云计算的体系架构与关键技术

王黎明

【摘要】云计算是在分布式计算、互联网、大规模数据管理等技术基础上发展起来的一种计算模式，可以将共享的软硬件资源和信息按需提供给计算机和其他设备。本文从云计算的体系结构、特点等方面入手，探讨了云计算的关键技术的研究现状，并展望了云计算未来的发展方向。

【关键词】云计算；体系架构；关键技术

Architecture and Key Technologies of Cloud Computing

Wang Li-ming

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】Cloud computing is a computational model developed on the basis of distributed computing， Internet， and large-scale data management. It can provide shared hardware and software resources and information to computers and other devices on demand. This paper starts from the aspects of the architecture and characteristics of cloud computing， discusses the current situation of the key technology of cloud computing， and looks forward to the future development direction of cloud computing.

【Key words】Cloud computing；Architecture；Key technology

1. 前言

（1）近年來，社交网络、电子商务、在线视频、搜索引擎等新一代大规模互联网应用发展迅速。这些新兴的应用具有数据存储量大、业务增长速度快等特点。据数据统计，在线视频网站优酷网已存储18PB数据，并且每天新增80TB 数据；社交网站Facebook 已超过Google的访问量，数据中心存储了15PB 数据，并且每天需要处理500TB 数据。与此同时，传统企业的软硬件维护成本高昂：在企业的IT 投入中，仅有20% 的投入用于软硬件更新与商业价值的提升，而80% 的投入则用于系统维护。为了解决上述问题，云计算应运而生。

（2）云计算分私有云和公共云。私有云需要用户自己购买硬件设备，自行维护整个系统，所有数据由用户自己管理，云的规模相对比较有限，云计算的高性能和高性价比的优势没有充分体现。公共云的应用中，用户不需要购买设备和自己维护系统，可按需支付费用给云服务提供商， 用户通过网络就可以方便地获取所需的计算、存储等资源，整个服务资源的调度、管理、维护等工作由云服务提供商负责，用户不必关心“云”内部的实现，共公云有着更大的灵活性和成本优势。

2. 云计算体系架构

（1） 核心服务层云计算的核心服务层可以分为基础设施服务层、平台服务层及软件服务层。其中基础设施服务层为云计算提供了硬件基础设施的部署服务， 它能够根据用户需要提供实体或虚拟的计算、存储及网络等资源。在使用该服务层的过程中， 用户需要向服务提供商提供基础设施的配置信息， 运行于基础设施的程序代码以及相关的用户数据。基础设施服务层通过引人虚拟化技术， 能够极大提高服务的可靠性和规模。平台服务层是云计算应用程序的运行环境， 它为云计算提供了部署和管理服务。通过利用相应的软件工具和开发语言， 应用程序开发人员只需要通过上传程序代码及相关数据即可使用相应的服务。不需要关心底层系统的管理问题。平台服务层具有对海量数据的存储和处理能力，能够通过有效的资源管理与调度策略来提高数据的处理效率。软件服务层是基于云计算基础平台所开发的应用程序。企业用户可以通过租用软件服务来解决企业的信息化问题同时， 该服务层能够实现应用程序的互联网转移， 实现应用程序的泛在访问。

（2） 服务管理层服务管理层为云计算的核心服务层的可用性、可靠性及使用安全性提供了保障。服务管理主要包括了对服务质量的保证和安全管理等多个方面的内容。云计算平台规模庞大且具有复杂的系统结构， 很难保证用户所要求的服务质量。对此， 云计算服务提供商与用户进行协商， 制定服务水平协议， 使得服务提供商与用户能够达成统一的质量要求标准。此外， 由于云计算会使用户的所有数据都存储与云端服务器， 这就使用户非常关心数据的安全问题。服务管理层采用资源集中的管理方式使得云计算平台存在单点失效问题。保存在云端的数据可能会因为多种原因发生丢失以及泄漏的危险。根据云计算服务的特点， 研究云计算环境下数据的安全保护技术是保证云计算健康发展的关键所在。

（3） 用户访问接口层用户访问借口实现了云计算服务的泛在访问。它所提供的泛在访问服务既能够为终端设备提供应用程序开发借口， 又能够实现多种服务的组合应用。用户访问接口层中所包含的门户形式， 能够实现桌面程序网互联网的移植， 从而提高程序的易用性， 为用户带来方便， 提高用户的工作效率。

3. 云计算关键技术

（1）虚拟化技术。云计算通过虚拟化技术将离散的硬件资源统一起来以创建共享动态平台， 为用户提供PaaS、SaaS、IaaS服务。目前在云计算中普遍使用三种虚拟机技术：VMware、Xen和Citrix。云计算平台主要采用集中控制方式管理多虚拟机资源，即通过集中控制器管理多个宿主机节点，并利用节点的虚拟机监控器管理其上的虚拟机， 从而实现云计算环境下多虚拟机的集中管理。针对集中管理存在的一些不足，如宿主机节点间缺乏协同交互机制、不能自主触发动态迁移等，刘进军等人提出了一种面向云计算的基于P2P 结构的多虚拟机管理模型， 实现了宿主机节点资源的负载均衡及按需使用。袁文成等人提出一种面向虚拟资源的云计算资源管理机制，通过资源划分策略、资源预留策略实现对虚拟资源的分配， 确保用户对虚拟资源使用的有效性，并提出一种借入/借出调度策略来实现虚拟资源利用率的最大化。H. Andrés Lagar-Cavilla， Joseph A. Whitney 等人提出了Rapid Virtual Machine Cloning for Cloud Computing，提出了虚拟机克隆方法，该方法瞬间可产生多个虚拟机，可以将一个虚拟机快速克隆到云计算集群内不同的物理主机上， 并使在不同的主机上运行的所有副本共享相同的初始状态， 该方法可以根据计算的需要分配资源， 从众多的物理机中创建一个合理大小的虚拟集群，由这个虚拟集群来完成相应的计算，虚拟机克隆使得云计算提供商能够快速有效地部署系统资源。

（2）安全性。在公共云计算环境中，用户不再拥有基础设施的硬件资源，软件都运行在“云”中，用户数据在云服务器端，可被拷贝多份用以容错容灾， 数据安全问题就成为公共云普及中重要的顾虑之一。数据的安全主要受到两个方面的威胁，即外部入侵威胁和内部恶意破坏威胁。目前，云计算安全关键技术主要研究虚拟安全技术、可信访问控制、密文检索与处理、数据存在与可使用性证明、数据隐私保护、云资源访问控制、可信云计算等。现有的安全措施能够保护物理硬件的安全， 记录操作日志及对雇员的监控等， 然而这些安全措施不能保证覆盖到所有安全漏洞及预警安全威胁的發生。

（3）数据存储。云计算中利用服务器集群，采用分布式冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性。目前的云存储系统基本都采用Master/Slave 结构，包括Google 的GFS、Yahoo 采用的HDFS和Amazon 的S3 等，还包括Microsoft 的SkyDrive，Sun 的Honeycomb，HP 的Upline，EMC 的Atoms 等， 其中HDFS，KFS，Sector 为参考GFS 进行实现的开源项目。GFS 是一个分布式文件系统，它能够处理大规模分布式数据。

4. 结束语

云计算具有广阔的发展前景，体系构架及相关的各项关键技术也在不断发展，现代软件应用和商务处理的全球化、信息化和自动化，必将为云计算的研究发展提供广泛的市场和应用背景。云计算所带来的新兴IT 资源共享和应用模式是互联网之后的又一次变革，将给IT 产业特别是软件服务业带来深远影响。

参考文献

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