总第245期2010年第3期计算机与数字工程Computer&D ig ital Eng ineer ingV o l.38No.360云计算体系结构及应用实例分析*匡胜徽李勃(昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650051)摘要云计算包含两个方面的基本内容:一、描述用于构造应用程序的基础架构;二、描述建立在这种基础架构之上的应用和扩展服务;针对云计算的体系结构及应用实例,剖析其背后的技术含义以及当前云计算平台所采用的实现方法,进而评析当前云计算的发展状况,探讨实现云计算的技术方案。
关键词云计算;分布式文件系统;基础架构;数据存储与管理;网格计算中图分类号T P393.01A nalysis of Cloud Computing Architecture and its A pplicationKuang Shenghui L i Bo(Schoo l o f Info rmation Eng ineering and A uto mation,Kunming U niv ersity of Science and T echnolog y,K unming650051)A bstract Clo ud computing consists o f tw o basic elements.One is the cloud infr ast ructur e w hich is used to construct the up lay er cloud applicatio ns.T he o ther is the cloud applicatio ns and ex tended serv ices which are built o n the underlying in-fr astructur e.T his paper has analyzed the meaning o f cloud com puting ar chitectur e as well as the systems in enter pr ises. Fr om this paper,r eaders w ill captur e the curr ent status o f clo ud co mputing as well as the major technical solutions of how t o implement cloud co mputing.Key Words clo ud comput ing,distr ibute f ile system,infrastr ucture,data sto rag e and manag ement,gr id computing Class Nu mber T P393.011引言Go ogle、IBM和Amazo n等公司正在大力开发云计算(Cloud Computing)技术,旨在使个人和企业能够通过终端设备更加智能和快速地处理复杂的计算任务,/云0指的是通过互联网实现超级计算能力的资源,未来服务信息的存储方式将打破目前依赖于个人电脑和服务器的现状,软件和数据将主要存放在网络中;由于云计算是开放的标准,任何个人和企业用户都可以利用/云0端的计算和存储能力来完成自己的应用和数据存储,以及在云上做/二次开发0。
因此,云计算在近年来赢得了众多厂商和企业的关注并得到长足的发展。
2云计算概念及特征2.1云计算基本概念目前,/云计算0还没有一个十分确切和统一的定义,较一致的观点认为云计算(或称云端运算)是在极大规模上将可扩展的信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种网络应用模式;是一种动态的、易扩展的且通常是通过高速互联网提供虚拟化的资源计算方式。
它强调了处理无所不在的分布性和社会性)这种新兴的计算模型将任务分布在大量计算机(或具有计算能力的设备)构成的可自我维护和管理的虚拟计算资源池上,使各种应用系统根据需要获取计算能力、存储空间和软硬件服务。
*收稿日期:2009年12月1日,修回日期:2009年12月29日作者简介:匡胜徽,男,硕士研究生,研究方向:智能信息系统。
李勃,男,教授,研究方向:智能信息系统与知识处理、图像处理与模式识别。
2010年第3期计算机与数字工程61云计算将网络上的计算资源(包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等)集中起来并由软件实现自动管理,无需人为参与。
/云0端可在数秒内处理数以千万计甚至亿计的信息,达到和/超级计算机0同样强大的计算效能。
2.2云计算的优势及特征云计算既描述了一种新兴的共享基础架构的方法,又描述了建立在这种基础设施之上的应用和扩展服务。
与网格计算相比,后者的主要思路是通过统一调度、聚合分布的松散耦合资源来组成一台虚拟的具有强大计算能力的/超级计算机0,它侧重于/资源共享,协同工作0,通常用于完成某个特定的科学计算任务或支持挑战性的应用。
而云计算的信息资源相对集中,但不对用户进行集中控制,并能够支持非网格的应用,它强调/需求驱动、按需服务0,以Internet的形式在较高带宽的网络环境下动态地为用户提供底层资源的获取和使用。
因此,云计算与传统的信息技术有着巨大的差异,主要表现在以下几方面:1)超大规模和虚拟化:/云0具有超大的规模, Go ogle、IBM等的/云0拥有数十万甚至上百万台服务器,/云0提供给用户前所未有的超强计算能力; /云0端采用虚拟化技术,支持用户在任何时间和地点,使用简单的终端设备登录并获取/云0端的数据和软件资源,而不必了解应用运行的具体位置。
2)通用性和易扩展性:云计算不针对特定的应用,在/云0的支撑下根据用户的需求构造出多样化的应用,同一个/云0能够同时支撑多个不同的应用;/云0的规模也可以动态伸缩,满足应用环境和用户规模增长的需要。
3)高可靠性和灵活性:/云0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,并支持任意点的恢复;/云0端在扩充资源时能够兼容不同硬件厂商的产品和早期的低配置主机而获得高性能计算。
4)数据与应用共享:在云计算的网络应用模式中,数据只有一份被保存在/云0端,用户接入到网络后能够同时访问和使用同一数据,避免了在不同设备之间进行手工同步的开销。
5)简单的终端和/按需提供服务0:包括应用软件在内,几乎所有的数据都存储到/云0内,终端的功能将会退化;计算能力也将被作为一种商品而流通,企业和用户/按需支付0所购买的服务。
6)高度自治性:通过自动化配置管理服务,能够按需自动调配服务,以及根据应用环境的变化自动增加或减少服务的数量。
3云计算体系结构3.1云计算的基本思想云计算主要关注如何充分地利用互联网上软件、硬件和数据的能力,以及如何更好地使各个计算设备协同工作并发挥最大效用的能力。
其基本思想是/把力量联合起来,给其中的每一个成员使用0,它采用共享基础架构的方法将巨大的系统池连接在一起为用户提供多种IT服务[1]。
通过使计算分布在大量的分布式计算设备上,/云0端被作为数据存储以及应用服务的中心,企业可将云端资源切换到其所需的应用上,根据具体需求来选购相应的计算和存储服务。
3.2云计算体系结构3.2.1云计算体系结构模型/云0是一个由并行的网格所组成的巨大的服务网络,它通过虚拟化技术来扩展云端的计算能力,以使得各个设备发挥最大的效能。
数据的处理及存储均通过/云0端的服务器集群来完成,这些集群由大量普通的工业标准服务器组成,并由一个大型的数据处理中心负责管理,数据中心按客户的需要分配计算资源,达到与超级计算机同等的效果。
图1展示了云计算体系结构的模型,并在文中对相应的实体给出具体描述。
图1云计算体系结构模型1)U ser Interactio n Inter face:用户交互界面,通过终端设备向服务云提出请求。
2)Services Catalog:一个用户能够请求的所有服务目录,可根据自身的需求选择相应的服务。
3)Sy stem M anagement:系统管理,用户管理计算机资源是否可用。
4)Provisio ning T ool:服务提供工具,用于处理终端请求的服务,需要部署服务配置。
5)M onito ring and M etering:监控和测度,对用户服务进行跟踪和测量,并提交给中心服务器分析和统计。
6)Servers:服务云,由系统管理和维护,可能62匡胜徽等:云计算体系结构及应用实例分析第38卷是虚拟服务或者真实的。
在云计算体系结构模型中,前端的用户交互界面(User Interaction Interface)允许用户通过服务目录(Services Catalog)来选择所需的服务,当服务请求发送并验证通过后,由系统管理(System Manage-ment)来找到正确的资源,接着呼叫服务提供工具(Provisioning Tool)来挖掘服务云中的资源。
服务提供工具需要配置正确的服务栈或Web应用[2]。
图2用户获取服务云资源过程云计算同时描述了一种平台以及构建在该平台上的一类应用,图2展示了用户获取/云端0资源的基本过程:/云0端为用户提供扩展的、通过互联网即可访问的、运行于大规模服务器集群的各类Web应用和服务,系统根据需要动态地提供、配置、再配置和解除提供服务器,用户只需基于实际使用的资源来支付相关的服务费用。
3.2.2云存储体系结构模型云存储是在云计算概念上延伸和发展的一种新存储模型,它通过集群应用、网格技术和分布式文件系统等功能,将网络中大量不同类型的网络设备、存储设备、服务器和客户端程序等通过应用软件集合起来协同工作,共同对外提供数据存储和业务访问。
当云计算系统的运算和处理核心为海量数据的存储和管理时,则需配备大量的存储设备,此时云计算系统就转变为一个云存储系统。
因此,云计算系统以数据运算和处理为核心,而云存储系统以数据存储和管理为核心并以超大容量存储空间为特征。
图3展示了云计算和云存储架构模型的对比。
图3云计算与云存储体系结构从架构模型来看,云存储系统比云计算系统多出一个存储层,它是云存储最基础的部分。
存储设备数量庞大并分布在不同地域,彼此之间通过广域网或FC光纤通道网络互联。
所有存储设备均由一个统一存储设备管理系统来维护,以实现设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理,以及硬件设备的状态监控及故障维护[3]。
另外,云存储在基础管理层还增加了数据管理和数据安全等功能,但两者在访问层和应用接口层则是完全相同的。
4云计算应用实例分析在技术实现上,现有的云计算基础架构多使用超大规模的廉价服务器集群,而较少使用性能强劲但价格昂贵的大型服务器;为保证可靠的服务,节点之间的互联一般采用千兆级以太网;同时,为了最大限度地利用/云端0资源和构建完善的应用程序,云计算的底层架构与上层应用多采用/共同设计,协作开发0的策略;此外,云计算还在大量廉价服务器之间使用冗余存储和软件容错技术,确保整个系统的高可靠性和可用性。