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。

再用一个比喻来形容“云计算”。水在人类文明发展历程中的作用非常重要。用来存储、处理和传播信息和知识的计算机的发展历程，与人类储存、使用和管理水的历程，有很多相似之处。在原始部落以及游牧时期，人们的生活和生产局限在靠近水源的范围，需要水的时候，要去江河湖泊里取水回来，“江河湖泊”就像“主机”。到了个人计算机时代，如同人类的农耕时代，由于家家都有水井，人们的生活和生产获得了更多的自由和便利；“水井”很像个人计算机，自给自足，但是不能共享、大量闲置，严重浪费和低效。等我们到了城市，有了发达的自来水网络，“水”被集中起来保质、随时、随地地提供给人们，文明因此进入了一个新阶段，就像“云计算”将以宽带网络和新一代软件与服务带领我们进入信息化新时代。

云计算具有以下特点：

超大规模。“云”具有相当的规模，Google云计算已经拥有200多万台服务器，亚马逊、、微软和Yahoo等公司的“云”均拥有几十万台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。

无处不在。云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无需了解应用运行的具体位置，只需要一台笔记本或一个PDA，就可以通过网络服务来获取各种能力超强的服务。

高可靠性。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更加可靠。

通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一片“云”可以同时支撑不同的应用运行。

高可扩展性。“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。

按需服务。“云”是一个庞大的资源池，用户按需购买，像自来水、电和煤气那样计费。

极其廉价。“云”的特殊容错措施使得可以采用极其廉价的节点来构成云；“云”的自动化管理使数据中心管理成本大幅降低；“云”的公用性和通用性使资源的利用率大幅提升；“云”设施可以建在电力资源丰富的地区，从而大幅降低能源成本。因此“云”具有前所未有的性能价格比。

云计算的分类

云计算按照服务类型大致可以分为三类：将基础设施作为服务IaaS、将平台作为服务PaaS和将软件作为服务SaaS（见图1）。

IaaS将硬件设备等基础资源封装成服务供用户使用，如亚马逊云计算AWS（Amazon Web Services）的弹性计算云EC2和简单存储服务S3。在IaaS环境中，用户相当于在使用裸机和磁盘，既可以让它运行Windows，也可以让它运行Linux，因而几乎可以做任何想做的事情，但用户必须考虑如何才能让多台机器协同工作起来。AWS提供了在节点之间互通消息的接口简单队列服务SQS（Simple Queue Service）。IaaS最大的优势在于它允许用户动态申请或释放节点，按使用量计费。运行IaaS的服务器规模达到几十万台之多，用户能够申请的资源几乎是无限的。同时，IaaS是由公众共享的，因而具有更高的资源使用效率。

PaaS对资源的抽象层次更进一步，它提供用户应用程序的运行环境，典型的如Google App Engine。微软的云计算操作系统Microsoft Windows Azure也可大致归入这一类。PaaS自身负责资源的动态扩展和容错管理，用户应用程序不必过多考虑节点间的配合问题。但与此同时，用户的自主权降低，必须使用特定的编程环境并遵照特定的编程模型。这有点像在高性能集群计算机里进行MPI编程，只适用于解决某些特定的计算问题。例如，Google App Engine只允许使用Python和Java语言、基于称为Django的Web应用框架、调用Google App Engine SDK来开发在线应用服务。

图1　云计算的服务类型

图2　IaaS、PaaS和SaaS之间的关系

SaaS的针对性更强，它将某些特定应用软件功能封装成服务，如Salesforce公司提供的在线客户关系管理CRM（Client Relationship Management）服务。SaaS既不像PaaS一样提供计算或存储资源类型的服务，也不像IaaS一样提供运行用户自定义应用程序的环境，它只提供某些专门用途的服务供应用调用。

IaaS、PaaS和SaaS之间的关系如图2所示。需要指出的是，随着云计算的深化发展，不同云计算解决方案之间相互渗透融合，同一种产品往往横跨两种以上类型。例如，Amazon Web Services是以IaaS发展的，但新提供的弹性MapReduce服务模仿了Google的MapReduce，简单数据库服务SimpleDB模仿了Google的Bigtable，这两者属于PaaS的范畴，而它新提供的电子商务服务FPS和DevPay以及网站访问统计服务Alexa Web服务，则属于SaaS的范畴。

云计算实现机制

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，因此对读者了解云计算的原理构成了障碍。综合不同厂家的方案，笔者构造了一个供参考的云计算体系结构（如图3）。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。

云计算技术体系结构分为四层：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务的体系结构）构建层。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。构建资源池更多的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。管理中间件层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，包括服务接口、服务注册、服务查找、服务访问和服务工作流等。管理中间件层和资源池层是云计算技术最关键的部分，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层负责资源管理、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；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，简述云计算的实现机制，如图4。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。配置工具负责在分配的节点上准备任务运行环境。监视统计模块负责监视节点的运行状态，并完成用户使用节点情况的统计。执行过程并不复杂，用户交互接口允许用户从目录中选取并调用一个服务，该请求传递给系统管理模块后，它将为用户分配恰当的资源，然后调用配置工具为用户准备运行环境。

图3　云计算技术体系结构

图4　简化的IaaS实现机制图

“云”上的智慧城市

智慧城市建设就是采用更智慧的方法，通过应用智能识别、数据融合、移动计算、云计算等技术，使得城市物理基础设施与城市IT基础设施之间进行完美的结合，改变政府、组织、市民和城市设施的交互方式，提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度，使得城市的运行可以最低的成本实现最高的效率。

智慧城市是充分利用现代信息通信技术，汇聚人的智慧，赋予物以智能，使人、事、物真正有机、紧密地结合。构建城市发展的智慧环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新的产业发展和社会管理模式，面向未来构建全新的城市形态。

人们所构想的智慧城市具有高效的管理服务来提升城市运作的效率，高端的基础设施及科学技术改善城市生活环境，生机勃勃的产业带动城市的发展，智慧友好的环境提升人们的生活品质，明显的未来特质帮助我们构造生活美好的未来之城。

智慧城市建设的核心内容是围绕着如何实现对城市“更透彻的感知，更全面的互联互通，更深入的智能化”的一个全新理念，是涵盖政府、组织和市民的新城市生态系统。

如何由云计算构造智慧城市大脑的核心？

我们可以把云计算中可无限扩展的计算资源比作大脑的脑细胞，它做着与大脑类似的工作，实现对数据的处理与存储。

我们可以把云计算中纵横交错的网络体系看作连同“脑细胞“间的神经网络，实现对数据信息的传递与交流。我们将云计算为城市注入灵魂，赋予思想，给予它发现和规整的能力，以一种更智慧的方式调节我们居住的城市，进而为人们创造更美好的生活，促进城市和谐、可持续成长。

智慧城市通过物联网采集海量数据，以互联网传递海量数据，以云计算实现海量数据的存储与计算。智慧的城市可以理解为物联网和互联网的融合，以云计算作为支撑它们的基石，构建城市的智慧“大脑”。

云计算是多技术的集合，通过虚拟化技术、负载均衡技术、灾难恢复技术、网格计算、分布式计算、统一存储技术等实现对城市运行产生的海量数据的存储与计算的能力，实现资源的动态伸缩与扩展能力以及动态可调节的安全架构，保障城市运行的稳定发展，这些无一不是对实现智慧城市建设的有利保障。

智慧城市的建设内容包罗万象，有水、电、交通、医疗、建筑等，其中它们之间的共性就是都涉及对大量的数据进行收集、存储、整合与处理。面对庞大的数据内容，多种多样的形式与媒介，并且随时间的推移而不断更新交替，可以依靠云计算中心和建立数学模型来科学、高效地处理和利用这些数据。

云计算中心是智慧城市建设的核心内容，通过将存放在行业信息中心、政务信息资源交换中心以及其它城市公共数据中心的信息资源融合规整后形成统一的公共数据中心，构建智慧的“大脑”。当然，我们不能把云计算中心仅仅看成一个有着“云计算”支撑的数据中心，要把它看成数据中心转换成知识中心，知识中心转换成智慧中心，从而把数据变成知识，变成能够改变城市产业链发展、提高城市管理水平和城市运行效率的强有力的支撑。

中国智慧城市的建设首先要构建智慧城市“大脑”的中枢神经：智能决策辅助系统。这可以视为一个专门为城市管理者服务的系统，帮助城市管理者了解城市发展的现状及为城市规划提供智能分析。城市管理者可以通过对城市发展现状问题的数据分析，为城市规划做出最正确的判断。

在南方某省曾做过这样一个试点，通过建立GDP数据模型，来分析1块钱能带动当地政府哪块产业的有效增长。通过这样的模型发现，将1块钱投入到工业，会带动当地经济2倍的增长；将1块钱投入到农业，会带动当地经济4倍的增长；将1块钱投入到运输业，会带动当地经济8倍的增长；将1块钱投入到旅游业，会带动当地经济10倍的增长。这就为政府制定发展目标指出了一个方向。

在政府公共服务领域——譬如税务、防汛或各种突发状况的应急过程中，云计算可以通过全市各不同位置的传感器收集信息、整体分析后提供智能决策，政府以最高效率应对紧急事件。

智慧城市还包含很多元素，如智慧的医疗、智慧的建筑、智慧的交通、智慧的环境、智慧的能源等很多方面。智慧城市最主要的目的就是“以人为本”，使人在城市中感觉到便捷，使组成城市的元素可测量、可监控，通过云计算中心将反映整个城市运作的海量数据集中于云端基础设施，通过互联互通，实现城市整体运作的有序互动，这就是云计算中心作为智慧城市“大脑”的作用。