云計算的應用與展望

云計算的應用與展望

0云計算產業(yè)尚處于起步階段,企業(yè)和物近年來，云計算已成為一種廣泛接受的計算模式。工業(yè)界和學術界對云計算的核心概念有了一定的共識,對云計算提供新的服務和消費商業(yè)模式有了基本認同。另外,云計算產業(yè)應用,需要滿足服務質量需求、服務層協(xié)議和標準支撐,得到了普遍認同。鑒于云計算有廣闊應用前景,世界上許多國家都將它列為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略產業(yè),眾多企業(yè)投入大量人力物力開發(fā)云應用產品。然而,云計算產業(yè)尚處于發(fā)展的起步階段。云計算從理論基礎、技術、服務模式和標準化工作等方面都不夠成熟。云計算的發(fā)展需要政府、企業(yè)和科研機構投入人力和物力,進行研究和開發(fā)。本文主要綜述云計算相關技術,著重闡述云計算的基本概念,核心技術和標準化工作,并分析主流的云計算技術應用及發(fā)展趨勢。1云計算的總結1.1云計算的基本特征云計算是一種新型網絡化計算模式,尚缺乏統(tǒng)一的定義。美國NIST的定義是:云計算是一種能夠通過網絡隨時隨地、按需方式、便捷地獲取計算資源(包括網絡、服務器、存儲、應用和服務等)并提高其可用性的模式,這些資源來自一個共享的、可配置的資源池,并能夠以最省力和無人干預的方式獲取和釋放。云計算具有如下5個基本特征:(1)計算能力以服務形式提供:服務的提供者與使用者分離,使用者無需擁有IT資產。(2)基于網絡的計算:可以通過互聯(lián)網獲取各種能力,并可以通過標準方式訪問,以通過眾多瘦客戶端或胖客戶端推廣使用(例如移動電話,筆記本電腦,PDA等)。(3)資源共享:供應商的計算資源被集中,以便以多用戶租用模式服務所有客戶,同時不同的物理和虛擬資源,可根據客戶需求動態(tài)分配和重新分配?？蛻粢话銦o法控制或知道資源的確切位置。這些資源包括存儲、處理器、內存、網絡帶寬和虛擬機器。(4)快速伸縮性:可以快速有彈性地提供計算能力。對客戶來說,可以租用的資源看起來似乎是無限的,并且可在任何時間購買任何數量的資源。(5)用戶根據自身的需求定制服務,支付服務的多少取決于服務內容和服務形式的計量。1.2主體架構sa層和用戶管理方面云計算基于計算資源池,使各種應用系統(tǒng)能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。云計算的參考模型框架,如圖1所示:在功能方面,云計算提供用戶基于云的各種服務,包括軟件即服務(SaaS)、平臺即服務(PaaS)和基礎設施即服務(IaaS)等3個層次,其中,SaaS層的作用是將應用以基于Web的方式提供給客戶,PaaS層的作用是將一個應用的開發(fā)和部署平臺作為服務提供給用戶,而IaaS層的作用是將各種底層的計算(比如虛擬機)和存儲等資源作為服務提供給用戶。從用戶角度而言,這3層服務是獨立的,因為它們提供的服務不同,而且面對的用戶也不盡相同。但從技術角度而言,云服務這3層是有一定依賴關系的。比如一個SaaS層的產品和服務,不僅需要用到SaaS層本身的技術,而且還依賴PaaS層所提供的開發(fā)和部署平臺或者直接部署于IaaS層所提供的計算資源上,而PaaS層的產品和服務,也很有可能構建于IaaS層服務之上。在管理方面,云計算平臺負責整個云計算中心的資源管理、任務管理、用戶管理和安全管理等工作。資源管理,負責均衡地使用云資源節(jié)點,檢測節(jié)點的故障并試圖恢復或屏蔽之,并對資源的使用情況進行監(jiān)視、統(tǒng)計。任務管理,負責執(zhí)行用戶或應用提交的任務,包括完成用戶任務映象(Image)的部署和管理、任務調度、任務執(zhí)行、任務生命期管理等。用戶管理,是實現云計算商業(yè)模式的一個必不可少的環(huán)節(jié),包括提供用戶交互接口、管理和識別用戶身份、創(chuàng)建用戶程序的執(zhí)行環(huán)境、對用戶的使用進行計費等。安全管理,保障云計算設施的整體安全,包括身份認證、訪問授權、綜合防護和安全審計等。2云計算支持技術云計算技術是由眾多技術融合的綜合體,其中主要包括虛擬化技術、資源管理、安全性技術、分布式編程技術及數據存儲技術。2.1基于主機的技術虛擬化是云計算的基石,它有效地分離了硬件與軟件,而云計算則讓人們將精力更加集中在軟件所提供的服務上。在云計算模式中,用戶并不知道私有數據的準確位置,用戶和云計算服務提供商之間進行協(xié)商,由服務提供商來負責管理。各個用戶的私有數據都存儲在“云”中,共享底層的存儲資源。通過增加一個虛擬化層,可以將物理站點用于多個獨立的虛擬機,而這些虛擬機可能由不同的用戶擁有和管理。這項技術可以極大地提高資源利用率,因為低計算需求的任務可以共享一個單獨的物理站點(如服務器)資源。虛擬機的部署和調度還能簡化負載平衡,從而達到云計算的全局性能最優(yōu)化。在云計算模式中,需要實現計算虛擬化、網絡虛擬化和存儲虛擬化3個基本的技術。目前,虛擬化技術的產品主要有:EMC(易安信)廠商的VMware系列虛擬產品,Microsoft(微軟)的VirtualServer、Hyper-V,SUN(微太陽)公司的VirtualBox及Citrix(思捷)公司的XenServer、Xen。虛擬化技術的應用場景,較典型的有:集群服務,小應用隔離,生產、開發(fā)、測試環(huán)境隔離,資源利用管理等等。2.2資源調度服務云計算的資源包括存儲資源、計算資源、網絡資源、基礎設施資源以及其它資源。云計算資源管理系統(tǒng)的基本功能,是接受來自云計算用戶的資源請求,并且把特定的資源分配給資源請求者。合理地調度相應的資源,使請求資源的作業(yè)得以運行。一般而言,云計算資源管理系統(tǒng)應提供4種基本的服務,即資源發(fā)現、資源分發(fā)、資源存儲和資源調度。資源分發(fā)和資源發(fā)現以及資源存儲是資源調度的前提條件,資源調度實施,把所需資源分配到相應的請求上去,包括通過不同結點資源的協(xié)作分配。云計算的資源管理方法,涉及到云存儲架構、計費、資源模型和調度等方面。由于云計算的資源在地理上是分布的,形式上是異構的,并且各個組織和管理域有各自的資源管理策略和不同的訪問代價模型。因此,云計算的資源管理必須處理好存儲架構問題,解決資源部署、監(jiān)控和調度策略等問題。目前無論是VMware還是微軟的產品,對于其他虛擬化軟件的管理都不是很理想的。所以,當應用云計算時,面對龐雜的設備平臺和各種技術,如何有效整合各種資源,是實現云計算的關鍵。2.3大的挑戰(zhàn)及分析安全性是用戶選擇云計算時的首要考慮的因素,也是云計算實現可持續(xù)發(fā)展的關鍵。云計算的開放性、復雜性、按需服務、虛擬化資源池、快速彈性架構和多租戶等特點,也直接影響云計算環(huán)境的安全和相關的安全保護策略。云計算為信息安全領域帶來了巨大的挑戰(zhàn),主要包括:(1)利用虛擬化技術能夠隔離軟件與硬件、應用軟件與底層系統(tǒng)之間的直接依賴關系,能夠提供比操作系統(tǒng)更強的隔離性,然而虛擬化技術也會帶來主機受到破壞及虛擬網絡中斷等安全問題。(2)在云平臺中運行的各類云應用,沒有固定不變的基礎設施,沒有固定不變的安全邊界,難以實現用戶數據安全與隱私的保護。(3)云服務所涉及的資源,由多個管理者所有,存在利益沖突,導致無法統(tǒng)一規(guī)劃部署安全防護措施。目前,由于信息安全領域仍缺乏針對此類問題的充分研究,尚難為安全的云服務提供必要的理論基礎和工具支撐。因此,未來在信息安全學術界與產業(yè)界共同關注及推動下,信息安全領域將圍繞云服務的“安全服務品質協(xié)議”的制定、交付驗證、第三方檢驗等,逐漸發(fā)展形成一種新型的技術體系與管理體系,與之相適應。2.4基于map-roun和drad的編程方法云計算實際上是一種處理大規(guī)模密集型數據的并行分布式計算技術。為了使用戶能更輕松的享受云計算帶來的服務,讓用戶能利用該編程模型編寫簡單的程序來實現特定的目的,云計算上的編程模型必須十分簡單。必須保證后臺復雜的并行執(zhí)行和任務調度向用戶和編程人員透明。當前IT廠商提出的“云”計劃的編程工具,均基于Map-Reduce和Dryad的編程模型。MapReduce是谷歌提出的一個軟件架構,用于大規(guī)模數據集(大于1TB)的并行運算。概念“Map(映射)”和“Reduce(化簡)”及基本思想來自于函數式編程語言。MapReduce的主要思想,是將要執(zhí)行的問題分解成Map和Reduce兩個過程:先通過Map函數將問題分解,并將數據分割成不相關的區(qū)塊,分配給服務器并行處理;再通過Reduce函數將結果歸約匯總輸出。微軟于2010年底發(fā)布的分布式并行計算平臺Dryad,可以使開發(fā)人員在Windows或者.Net平臺上編寫大規(guī)模的并行應用程序模型,并能夠方便地將單機上編寫的程序運行在分布式并行計算平臺上。2.5存儲技術特點云計算系統(tǒng)需要同時滿足大量用戶的需求,并行地為大量用戶提供服務。因此,云計算的數據存儲技術必須具有分布式、高吞吐率和高傳輸率等特點。目前數據存儲技術主要有Google的GFS(GoogleFileSystem,非開源)以及HDFS(HadoopDistributedFileSystem,開源),這兩種技術已經成為事實標準。3云計算的標準化3.1云計算標準六化目前,全球范圍內的云計算標準化工作已經啟動,云計算標準化基本目標是實現云的可移植性(Portability)、可互操作性(Interoperability)和安全性(Security)。具體地講,需要云計算標準化的主要內容有:(1)云計算互相操作和集成標準,涵蓋不同云之間如私有云和公有云之間、公有云和公有云之間、私有云和私有云之間的互操作性和集成接口標準。(2)云計算的服務接口標準和應用程序開發(fā)標準,主要針對的是云計算與業(yè)務層面的交換標準,從業(yè)務層面如何調用、使用云服務。(3)云計算不同層面之間的接口標準,包括架構層、平臺層和應用軟件層之間的接口標準。(4)云計算服務目錄管理、不同云之間無縫遷移的可移植性標準。(5)云計算商業(yè)指標標準,云計算用戶提高資產利用率標準、資源優(yōu)化和性能優(yōu)化、評估性能價格比標準等。(6)云計算架構治理標準,包括設計、規(guī)劃、架構、建模、部署、管理、監(jiān)控、運營支持、質量管理和服務水平協(xié)議的標準。(7)云計算安全和隱私標準,數據的完整性,可用性,保密性,物理上和邏輯上的標準。3.2云計算標準工作現狀國外已經有越來越多的標準組織,開始著手制定云計算及安全標準,以求增強互操作性和安全性,減少重復投資或重新發(fā)明,如ITU-TSG17研究組、結構化信息標準促進組織與分布式管理任務組等都啟動了云計算標準工作。這些標準組織大致可分為3種類型:(1)以DMTF,OGF,SNIA等為代表的傳統(tǒng)IT標準組織或產業(yè)聯(lián)盟,這些標準組織中有一部分原來是專注于網格標準化的,現在轉而進行云計算的標準化工作。(2)以CSA,OCC,CCIF等為代表的專門致力于進行云計算標準化的新興標準組織。(3)以ITU,ISO,IEEE、IETF為代表的傳統(tǒng)電信或互聯(lián)網領域的標準組織。然而,目前唯一一個被批準的云計算標準是OVF.OVF的開發(fā)套件和針對虛擬機(VM)的分布式格式提供給了用戶和一些獨立平臺供應商。它幫助促進可移動性,但是它并沒有提供云計算互操作的全部獨立所需。OVF允許供應商和企業(yè)同應用與操作系統(tǒng)一起打包VM,并可隨需調用任何其他的應用與硬件,這些元數據包括了有關VM鏡像信息,像CPU的核數,所需的內存以及網絡的配置信息。RedHat在2010年向DMTF提交了DeltacloudAPI作為云計算互操作的標準。這是一套開放的API可以被用來在不同私有與公共云供應商之間遷移工作負荷。RedHat把Deltacloud貢獻給了ApacheSoftwareFoundation(Apache軟件基金會)作為一項孵化項目。Deltacloud試圖抽象云供應商和云工具來幫助應用與開發(fā)者,在編寫應用時只需調用簡單的API就可獲得所需響應,從而忽略后臺。結構化信息標準促進組織(OASIS)將云計算看作是SOA和網絡管理模型的自然擴展。在標準化工作方面,OASIS致力于在現有標準的基礎上建立云計算模型、配置文件和擴展相關的標準.現有標準包括安全、訪問和身份策略標準。在我國,已有多個組織開展了云計算標準的研究工作,分別是CCSA、中國電子學會云計算專委會、全國信標委IT服務工作組、SOA標準工作組等。其云計算標準將涉及基礎設施、關鍵技術與產品、測評、運營、安全評價等部分,基本涵蓋了從硬件、軟件到商業(yè)化應用模式的各個環(huán)節(jié)。其中,“分布式關系數據庫服務接口規(guī)范”和“新型網絡操作系統(tǒng)總體技術要求”兩項標準研究課題已正式立項,還有5項標準準備立項。4云計算是新興領域,發(fā)展尚未成熟作為新一代IT變革的核心,云計算的發(fā)展將對整個IT產業(yè)鏈的發(fā)展產生重大影響,包括計算機體系結構、硬件和網絡基礎架構、中間件、操作系統(tǒng)、應用軟件、網絡服務等等。隨著云計算模式的應用普及,將加快軟件服務化進程,促進虛擬化、并行計算、海量存儲與管理等技術的更加成熟和商業(yè)化應用,并加快推進IT產品從生產工具向隨身伴侶;從大型固定設備向微型移動設備;從高價商用產品到底價普及產品;從基于傳統(tǒng)互聯(lián)網到基于新型多通道互聯(lián)網;從終端應用向云計算的方向發(fā)展。云計算仍然處在最初的發(fā)展階段,無論是技術、市場、產業(yè)、應用各層面都很不成熟,面臨諸多問題。整個互聯(lián)網范圍的海量數據的存儲和處理、密集計算、智能化的系統(tǒng)治理等技術方面的難度可想而知。而云計算新模式對法律、監(jiān)管、安全、信任和支付等領域,也帶來了更多新的問題,亟待解決。云計算系統(tǒng)已經成為下一代IT的發(fā)展趨勢,但是關于云系統(tǒng)的安全性、自治性、服務QoS、服務描述發(fā)現、云間交互等方面的研究仍顯不足,仍需要進一步深入研究。云標準對于云計算的發(fā)展至關重要。標準的制定和維護需要全產業(yè)鏈的共同參與,需要政府、云計算相關軟硬件和服務提供商、高校和科研機構,以及最終用戶的共同參與,并做好監(jiān)督和標準實施工作。云計算標準是開放的、國際化