云计算及其关键技术研究

胡莹

摘 要：重点研究了云计算技术。从云计算结构框架入手，详细介绍了云计算的IaaS、PaaS、SaaS，云计算核心服务层、云计算服务管理层以及云计算用户访问接口层；重点介绍了云计算的关键技术，包括数据中心管理技术、虚拟化技术、海量数据存储技术等，对保障云计算平台的有效运行进行了论述。

关键词关键词：云计算；核心服务层；虚拟化；海量数据存储

DOIDOI：10.11907/rjdk.161654

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）008-0159-03

0 引言

互联网已经成为人们日常生活必不可少的部分。网络用户不断增多，使得网络服务供应商信息处理压力越来越大，很多大型IT公司服务器处理的数据量级已达到PB级别[1]，这些都需要消耗大量系统资源来完成相关信息的存储、处理、传输，增加了企业在服务器、路由网关、交换机等硬件设备上的投入，以及操作系统、网络设备软件上的成本，系统投入明显增加，系统维护成本也大大增长[2]。为了应对业务增长带来的运营商建设成本和运维成本增长问题，云计算技术应运而生。云计算技术能大大减少企业成本投入，提升网络服务运营效益，云计算技术研究具有非常重要的现实意义。

1 云计算架构

云计算有一个完整的结构框架，能够将硬件、网络、系统等资源进行弹性配置[3]，配合一系列服务完成云计算系统功能。对于云计算系统结构框架按照计算机系统的层次结构进行设计，一般分为云计算核心服务层、云计算服务管理层以及云计算用户访问接口层等，如图1所示。

核心服务层主要针对硬件设备、软件系统以及应用服务作为其核心服务，通过弹性的资源配置、可靠的运行环境、抽象的服务功能来满足不同企业的业务需求。服务管理层主要对核心服务层进行管理，在服务质量、服务安全等诸方面提供应用保障，使云计算系统提供的服务稳定、可靠、安全、高效。用户访问接口层提供云计算服务的访问接口或程序接口[4]，企业可通过这些接口提供硬件服务、系统服务和应用服务，进行定制化配置和使用，访问方式则是网络终端向网络云的远程访问。

1.1 核心服务层

云计算系统核心服务是云计算提供主要功能服务层，一般分为IaaS（Infrastructure as a Service）、PaaS（Platform as a Service）以及SaaS（Software as a Service）3个层次。

IaaS是基础设施即服务，主要提供硬件资源的云计算服务[5]，是将云计算运营商提供的硬件资源通过硬件虚拟化技术和数据中心管理技术，在硬件资源上部署企业环境、系统代码等，从而节约企业硬件成本投入。IaaS是云计算系统提供的最底层硬件资源服务，通过引入硬件虚拟化技术，通过VMWare、KVM等虚拟化工具对硬件资源统一整合，对其虚拟化和统一分配。企业可根据实际需求，对虚拟化了的硬件资源、存储资源、网络资源等进行配置，将硬件资源上的代码部署在配置上，通过提供的用户访问接口，享受稳定的、定制化的、高效的云计算系统IaaS服务。

PaaS，平台即服务，是云计算运营商提供的虚拟系统平台，采用海量数据处理技术和资源管理调度技术提供给企业[6]，企业可在系统平台上搭建数据环境或部署代碼，从而节约企业操作系统的投入。PaaS的云计算服务属于操作系统平台级别服务，用户不用关心操作系统硬件配置、操作系统配置，只需将工具、代码或者运行数据部署到PaaS服务提供的平台即可。对于底层硬件、网络的管理，则全权由云计算系统完成。由于PaaS服务层提供的系统平台大都为企业提供数据支撑，所以在云计算平台中，针对PaaS层的技术更多的是针对系统资源管理以及进程、资源的调度方面，从而有效提升了服务效率，使用户享受更高级、稳定的平台服务。

SaaS是软件即服务，云计算系统运营商将已有的互联网应用程序服务[7]，通过Web服务技术、互联网应用开发技术等，允许企业和个人直接使用，从而节约了开发成本和维护成本。SaaS提供的应用软件一般是较为成熟的互联网应用系统，比如邮件系统等，企业在SaaS服务层中不必关心其代码维护、服务器维护和管理等问题，只需通过互联网即可实现从网络终端到网络云端的应用系统服务。此外，SaaS的应用还大大简化了网络终端的服务压力，使用者不需要使用专门的个人桌面应用程序，只需通过用户访问接口即可享受SaaS服务。

1.2 服务管理层

云计算系统安全、稳定、可靠运行需要服务管理层的支持。服务管理层为云计算系统提供了QoS的服务质量保证以及云计算的安全保护策略，同时还提供了云计算系统的资源监控、服务计费系统等[8]，以此保障云计算从技术层面和业务层面高效稳定运行。

QoS服务质量保证是服务管理层的重点功能。从业务层面上，为了保障云计算系统用户良好的体验，可制定相应的服务水平协议。如果云计算系统提供的服务能力与用户协议中的服务水平一致，云计算就将按照用户缴纳的租金持续提供服务；如果二者不一致，QoS服务保障机制就会报告云计算系统，系统将按照预定的方案进行维护并对客户进行赔偿。

云计算系统是基于互联网的应用平台，开放性和共享性是其主要特点，云计算安全问题则成为整个系统的瓶颈。为了保障安全问题（包括自然灾害、人为攻击等）不会影响云计算系统稳定持续地提供服务，在系统中采用了数据加密、安全隔离、身份验证、访问控制等多重安全保障机制，从而有效保障云计算系统的运行安全。

1.3 用户接口层

云计算系统的用户接口层是企业享受云计算服务的连接方式，有两种连接形式：①包含命令行和Web服务接口的连接访问形式；②Web门户的连接访问形式。第一种方式主要是为租用云计算系统的企业提供的开发接口，可以使用相应的API接口对租用的资源进行配置和管理。第二种方式则主要针对一般的用户，通过Web形式，经过互联网即可享受云计算服务，实现桌面应用到互联网应用的转变。不同的云计算运营商之间用户访问接口标准存在很大差异，这将限制云计算系统快速发展，所以目前很多IT龙头企业都在积极倡导云计算系统用户访问接口的统一和标准化，从而实现不同云计算平台的无缝通信、服务数据联通乃至为构建统一云奠定坚实的基础。

2 云计算关键技术

云计算平台关键技术主要集中在数据中心管理的相关技术、虚拟化技术、海量数据存储技术、资源管理和调度技术、QoS服务质量保证等，保障云计算平台稳定、可靠地提供服务。

2.1 数据中心相关技术

云计算平台多是对数据进行管理，数据中心管理相关技术是为保障云计算平台能够提供正常服务，其核心设计主要集中在数据中心的网络拓扑结构设计以及快速高效的数据处理和压缩技术，从而为云计算平台提供稳定可靠高速的分布式数据计算，有效提升云计算平台的运算能力。

云计算平台数据中心相关技术具有独特特点，是传统的数据中心无法比拟的。首先，云计算数据中心相关技术在容错性方面有了很大提升，一般是结合大数据思想和相关技术实现对云计算数据存储和管理，能实现对数据的自动维护，对各种异常情况有很强的容错性，能够自动恢复和重新配置，从而保证服务的持续性。其次，云计算平台数据中心管理技术使用分布式存储思想，将海量数据按照一定的策略分布存放在互联网的服务器集群上，从而指数级地提升了数据存储规模，企业无需投入硬件存储成本即可实现对数据的大规模存储和管理。最后，云计算平台采用虚拟化技术，可以实现存储平台规模的无限和无障碍扩展，企业可以根据实际需求在低成本投入的情况下，提升数据平台的高扩展性。

2.2 虚拟化技术

虚拟化技术是一种充分利用硬件资源的技术，在云计算平台中实现互联网上不同硬件设备统一管理和统一分配，是云计算平台的核心技术。传统概念中，硬件和软件是一一对应的，一套硬件设备只能同时支持一套软件操作系统平台完成相关任务。虚拟化技术解决操作系统多用户多任务思想，在操作系统平台与硬件之间搭建一套软件桥梁，从而使得操作系统不再直接与硬件打交道，而是通过虚拟化技术实现应用程序与硬件设备之间的通信。虚拟化技术的应用，使硬件资源成为可动态分配的资源，多个操作系统通过虚拟化技术来动态请求硬件资源，实现了多系统平台同一硬件系统的应用，这也是云计算平台定制化功能和良好扩展性实现的关键技术所在。

虚拟化技术应用在云计算平台具有以下特点：①实现了硬件资源共享，允许多个操作系统或平台分享硬件环境，而彼此之间又相互独立、互不干扰；②资源定制化，虚拟化技术使企业用户可以按照自己的需求，任意定制需要的系统类型、型号、资源数量和配置等，从而在CPU数量、内存和磁盘空间大小等方面满足其根本需求；③虚拟化技术实现了多平台共享硬件资源，提升了硬件资源利用率，提升了投入性价比，减少了资金浪费。

基于云计算虚拟技术，在云平台中可以实现虚拟机快速部署应用以及虚拟机在线迁移功能。

（1）快速部署应用。云计算虚拟机快速部署应用，是通过在云计算平台中构建虚拟机平台的各种模板，同时根据实际的共组需求，在模版中预装各种工具和应用。用户只需要在访问云平台的虚拟机部署中，选择相应的模板和网络配置（可以根据需求选择DHCP和静态IP设置等多种方式），云平台即可在几分钟到十几分钟的时间内自动部署所需要的平台。在使用过程中，用户可以根据需求自动调整CPU数量、内存或磁盘空间大小、配置snapshot或回滚等操作，无需在操作平台上花费太多时间。

（2）在线迁移应用。虚拟机的在线迁移应用是指在操作系统运行状态下，在不同的物理机设备上实现无缝迁移的一种技术。最初的虚拟机在线迁移技术是通过pre-copy的迭代预复制技术来同步迁移虚拟机的，而最新的虚拟机迁移技术在此基础上进行了提升，可以在WAN中快速实现虚拟机迁移。虚拟机在线迁移技术的应用对于云计算系统平台管理意义重大：首先，通过虚拟机在线迁移技术可以很容易针对服务持续性要求，启动系统实现双机运行环境，即在主服务器发生故障或需要维护时，快速将运行的应用移植到另外的物理機上，这将大大提升应用系统的稳定性和可靠性。此外，使用虚拟机在线迁移技术，很容易构建负载均衡机制。通过构建多个同样状态的虚拟机，在某个机器运行负载过重时，即可将其它负载转移到另外的机器上，从而提升应用系统的使用性能。

2.3 海量数据存储技术

云计算系统在平台级别的应用中很多时候是对海量数据进行存储和管理，例如目前的百度云盘、360云盘等，各种网络运营商都在提供自己的云存储服务，云存储服务需要应对大量用户的海量数据存储和管理。在云计算环境中，海量数据存储技术能够保障网络服务供应商的云存储服务有效运行，同时还能保障存储IO的性能以及数据的安全性和可靠性。

不同的云计算系统提供的云存储服务实现技术可能有所不同，但从整体看，其在体系结构、运行机制等方面大同小异。以Google公司的云存储GFS（Google File System）为例说明海量数据存储技术的关键结构，如图2所示。

Google公司的GFS系统分为两大部分：①文件元数据管理的GFS管理节点；②实现数据存储的、分布在互联网络各处的GFS存储服务器。GFS文件系统通过管理节点对各个存储服务器进行管理。在管理节点中，存放了文件存储的地址、具体位置、文件大小等，而存储服务器则是存储用户数据的地方。当用户通过GFS客户端访问云存储进行文件存储或读取时，首先要将文件名通过管理节点进行存储或者索引存储和查询，而后根据管理节点反馈的信息，将相应数据存储到服务器中，或者从存储服务器中读取相应数据到本地客户端。这些操作由GFS文件系统来实现，企业用户就像访问一个存储系统一样，直接实现文件的查询、上传、下载。海量数据存储技术的应用，使得云计算平台能够实现分布式数据的存储和管理，将文件存储和管理的压力分散到互联网的各个服务器，从而有效提升了整个云计算系统的性能和文件IO吞吐率，极大方便了企业用户的使用。

3 结语

云计算平台通过自身的系统框架，为企业用户提供IaaS、PaaS、SaaS服务，通过云计算平台的数据中心相关技术、虚拟化技术以及海量数据存储技术实现各种服务的有效运行，从而降低企业建设成本和维护成本，为企业创造更大效益。

参考文献：

[1]杨燕.云计算技术发展现状及应用探讨[J].硅谷，2015（1）：154-159.

[2]田久乐.当前云计算技术开发的问题与对策研究[J].网络安全技术与应用，2014（2）：26-28.

[3]杨立博.云计算技术发展分析及其应用探讨[J].网络安全技术与应用，2014（4）：235-238.

[4]黄薇.关于对云计算技术的研究与应用[J].佳木斯职业学院学报，2015（4）：29-32.

[5]刘永.云计算技术研究综述[J].软件导刊，2015（9）：4-6.

[6]徐珊.云计算技术与应用综述[J].科技经济市场， 2015（11）：26-29.

[7]李敏.浅谈云计算技术发展现状[J].电子制作， 2014（17）：33-38.

[8]张丽敏.浅析云计算技术的发展及应用[J].电子测试，2014（23）：155-158.

（责任编辑：杜能钢）