云計算的挑戰(zhàn)與機遇

1、云計算的挑戰(zhàn)與機遇關鍵詞：云計算什么是云計算關于云計算有N種說法。學術界對云計算尚無統(tǒng)一定義，權威機構對云計算的定義也不盡相同。造成對云計算有不同理解的原因有：（1）從事云計算研究的人員具有不同背景（互聯(lián)網(wǎng)服務、網(wǎng)格計算、軟件工程、數(shù)據(jù)庫等），他們從不同角度（業(yè)務、應用、技術、平臺等）來看待云計算；（2）支撐云計算的使能技術（enabling technology）是多種多樣的，并且這些技術仍在不斷發(fā)展變化；（3）云計算的應用規(guī)模還小，其概念并不是人人皆知；（4）媒體對云計算鋪天蓋地地宣傳模糊了其本質；（5）每家企業(yè)和機構對云計算及前景的解析或多或少地結合了企業(yè)自身的業(yè)務方向和現(xiàn)實利益。這些形

2、成了云計算“一個概念，多種表述”的局面。云計算本質上是一種新的提供資源按需租用的服務模式，是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）業(yè)務。它與傳統(tǒng)IDC業(yè)務有相似之處，例如（1）業(yè)務運營模式相似，均提供IT基礎設施資源的租用，盈利模式也以收取租用費為主；（2）目標客戶相似，主要目標客戶均是ICP大量無法自行建立數(shù)據(jù)中心的中小企業(yè)客戶；（3）業(yè)務運營需要的基礎條件相似，都需要建設一定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。但二者的差別在于：（1）租用資源范圍不同。云計算業(yè)務中，提供租用資源的范圍廣泛延伸，不僅是服務器、帶寬，還可以包括存儲系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件平臺、應用軟件和服務等；（2）服

3、務能力不同。云計算業(yè)務提供“彈性”的按需擴鄭緯民清華大學展的資源租用服務；（3）資源透明性不同。在云計算業(yè)務中，用戶并不需要了解資源的物理信息。云計算業(yè)務具有五項特征：基礎資源租用 云計算業(yè)務提供對計算、存儲、網(wǎng)絡、軟件等多種IT基礎設施資源租用的服務。云計算業(yè)務的用戶不需要自己擁有和維護這些資源。按需彈性使用 云計算業(yè)務的用戶能夠按需獲得和使用資源，也能夠按需撤銷和縮減資源。云計算平臺可以按用戶的需求快速部署和提供資源。云計算業(yè)務的付費服務按資源的使用量計費。透明資源訪問 云計算業(yè)務的用戶不需要了解所使用資源的物理位置和配置等信息。自助業(yè)務部署 云計算業(yè)務的用戶利用業(yè)務提供商提供的接口，通過

4、網(wǎng)絡將自己的數(shù)據(jù)和應用程序部署于云計算平臺的后端數(shù)據(jù)中心，而無需服務商的人工配合 。開放公眾服務 云計算業(yè)務用戶所部署的數(shù)據(jù)和應用可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布給其他用戶共享使用，即提供公眾服務。有了云計算，廣大用戶無需自購軟、硬件，甚至無需知道是誰提供的服務，可只關注自己真正需要什么樣的資源或者得到什么樣的服務。這就是云計算。三種形式的“云”按照服務的不同層次，可以將“云”分為三種形式：基礎設施云、平臺云和應用云。這三種“云”對應于：基礎設施即服務（IaaS）用戶將部署處理器、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡及其他基本的計算資源，并按自己的意志運行操作系統(tǒng)和應用程序等軟件。軟件即服務（Saas）一切皆服務（Xaas）平臺

5、即服務（Paas）云計算化基礎設施服務（laas）平臺即服務（PaaS） 用戶采用提供商支持的編程語言和工具編寫好應用程序，然后放到云計算平臺上運行。云計算基礎軟件供應商（Enablers）硬件基礎設施（HW）軟件即服務（SaaS） 提供商在云計算設施上運行程序，用戶通過各種客戶端設備的瘦客戶界面（如網(wǎng)頁瀏覽器、基于網(wǎng)頁的電子郵件）使用這些應用程序。的訪問權限，包括針對此虛擬機的管理員用戶權限。IBM在2007年11月15日推出的藍云計算平臺也屬此類。藍云計算平臺中部署、監(jiān)控、應用服務器、數(shù)據(jù)庫等采用了IBM自己的產(chǎn)品，關鍵功能則全部由開源軟件實現(xiàn)，如大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲使用Hadoop（開源

6、的Map/Reduce實現(xiàn)系統(tǒng)），虛擬化使用開源軟件Xen等。圖1 云計算對應關系基礎設施云云計算的基礎架構一般設在擁有大規(guī)模計算和存儲的數(shù)據(jù)中心?；A設施云以授權服務形式提供計算和存儲能力，核心是將某一個或多個數(shù)據(jù)中心的計算/存儲資源虛擬化，以靈活劃分資源。中小企業(yè)部門也能夠利用原來大型企業(yè)才具備的信息基礎設施，多個應用共享基礎設施還會降低運營成本。基礎設施云基礎架構平臺按功能分為四層：物理設施、虛擬化、資源管理和服務提供。虛擬化物理設施可生成一個高效靈活的資源池；管理層部署、管理、監(jiān)控物理資源和資源池；服務提供層組合管理層的功能提供某種形式的服務。亞馬遜（Amazon）的彈性計算云平臺就是

7、這樣一類基礎設施云，由一組被稱為Amazon AWS服務來實現(xiàn)。Amazon AWS服務包括：EC2虛擬服務器、S3存儲服務（Simple Storage Service，S3）、SQS主機之間的消息隊列服務、SimpleDB數(shù)據(jù)庫。彈性計算云平臺為用戶或者開發(fā)人員提供了一個虛擬的集群環(huán)境。而彈性計算云中的實例是一些真正在運行中的虛擬機服務器，每一個實例代表一個運行中的虛擬機。對于提供給某一個用戶的虛擬機，該用戶具有完整平臺云平臺屏蔽了部署、發(fā)布等應用開發(fā)細節(jié)，可以讓開發(fā)者不再關心后臺大規(guī)模服務器的工作，并且提供了一些支持應用開發(fā)的高層接口以及開發(fā)工具，給開發(fā)者提供一個透明安全、功能強大的運行

8、環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。Google App Engine就是平臺云的典型應用，提供用戶在Google的基礎架構上設計、發(fā)布應用程序的功能。每個免費賬戶都可使用500MB 存儲空間，以及每月約500萬頁面瀏覽量的CPU和寬帶。應用云應用云直接面向最終軟件用戶，常以SaaS形式出現(xiàn)。軟件系統(tǒng)各個模塊可以由用戶自己定制、配置、組裝和測試，最終得到滿足客戶需要的軟件系統(tǒng)，從而降低軟件系統(tǒng)使用、維護、運行和支持成本。Salesforce是一家客戶關系管理軟件服務提供商。顧客通過訂購Salesforce服務，直接通過瀏覽器登錄就可以使用所有功能。Google Apps是谷歌推出的中小企業(yè)套裝軟件，包括電子郵箱、

9、網(wǎng)站（放置在谷歌的服務器上，采用所見即所得的傻瓜式編輯方式）、可以合作編輯的在線Offices（涵蓋常用的Word/powerpoint/excel等應用）、日歷、即時聊天（Gtalk）等。Google Apps所有應用程序后臺均運行在谷歌的基礎信息架構上。十幾位老師，每個人分配200GB硬盤空間，他們可以共享這200GB的空間，放進去的文件可以讓所有老師一起改，一起寫。清華跳水隊也是社區(qū)用戶，隊員可以共享跳水動作錄像等多媒體資料。云存儲系統(tǒng)還為全部的用戶提供共享存儲服務。大家可以共享每門課的課件，只要在網(wǎng)上能看到清華大學這朵存儲云，就可以把自己的PPT下載到本地使用了。雖然現(xiàn)在Corsair

10、規(guī)模增長很快，平均2個多月會增加20TB容量，5萬元人民幣的費用就足夠了。然而要保證數(shù)據(jù)不丟失，還要保證數(shù)據(jù)不被偷走，這個事情做起來比較費勁。數(shù)據(jù)中心的相關技術提供了解決方案。清華云計算平臺近年來，清華大學也采用云計算平臺技術開發(fā)了許多應用，包括云存儲系統(tǒng)Corsair、云計算系統(tǒng)NOVA、云計算客戶端可遷移個性化軟件運行環(huán)境和手機訪問云端。云計算NOVA虛擬化集群 為用戶提供各種按需定制的云計算計算設施，通過瀏覽器使用，可以不改變用戶的使用習慣，實現(xiàn)一鍵式定制使用。虛擬化集群系統(tǒng)解決應用相關環(huán)境設置問題，比如天氣預報系統(tǒng)，要運行在大型集群系統(tǒng)的特定操作系統(tǒng)中，如果更換操作系統(tǒng)內核或其他環(huán)境變

11、量，就可能無法正常運行了。這對于用戶來說非常不便，不能在集群系統(tǒng)中使用其他軟件或版本?，F(xiàn)在虛擬化集群系統(tǒng)里面有各種各樣的操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)的最上層結構做鏡像，形成不同的環(huán)境配置，可以直接拿過來使用。比如，如果需要另外一個Apache軟件云存儲系統(tǒng)Corsair 實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的存儲和共享，提供本地資源和網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一文件管理視圖。Corsair存儲系統(tǒng)有100TB容量，分別放在清華大學中三個不同的地方。它可以為個人用戶提供共享存儲服務，為每個云用戶提供2GB4GB的硬盤空間，清華大學有1萬6千人，每個人都有一朵云上的空間。另外還有社區(qū)用戶，比如清華大學教務處有應用層服務層適配層分布式異構存儲資

12、源層版本，就可以拿來相應的操作系統(tǒng)和軟件，滿足用戶的不同需求。云計算的客戶端可遷移個性化軟件運行環(huán)境 這是一種新的端到云解決方案，用戶無需本地安裝軟件，就能夠直接在客戶端上運行存儲于云端的現(xiàn)有軟件（如現(xiàn)有的Office應用、多媒體播放、網(wǎng)絡應用等桌面軟件）。ext2node1ntfsnode2ext3node3nfsnode4zettanode5移動云計算平臺通過手機訪問云計算平臺 移動互聯(lián)網(wǎng)是未來網(wǎng)絡計算的核圖2 清華大學云存儲系統(tǒng)Corsair系統(tǒng)架構心，預計到2015年，全球將會有近40億用戶使用手機作為移動互聯(lián)網(wǎng)終端，是現(xiàn)有PC機數(shù)量的10倍。許多用戶將把手機作為其訪問互聯(lián)網(wǎng)的主要設備

13、。這種情形很快就會變?yōu)楝F(xiàn)實。移動互聯(lián)網(wǎng)終端應用的推廣，面臨著三個基本限制：（1）網(wǎng)絡終端的安全性和可管理性問題，比如設備更換和丟失頻繁，用戶不具備計算機使用經(jīng)驗等；（2）設備電池容量有限，使移動終端本身的功能和性能受到限制，無法直接運行PC上的傳統(tǒng)應用程序；（3）網(wǎng)絡不穩(wěn)定帶來的連接斷續(xù)和帶寬震蕩問題等。因而移動互聯(lián)網(wǎng)更加需要云計算的支持。對于網(wǎng)絡終端的安全性和可管理性問題，可將數(shù)據(jù)存儲在云上，使數(shù)據(jù)的存放、搜索與讀取更加可靠，利用云計算技術保證了系統(tǒng)的安全性與管理性；將計算放到云上執(zhí)行，擴展了移動終端的能力，同時也降低功耗。移動云計算平臺對客戶端的數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)與應用程序進行網(wǎng)絡化存儲與管理

14、，增強了安全性與管理性；應用程序的云化可以充分利用云端的計算能力；離線支持降低了對網(wǎng)絡的依賴性；減少不必要的通信從而降低了功耗。我認為目前主流的移動應用仍然是本地應用程序，Web應用正在快速發(fā)展，遠程執(zhí)行應用可以作為以上兩種模式有益的補充。未來5年將是本地應用程序與萬維網(wǎng)應用共存的階段。移動云計算平臺必須同時有效支持以上幾類應用模式?，F(xiàn)有移動云計算平臺中，Google ChromeOS支持HTML5和 JavaScript的Web應用，主要用于上網(wǎng)本，由于不需要安裝應用程序，操作系統(tǒng)和瀏覽器可設為只讀，系統(tǒng)具有較好的安全性和管理性。Android采用改進的Java虛擬機提供應用的移植性，內置G

15、mail， GoogleMap客戶端等，主要用于手機。Apple iPhone OS主要用于iPhone和iPad，支持原生應用，速度較快。iPad采用Apple自主研制的A4芯片，軟硬件協(xié)同設計，性能與功耗指標較好。Palm WebOS開發(fā)語言采用HTML + JavaScript，用于Palm手機。清華大學與中國移動卓望公司合作開發(fā)了TNOS 4.0透明計算的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)終端上基于有線和無線網(wǎng)絡，對實例操作系統(tǒng)、應用程序和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化進行管理，保證了系統(tǒng)具有較好的安全性和管理性，可用于上網(wǎng)本和手機。然而，Android、iPhoneOS、WebOS等所有應用程序仍然完全在本地下載

16、安裝，對本機存儲空間要求高，經(jīng)常出現(xiàn)本機無法裝載應用程序的問題，如Google G1手機可安裝程序的空間僅有128MB。應用程序的安全性、升級、版權管理機制復雜，例如無法提供很好的試用、購買體驗。ChromeOS采用瀏覽器作為惟一的應用程序運行平臺，對大量現(xiàn)存的本地原生應用程序無法有效支持，離線體驗差。TNOS 4.0主要在MetaOS層次對系統(tǒng)進行網(wǎng)絡化管理，使用現(xiàn)有的實例操作系統(tǒng)如Windows、Linux。而某些實例操作系統(tǒng)如Windows的應用程序安裝需要注冊表等復雜的全局操作，使得系統(tǒng)安全性和用戶使用的靈活性很難同時保證。理想的移動云計算平臺應對操作系統(tǒng)本身、各種應用和用戶數(shù)據(jù)均能進

17、行透明的網(wǎng)絡化管理，對用戶來說，無需知道自己正在運行那一類應用程序，都可有效支持；無需知道該程序的數(shù)據(jù)和代碼存放的位置；無需關心程序的執(zhí)行地點；無需關心操作系統(tǒng)和程序的安裝、升級、殺毒、卸載等；離線和網(wǎng)絡帶寬較低時仍能提供部分服務。云計算的影響軟件快速向服務模式轉型目前，軟件行業(yè)正由產(chǎn)品銷售向“軟件即服務” 模式發(fā)展，SaaS將成為未來軟件行業(yè)的主流模式。云計算使得信息服務的社會化成為可能，改變了大眾需求，催生了新的市場和新的服務業(yè)。軟件產(chǎn)業(yè)結構也發(fā)生變化，基于內容的信息服務業(yè)所占比重越來越大。單機的系統(tǒng)軟件和中間件所占比重逐漸減小，軟件依附于應用。嵌入式軟件更加個性化、柔性化。接入端設備多元

18、化個性化更多的數(shù)字終端都可接入云計算服務，例如：臺式機、筆機本、上網(wǎng)本、手機、電視機、冰箱等都是接入設備。虛擬化和并行計算將廣泛應用通過并行計算，可以最大程度實現(xiàn)運算資源的集中；而利用虛擬化技術，可將集中化的計算資源用于不同的計算任務，并極大地提高現(xiàn)有計算資源的利用效率。電力供應可以作一個類比。一個發(fā)電機可以為多個用戶供電，也可以多臺發(fā)電機為一個用戶供電。用戶不需要了解發(fā)電機的情況即可使用電力。大學課程清華大學開設了兩門課程：虛擬化技術和海量數(shù)據(jù)處理。其中，海量數(shù)據(jù)處理是清華大學計算機系在本科生大三結束之后的暑假開設的。為了提高學生的實踐能力，特別設置了專業(yè)實踐暑期課程，這門課為期五周，主要是實踐。分布式系統(tǒng)展開詳細地討論，使學生能夠獲得初步的分布式系統(tǒng)的設計概念。在課程設計中，有很強的實踐環(huán)節(jié)，學生通過對真正的分布式系統(tǒng)進行編程獲得實踐經(jīng)驗。學生提交的內容包括：作業(yè)（論文讀后感，思考題等）（占總成績20%）；3個實驗報告（占總成績30%）；大項目