《信息技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第11章

第十一章云?計(jì)?算?技?術(shù)11.1云計(jì)算的基本概念11.2云計(jì)算的核心技術(shù)`如今，IT技術(shù)行業(yè)正處于一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折階段，雖然這一轉(zhuǎn)折仍處于初期，但它將最終改變我們獲取信息、分享內(nèi)容和相互溝通的方式。這一全新的浪潮將由一種全新的計(jì)算模式所驅(qū)動(dòng)：企業(yè)或個(gè)人將不再需要在電腦中安裝大量套裝軟件，而是通過Web瀏覽器接入到一種大范圍的、按需定制的服務(wù)——我們稱之為“云服務(wù)”。當(dāng)這種轉(zhuǎn)變?nèi)遮吋铀贂r(shí)，IT行業(yè)將會(huì)在引領(lǐng)用戶體驗(yàn)方面發(fā)生根本性的飛躍。什么是云計(jì)算呢？云計(jì)算(CloudComputing)是分布式計(jì)算技術(shù)的一種，其最基本的概念是，通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)分拆成無數(shù)個(gè)較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計(jì)算分析之后再將處理結(jié)果回傳給用戶。稍早之前的大規(guī)模分布式計(jì)算技術(shù)即為“云計(jì)算”的概念起源。

通過云計(jì)算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)處理數(shù)以千萬計(jì)甚至億計(jì)的信息，達(dá)到和“超級(jí)計(jì)算機(jī)”同樣強(qiáng)大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。最簡單的云計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，例如搜尋引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息。11.1云計(jì)算的基本概念未來如手機(jī)、GPS等行動(dòng)裝置都可以通過云計(jì)算技術(shù)，發(fā)展出更多的應(yīng)用服務(wù)。進(jìn)一步的云計(jì)算不僅只做資料搜尋、分析的功能，未來如分析DNA結(jié)構(gòu)、基因圖譜定序、解析癌癥細(xì)胞等，都可以通過這項(xiàng)技術(shù)輕易達(dá)成。

如果僅僅如此，那么云計(jì)算和其他計(jì)算如網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算有何不同呢？云計(jì)算的應(yīng)用并不止這些。網(wǎng)格計(jì)算是針對特定的需求，采用分布式計(jì)算的模式來處理用戶請求，在短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，且結(jié)果不依賴于單個(gè)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)。而云計(jì)算是用戶需要什么資源，在某個(gè)國家級(jí)的地點(diǎn)的云下經(jīng)過協(xié)商、付費(fèi)之后，相應(yīng)地就能獲得什么資源，來解決用戶的“任何”請求，或者是公司的，或者是國家的。此時(shí)當(dāng)請求數(shù)增多的時(shí)候，添加額外的付費(fèi)即可獲得額外的資源來處理用戶的請求，即費(fèi)用是和使用的資源成正比的。也就是說任何需要，云計(jì)算都可以為用戶解決，小到需要使用特定軟件，大到模擬衛(wèi)星的周期軌道，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、公司的管理等。云計(jì)算所能提供的應(yīng)用對人們生活方式的影響可以說包含了用戶能想到的和想不到的。用戶獲得這些資源的方式很簡單，只需要提供合理的費(fèi)用即可。這就是云計(jì)算的威力！11.1.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展概況

云計(jì)算技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的，是伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。由圖11.1可以看出，從1936年圖靈論文開始至2011年的75年間計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變革。1964年實(shí)現(xiàn)了包交換技術(shù)，1965年誕生了超文本技術(shù)，1969年美國軍方廣域網(wǎng)ARPANET誕生，1979年形成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP，1984年互聯(lián)網(wǎng)誕生，隨之1989年出現(xiàn)了萬維網(wǎng)，1993年互聯(lián)網(wǎng)歷史上第一個(gè)獲得普遍使用的網(wǎng)頁瀏覽器出現(xiàn)了，1995年IBM提出了電子商務(wù)，1999年首次提出語義Web，2000年出現(xiàn)了普適計(jì)算。之后2003年網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)入了人們的視線，到2007年云計(jì)算被正式提出。另外，在此期間網(wǎng)絡(luò)地址IP從IPv4到IPv6，從Web1.0到Web3.0，并形成了WebService(網(wǎng)絡(luò)服務(wù))的理念。

圖11.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展示意圖隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾室矎?970年的100kb/s發(fā)展到2010年的1Gb/s，如圖11.2所示。通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了FTTx系列技術(shù)的迅速發(fā)展，100Mb/s的端口速率能夠傳輸1500余路傳統(tǒng)話音(按照PCM編碼速率計(jì)算)，此外無線接入技術(shù)也同樣得到了迅速發(fā)展。如3G達(dá)2Mb/s，WiFi達(dá)11Mb/s，WiMax達(dá)34Mb/s，這些都為泛在的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算提供了基本的接入條件。

圖11.2網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾拾l(fā)展示意圖通信(尤其是光通信和移動(dòng)通信)和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)(尤其是互聯(lián)網(wǎng))比可計(jì)算模型和軟件理論發(fā)展快，且很快滲透到了人類生活中，加快了從圖靈計(jì)算到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的轉(zhuǎn)變。通信發(fā)展的吉爾德速度是微電子發(fā)展的摩爾速度的2～3倍。11.1.2圖靈命題

圖靈(見圖11.3)是英國著名的數(shù)學(xué)家和邏輯學(xué)家，被稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父，是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者，提出了“圖靈機(jī)”和“圖靈測試”等重要概念。圖靈于1936年所寫的傳世論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》主要是回答德國大數(shù)學(xué)家希爾伯特在1900年提出的著名的“23個(gè)數(shù)學(xué)難題”之中的第10個(gè)，問題涉及邏輯的完備性，即是不是所有的數(shù)學(xué)問題在邏輯上都是可解的。這篇論文說，有些數(shù)學(xué)問題是不可解的。這篇論文還提出了自動(dòng)計(jì)算機(jī)的理論模型，這種抽象模型可以把推理化作一系列簡單的機(jī)械動(dòng)作，也就是被稱做圖靈機(jī)的模型，它有許多等價(jià)描述。

圖11.3圖靈20世紀(jì)60年代，圖靈機(jī)模型卻轉(zhuǎn)變成用來說明可計(jì)算能力的模型。為紀(jì)念該文發(fā)表30周年，1966年設(shè)立了“圖靈獎(jiǎng)”，以紀(jì)念這位計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的奠基人。

圖靈機(jī)模型(如圖11.4所示)就是指一個(gè)抽象的機(jī)器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個(gè)一個(gè)的小方格，每個(gè)方格有不同的顏色。有一個(gè)機(jī)器頭在紙帶上移來移去。機(jī)器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個(gè)時(shí)刻，機(jī)器頭都要從當(dāng)前紙帶上讀入一個(gè)方格信息，然后結(jié)合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進(jìn)行移動(dòng)。

圖11.4圖靈機(jī)原型圖靈機(jī)的控制器具有有限個(gè)狀態(tài)。其中有兩類特殊狀態(tài)：開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)(或結(jié)束狀態(tài)集合）。圖靈機(jī)的帶子分成格子，右端可無限延伸，每個(gè)格子上可以寫一個(gè)符號(hào)，圖靈機(jī)有有限個(gè)不同的符號(hào)。圖靈機(jī)的讀寫頭可以沿著帶子左右移動(dòng)，既可掃描符號(hào)，也可寫下符號(hào)。

在計(jì)算過程的每一時(shí)刻，圖靈機(jī)處于某個(gè)狀態(tài)，通過讀寫頭注視帶子某一格子上的符號(hào)。根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)和注視的符號(hào)，機(jī)器執(zhí)行下列動(dòng)作：轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)；把被注視的符號(hào)換成新的符號(hào)；讀寫頭向左或向右移動(dòng)一格。這種由狀態(tài)和符號(hào)對偶決定的動(dòng)作組合稱為指令。例如，指令q1ai│ajq2L表示當(dāng)機(jī)器處在狀態(tài)q1下注視符號(hào)ai時(shí)，將ai換成符號(hào)aj，轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)q2，讀寫頭左移一格。決定機(jī)器動(dòng)作的所有指令表稱為程序。結(jié)束狀態(tài)或指令表中沒有的狀態(tài)、符號(hào)對偶，將導(dǎo)致停機(jī)。在每一時(shí)刻，機(jī)器所處狀態(tài)、帶子上已被寫上符號(hào)的所有格子以及機(jī)器當(dāng)前注視的格子位置，統(tǒng)稱為機(jī)器的格局。圖靈機(jī)從初始格局出發(fā)，按程序一步步把初始格局改造為格局的序列。此過程可能無限制繼續(xù)下去，也可能遇到指令表中沒有列出的狀態(tài)、符號(hào)組合或進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)而停機(jī)。在結(jié)束狀態(tài)下停機(jī)所達(dá)到的格局是最終格局，此最終格局(如果存在)就包含機(jī)器的計(jì)算結(jié)果。

圖靈論題：凡是可計(jì)算的函數(shù)都可以用圖靈機(jī)計(jì)算。11.1.3馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)

馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)組成與工作原理如下：

(1)基本組成：計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。

(2)工作原理：程序輸入到計(jì)算機(jī)中后存儲(chǔ)在內(nèi)存儲(chǔ)器中(存儲(chǔ)原理)，在運(yùn)行時(shí)，控制器按地址順序取出存放在內(nèi)存儲(chǔ)器中的指令(按地址順序訪問指令)，然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，則轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移地址，再按地址順序訪問指令(程序控制)。控制器按照程序順序，逐條把指令和數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中取出并加以執(zhí)行，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。11.1.4互聯(lián)網(wǎng)之父及相關(guān)發(fā)展

互聯(lián)網(wǎng)之父指的是RobertE.Kahn(1938—)和VintonG

.Cerf(1943—)(見圖11.5)。RobertE.Kahn擔(dān)任美國國家研究推進(jìn)機(jī)構(gòu)CNRI董事長，而VintonG

.Cerf則是Google公司副總裁兼首席互聯(lián)網(wǎng)顧問。

RobertE.KahnVintonG.Cerf

圖11.5互聯(lián)網(wǎng)之父由于RobertE.Kahn和VintonG

.Cerf兩人在TCP/IP協(xié)議方面所取得的杰出成就，使他們在2004年榮膺“圖靈獎(jiǎng)”，2005年獲得美國總統(tǒng)頒發(fā)的總統(tǒng)自由勛章。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展不僅推動(dòng)了計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，更改變了人類的生活方式。比如“圖靈獎(jiǎng)”獲得者吉姆·格雷(JimGray)說，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下每18個(gè)月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量等于過去幾千年的數(shù)據(jù)量之和。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在近十年里計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，計(jì)算機(jī)硬件和軟件也得到了迅猛的發(fā)展，但隨之而來的負(fù)面影響也不斷擴(kuò)大。圖11.6給出了Windows操作系統(tǒng)的演化示意圖，由此可以看出Windows操作系統(tǒng)不僅面向公眾，還面向很多的企業(yè)，從而成為“千人一面”的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，軟件規(guī)模也越來越大。

圖11.6Windows操作系統(tǒng)演化的示意圖實(shí)際上，由于Windows操作系統(tǒng)綁定了大量與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的軟件，從而使得其規(guī)模越來越大，如圖11.7所示。

與此同時(shí)，軟件功能的拓展也加大了硬件的擴(kuò)張，圖11.8給出了操作系統(tǒng)的升級(jí)而對硬件配置的要求變化的示意圖。

圖11.7Windows操作系統(tǒng)版本與系統(tǒng)功能增加的示意圖

圖11.8Windows操作系統(tǒng)的升級(jí)而對硬件配置的要求變化的示意圖其實(shí)，軟件功能提升造成的硬件配置升級(jí)，也是使電腦耗能提升，從而造成全球氣候變暖的禍?zhǔn)字弧?/p>

由此可見，計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展過程中的不足催生和推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅促進(jìn)了自身的發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的深化與進(jìn)步。圖11.9給出了從電子郵件變遷看軟件由制造業(yè)到服務(wù)業(yè)的發(fā)展趨勢，這些發(fā)展趨勢與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。用戶不再關(guān)心郵件管理軟件自身，在同一個(gè)賬戶下，用戶可使用網(wǎng)絡(luò)日歷、文檔處理、照片存儲(chǔ)和協(xié)同等多種服務(wù)。想要實(shí)現(xiàn)這種新模式的所有潛能，IT技術(shù)行業(yè)就需要以云計(jì)算為平臺(tái)，在其基礎(chǔ)上去創(chuàng)造那些我們曾經(jīng)暢想過的新

圖11.9從電子郵件變遷看軟件由制造業(yè)到服務(wù)業(yè)的發(fā)展趨勢示意圖服務(wù)和新體驗(yàn)。這就需要有一種新型的核心構(gòu)建模塊來交付這種新服務(wù)內(nèi)容。特別要指出的是，我們需要更先進(jìn)的設(shè)備和更加智能化的網(wǎng)絡(luò)。軟件將會(huì)成為支持這些新型服務(wù)及決定用戶體驗(yàn)品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

目前，很多人的注意力集中于一種模式——“軟件即服務(wù)”。這是一種業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的、通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)軟件按需應(yīng)用的模式。通過這種方式可以為用戶提供眾多的軟件產(chǎn)品，主要是因?yàn)檫@種模式免除了客戶在本地安裝、維護(hù)應(yīng)用的費(fèi)用和麻煩。未來的趨勢是：從用戶的工作生活到娛樂再到不同的社區(qū)，無論在哪里，無論接觸到的是什么，一切事務(wù)都能以一種“服務(wù)”的形態(tài)展現(xiàn)在用戶面前。我們把這種模式稱為“一切皆服務(wù)(everythingasaservice)”，我們相信這將是世界科技發(fā)展的趨勢。個(gè)人用戶可以根據(jù)生活方式去尋求個(gè)性化的云服務(wù)；那些大型的跨國公司，也會(huì)不斷采用基于動(dòng)態(tài)云服務(wù)的產(chǎn)品，以滿足他們最苛刻的按需計(jì)算的需求。

當(dāng)用戶和用戶的智能手機(jī)、筆記本電腦、電視以及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)互動(dòng)的時(shí)候，云計(jì)算的真實(shí)能力將得以展現(xiàn)，所有這些設(shè)備將聯(lián)合起來共同為用戶提供服務(wù)。舉個(gè)簡單的例子：現(xiàn)在是下午2點(diǎn)，您的行程表上顯示您將在下午6點(diǎn)登上去往多倫多的班機(jī)，此時(shí)您的智能設(shè)備將分析出您本次旅行所需要的所有信息，并提前把它們匯總后匯報(bào)給您——多倫多地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)、您所乘坐航班的最新情況、基于最新路況推薦的去機(jī)場的最佳路線，等等。顯然，這個(gè)例子說明，云服務(wù)的本質(zhì)就是廣泛、主動(dòng)、高度個(gè)性化。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

很多人可能會(huì)說，他們在20世紀(jì)90年代，即互聯(lián)網(wǎng)泡沫時(shí)代曾聽過這樣的說法，但不同的是，那時(shí)的Internet速度慢得讓人痛苦，互聯(lián)網(wǎng)能帶給我們的僅限于靜態(tài)頁面。而今天，全球都進(jìn)入了寬帶接入和移動(dòng)化的時(shí)代，我們有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)從訪問靜態(tài)網(wǎng)頁到獲得動(dòng)態(tài)服務(wù)的轉(zhuǎn)變。只有當(dāng)IT完全準(zhǔn)備好之后，這個(gè)轉(zhuǎn)變才能徹底實(shí)現(xiàn)。這個(gè)轉(zhuǎn)變的完成需要我們的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備以及軟件都達(dá)到更高的智能水平。云計(jì)算會(huì)大幅度減少信息技術(shù)的成本，但我們非常清楚——這個(gè)特殊轉(zhuǎn)變的意義將遠(yuǎn)不止于成本節(jié)省。未來幾年中最大的挑戰(zhàn)是，能否徹底、大幅提升用戶體驗(yàn)，只有做到這點(diǎn)，我們才能為技術(shù)行業(yè)創(chuàng)造新的增長點(diǎn)。11.1.5互聯(lián)網(wǎng)與社區(qū)

互聯(lián)網(wǎng)成為人感知和認(rèn)知不可或缺的裝備，使得人的感知能力和認(rèn)知能力掙脫了時(shí)間和距離的束縛，從而得到了極大的延伸；互聯(lián)網(wǎng)成為人與人之間溝通的不可或缺的裝備，使得人與人之間、人與社會(huì)之間的溝通質(zhì)量和效率得到極大的提升；同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)正在向物聯(lián)網(wǎng)滲透?；ヂ?lián)網(wǎng)突破了圖靈機(jī)的范疇，互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算以交互為中心，此計(jì)算機(jī)可以影響彼計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，和物理距離幾乎無關(guān)；CPU只是網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)個(gè)自治節(jié)點(diǎn)中的可計(jì)算部分；節(jié)點(diǎn)可以是異構(gòu)的；節(jié)點(diǎn)之間可存在弱耦合的關(guān)系；集中統(tǒng)一的調(diào)度，順序的、確定的輸入。這些都不能描述互聯(lián)網(wǎng)的工作機(jī)理和交互機(jī)理?；ヂ?lián)網(wǎng)不等同于一臺(tái)虛擬的圖靈機(jī)模型。

互聯(lián)網(wǎng)所提供的一系列平臺(tái)使許多人成功實(shí)現(xiàn)了自我價(jià)值，例如：

·博客(Blog)成為面向公眾的個(gè)人信息發(fā)布系統(tǒng)，還衍生出移動(dòng)博客、圖片博客、微博客等。

·播客(Podcast)成為個(gè)人網(wǎng)絡(luò)廣播站；閃客指用Flash軟件做動(dòng)畫的人；拍客在攝影論壇張貼自己的作品，加入攝影討論；黑客(Hacker)進(jìn)入別人的系統(tǒng)，尋找漏洞，利用漏洞。

·威客(Witkey)是網(wǎng)上“我?guī)腿巳?、人人幫我”的一群人，威客在網(wǎng)站上公開自己的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、能力及能夠提供的服務(wù)，或者提出問題，尋求服務(wù)。

社區(qū)成為了網(wǎng)上從事某種專項(xiàng)事物的人群，或者從事某種專項(xiàng)服務(wù)的領(lǐng)域的代名詞。社區(qū)規(guī)?？纱罂尚。鐓^(qū)主題可粗可細(xì)，社區(qū)門檻可高可低，社區(qū)劃分無窮無盡。社區(qū)的出現(xiàn)巧妙地解決了人工智能中無法解決的常識(shí)知識(shí)的界定和表達(dá)問題。在信息時(shí)代，人人都在社區(qū)之中，人人都在有差異的多個(gè)社區(qū)之中。11.1.6對互聯(lián)網(wǎng)新的認(rèn)識(shí)

互聯(lián)網(wǎng)不是交響樂，沒有總指揮，沒有人為它規(guī)定開始、中間和結(jié)尾，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中有協(xié)議或規(guī)范來定義它的架構(gòu)，但這一架構(gòu)從來沒有完整的規(guī)劃，沒有所謂的頂層設(shè)計(jì)，要有那就是演化。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)告訴我們，互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)等現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)具有下列特性：

·小世界現(xiàn)象；

·無標(biāo)度：二八定律和長尾分布；

·不均勻性(高集聚性)；

·脆弱性和魯棒性并存；

·級(jí)聯(lián)失效和連鎖崩潰。

任何人，作為網(wǎng)絡(luò)的端用戶，其端機(jī)上的資源(計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、軟件資源和信息資源等)和網(wǎng)絡(luò)上的資源相比，都變得微不足道。無論用戶是在進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算、對等計(jì)算還是信息搜索，哪些事情由端機(jī)承擔(dān)、哪些事情由邊緣網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)、哪些事情由核心網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)，這是一個(gè)資源規(guī)劃問題。網(wǎng)絡(luò)資源對一個(gè)特定的在線端用戶而言如何表示？整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源分可為三個(gè)層次，由圖11.10可見，最上面的是計(jì)算資源，即分布在世界各地的大大小小的計(jì)算機(jī)；中間是網(wǎng)絡(luò)的傳輸與交換層，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?；最下面一層是?shù)據(jù)存儲(chǔ)層，即各地的數(shù)據(jù)庫，它存儲(chǔ)著大量我們需要的信息資源。所以，我們需要解決的核心問題就是為信息柵格上的用戶提供如何發(fā)現(xiàn)自己和快速索取所需信息資源的支撐環(huán)境和平臺(tái)組件。

圖11.10資源規(guī)劃示意圖在網(wǎng)絡(luò)上存在以下兩個(gè)極端狀況：

(1)網(wǎng)絡(luò)上沒有任何信息資源，網(wǎng)絡(luò)僅僅實(shí)現(xiàn)即時(shí)的交換，回到傳統(tǒng)通信的交換時(shí)代。所有信息資源都在主計(jì)算機(jī)(虛擬機(jī))上，端機(jī)僅僅是人機(jī)即時(shí)交互，回到傳統(tǒng)的主機(jī)/終端模式。

(2)網(wǎng)格計(jì)算：依托專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，將處于不同地域、不同領(lǐng)域的多個(gè)閑散計(jì)算機(jī)資源組織起來，統(tǒng)一調(diào)度，組成一臺(tái)虛擬的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，完成一個(gè)共同的任務(wù)，如一個(gè)需要大量計(jì)算處理周期和大量數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算問題。

網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)構(gòu)如圖11.11所示。由該圖可以看出，網(wǎng)格系統(tǒng)主要分為四大部分。第一部分稱為系統(tǒng)用戶，它主要是由科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員和普通應(yīng)用人員構(gòu)成的，其實(shí)就是網(wǎng)格計(jì)算用戶，如圖中左側(cè)像電腦的部分。第二部分是智能接口部分，它是連接用戶和網(wǎng)格之間的橋梁，如圖中左側(cè)的“喇叭”部分。第三部分我們稱之為“中間件”，中間件是軟件工具的一種，它主要完成用戶、應(yīng)用商和系統(tǒng)資源之間的信息交換，如圖中管道部分。之所以稱為信息交換，主要是有索取信息的用戶，也有提供各種信息的供應(yīng)商和資源管理者。最后一個(gè)部分就是圖中右側(cè)的“喇叭”所包括的部分，有超級(jí)計(jì)算資源群、網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境和海量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖11.11網(wǎng)格計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)際上，網(wǎng)格計(jì)算就像平常所說的一句話“大家為一人”，而云計(jì)算則是互聯(lián)網(wǎng)上某些節(jié)點(diǎn)強(qiáng)大的信息資源(包括存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源和管理資源)通過云互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)方式，變成廣大用戶所能利用的動(dòng)態(tài)、可伸縮的虛擬資源。云計(jì)算強(qiáng)調(diào)需求驅(qū)動(dòng)、用戶主導(dǎo)、按需服務(wù)、即用即付、用完即散、不對用戶集中控制，用戶不關(guān)心服務(wù)者在什么地方。網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算有兩個(gè)共同點(diǎn)：資源共享和虛擬計(jì)算。當(dāng)然，網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算也有很多不同之處，如表11.1所示。有了云計(jì)算，廣大用戶無需自購軟、硬件，無需將自己的軟、硬件系統(tǒng)交給它人托管，甚至無需知道是誰提供的服務(wù)，只關(guān)注自己真正需要什么樣的資源或者得到什么樣的服務(wù)。對于大量的中小型企業(yè)，不再需要一開始就花費(fèi)大量的投資來購買部署計(jì)算機(jī)軟、硬件設(shè)備和聘用維護(hù)人員；不必?fù)?dān)心因?yàn)楦吖雷陨順I(yè)務(wù)受歡迎的程度而過度部署造成資源浪費(fèi)，或由于對廣受歡迎的業(yè)務(wù)部署不足而錯(cuò)失潛在的客戶。這種不需要額外代價(jià)就能獲得信息資源使用上的柔性、按需獲取，在IT歷史上前所未有。所以，中小型企業(yè)是云計(jì)算的最大受益者，用戶應(yīng)用成本的降低以及應(yīng)用自由度的增加是云計(jì)算帶來的基本驅(qū)動(dòng)力。表11.1網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算的異同網(wǎng)格計(jì)算強(qiáng)調(diào)把電腦嵌入到網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境或日常工具中，讓電腦消失，人們注意的中心回歸到要完成的任務(wù)本身。1991年施樂公司前首席科學(xué)家MarkWeiser提出普適計(jì)算思想。例如，他在辦公室門前建造了一個(gè)噴水池，用噴水量和水柱高度來模擬顯示網(wǎng)絡(luò)上當(dāng)前全球股價(jià)的走勢。網(wǎng)絡(luò)建立起一個(gè)人與人可以充分溝通的公用計(jì)算環(huán)境，把群體智能融入網(wǎng)絡(luò)。

由圖11.12所示的軟件理念變化過程示意圖可以清楚地看出，軟件發(fā)展從軟件定制到云計(jì)算經(jīng)歷了軟件定制、軟件產(chǎn)品、企業(yè)解決方案、面向大眾的成套軟件、網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)和云計(jì)算等幾個(gè)階段，從理念上發(fā)生了根本的變化，即從“以產(chǎn)品帶服務(wù)”向“以服務(wù)帶產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)化。

圖11.12軟件理念變化過程示意圖網(wǎng)絡(luò)可以建立人與人之間充分溝通的公用計(jì)算環(huán)境，把群體智能融入其中。類似于圖片識(shí)別等任務(wù)要轉(zhuǎn)化為圖靈可計(jì)算問題的難度是很大的，因此網(wǎng)絡(luò)環(huán)境出現(xiàn)了可信計(jì)算和可信軟件的研究。又如目前應(yīng)用于搜索引擎上的爬蟲程序搜索的主要是文字資料，還難以真正實(shí)現(xiàn)圖片內(nèi)容搜索。而如果能夠讓用戶參與這種搜索，網(wǎng)絡(luò)連接的就不(只)是計(jì)算機(jī)，還有人。

目前的搜索引擎軟件要判斷圖片內(nèi)容很難，公司不得不雇傭一些人來整理圖片，為其貼上標(biāo)簽。Luis開發(fā)了一個(gè)游戲：網(wǎng)上玩家共同看一張圖，玩家必須給出一個(gè)關(guān)鍵字，另一個(gè)玩家要與之配對，一旦兩邊輸入的關(guān)鍵字一樣就得分，進(jìn)入下一關(guān)。這樣，游戲運(yùn)行一段時(shí)間之后將會(huì)產(chǎn)生大量基本圖片標(biāo)簽。而如果網(wǎng)絡(luò)游戲者都能為這樣的圖片標(biāo)簽系統(tǒng)作貢獻(xiàn)，那么就可以漸漸將整個(gè)圖片的資料庫建立起來。圖11.13給出了一個(gè)圖片標(biāo)簽的樣例，圖左側(cè)是圖片，而右側(cè)則是給出的一組標(biāo)簽。我們可以看出圖片中包括海邊(BEACH)、海(SEA)、人(PEOPLE)、談話(TALKING)、天空(SKY)等。

圖11.13圖片標(biāo)簽的樣例下面我們舉一個(gè)群體智能即通過表示對圖片進(jìn)行分類的例子，要求是根據(jù)圖片內(nèi)容將狗與人相似的兩張圖片分成一類。待分圖片組如圖11.14所示。

圖11.14人與狗待分圖片組

圖11.15人與狗分類圖

圖11.16人狗分類示意圖由圖11.14～圖11.6可以得知，通過群體標(biāo)注，圖片可以如此分類，社區(qū)常識(shí)決定不同社區(qū)有不同標(biāo)注。

那么對文本進(jìn)行群體標(biāo)注會(huì)如何?對視頻圖像進(jìn)行群體標(biāo)注又會(huì)如何?通過標(biāo)注可否實(shí)現(xiàn)跨媒體檢索？這些問題一一呈現(xiàn)在我們的面前，期待著我們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q。這種需求激發(fā)了科學(xué)家創(chuàng)新的動(dòng)力。維基百科的創(chuàng)始人吉米·威爾士(JimmyWales)構(gòu)建了一種新的理念，即大眾既是軟件的使用者，也是軟件的開發(fā)者，既是服務(wù)的消費(fèi)者，也是服務(wù)的提供者，而圖靈沒有考慮過這樣的群體智能產(chǎn)生模式。云計(jì)算正是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源(包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力等)是動(dòng)態(tài)、可伸縮、被虛擬化的，而且以服務(wù)的方式提供。

為什么大家都喜歡云？為什么喜歡用云來比喻呢？因?yàn)樘炜罩写罅吭频螛?gòu)成的云，遠(yuǎn)觀有形、近觀無邊、千姿百態(tài)、飄逸不定，有時(shí)如朵朵棉花、有時(shí)一瀉千里，或淡或濃、或卷或舒、自在灑脫，在長空中飄浮著、聚散著、變幻著，引發(fā)人類諸多遐想，造就了許多不朽的詩句。在量子物理中關(guān)于電子云(ElectronCloud)的定義是，在原子核周圍運(yùn)動(dòng)的電子，沒有一個(gè)確定的軌道，而是以彌漫在空間中的云狀存在，形成一個(gè)概率分布的密度函數(shù)，可用薛定諤波動(dòng)方程來描述。電子云具有概然性、彌漫性、同時(shí)性等特點(diǎn)。

從生態(tài)學(xué)來描述互聯(lián)網(wǎng)：我們把水庫看成云數(shù)據(jù)中心；陽光比作用戶需求；水汽蒸發(fā)看成服務(wù)的發(fā)布；把云滴比做服務(wù)，因?yàn)樗Y(jié)形成云滴；云可看做服務(wù)的聚合，因?yàn)樵频尉奂纬稍?；降水可以看成用戶的按需索取。這樣就形成了一張互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)示意圖，如圖11.17所示。

圖11.17互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)示意圖云計(jì)算的提出有可能導(dǎo)致軟件工程的重大變革，突破圖靈機(jī)模型的束縛——不在于單臺(tái)圖靈機(jī)上的軟件，而在于網(wǎng)絡(luò)上軟件之間的相互作用，從而引發(fā)對計(jì)算機(jī)CPU核、操作系統(tǒng)、交互這三者關(guān)系的再認(rèn)識(shí)。11.1.7未來軟件的三個(gè)新理念

1．軟件——永遠(yuǎn)的beta版

軟件將沒有版本的概念，采用永遠(yuǎn)在用的軟件開發(fā)模式(the“foreverbeta”approachtosoftware)，這種模式已被谷歌公司的Gmail、Gdoc所采用。云計(jì)算淡化了軟件產(chǎn)品的生命周期，服務(wù)商可以無數(shù)次在線更新軟件，而用戶與軟件的互動(dòng)使得軟件向貼近用戶需求的方向演化。

2．軟件即服務(wù)(SaaS)

SaaS改變了操作系統(tǒng)、中間件等作為產(chǎn)品配置在客戶端的傳統(tǒng)，使軟件可以租用；用戶端可以零安裝、零維護(hù)、零剩余；出現(xiàn)同一個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)(如CRM)同時(shí)租給許多不同用戶使用(multi-tenance)的情況。

3．軟件、平臺(tái)和信息基礎(chǔ)設(shè)施都是服務(wù)(PaaS)

PaaS是亞馬遜(Amazon)的一個(gè)虛擬計(jì)算單元(相當(dāng)于1.2GHz的IntelXeon的32位處理器、1.7GB內(nèi)存、160GB存儲(chǔ)器)，付費(fèi)為每小時(shí)0.1美元，在S3上存儲(chǔ)1GB的數(shù)據(jù)每個(gè)月只需0.16美元。

云計(jì)算的核心技術(shù)主要包括兩個(gè)方面，一是虛擬化技術(shù)，二是資源共享。11.2云計(jì)算的核心技術(shù)11.2.1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)早就存在。虛擬內(nèi)存管理使得應(yīng)用程序自認(rèn)為擁有連續(xù)足夠的存儲(chǔ)空間，而無需關(guān)心實(shí)際使用的磁盤、閃存等物理存儲(chǔ)設(shè)備的容量、組合、調(diào)用和管理細(xì)節(jié)，虛擬內(nèi)存是物理內(nèi)存的抽象。分時(shí)操作系統(tǒng)利用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)分別處理多個(gè)不同的任務(wù)，使得一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)可以虛擬為多臺(tái)獨(dú)立的虛擬機(jī)，為不同用戶服務(wù)。

在計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)上，通過一個(gè)中間件(虛擬機(jī)監(jiān)視軟件)支撐其上面的多個(gè)不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行，形成若干表面獨(dú)立的虛擬機(jī)器。虛擬專用網(wǎng)(VPN)是在公共電信設(shè)施(如互聯(lián)網(wǎng))上，建立企業(yè)或團(tuán)體內(nèi)部通信與網(wǎng)絡(luò)的方法，封裝了多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端的傳輸差異性。計(jì)算資源的虛擬化在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代得到了迅速的發(fā)展，用戶以更自然的交互方式、呈現(xiàn)出個(gè)性化服務(wù)的強(qiáng)勁需求：①無需關(guān)心特定應(yīng)用軟件的服務(wù)方式，如是否被他人同時(shí)租用，即云計(jì)算中的SaaS；②無需關(guān)心計(jì)算平臺(tái)的操作系統(tǒng)以及軟件環(huán)境等底層資源的物理配置與管理，即云計(jì)算中的PaaS；③無需關(guān)心計(jì)算中心的地理位置，即云計(jì)算中的IaaS。云計(jì)算中心具有彈性伸縮、資源動(dòng)態(tài)調(diào)配、弱化不同層面資源間的依賴、自容錯(cuò)、自管理等功能。由此可見，計(jì)算資源的虛擬化組織、分配和使用模式，有利于資源合理配置并提高利用率，促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算。

互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下用戶從數(shù)據(jù)共享、信息共享走向服務(wù)共享，服務(wù)共享主要包括三個(gè)方面，即共享計(jì)算能力為主的服務(wù)、共享存儲(chǔ)能力為主的服務(wù)和共享交互能力為主的服務(wù)。在未來云計(jì)算將依托互聯(lián)網(wǎng)，通過端設(shè)備，隨時(shí)隨地獲得個(gè)性化服務(wù)；用戶只需買計(jì)算、買存儲(chǔ)、買帶寬，而不必再自建自己的數(shù)據(jù)中心。在端產(chǎn)品方面，擺脫了傳統(tǒng)配置帶來的系統(tǒng)升級(jí)開銷，端產(chǎn)品更加簡潔、靈活、多樣、個(gè)性化。手機(jī)、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電視機(jī)、上網(wǎng)本、筆記本電腦等功能交叉，差別細(xì)微，將出現(xiàn)更多“四不像”的產(chǎn)品。對于端設(shè)備制造商而言，通過I/O接口連接網(wǎng)絡(luò)的端設(shè)備必須解決廣義的“最后一公里”問題，并要能夠方便地進(jìn)行功能的柔性重組。同一個(gè)端設(shè)備享受網(wǎng)絡(luò)上不同的服務(wù)，不同端設(shè)備享受網(wǎng)絡(luò)上同一種服務(wù)，端設(shè)備通過聯(lián)網(wǎng)服務(wù)定制實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)，不同端設(shè)備可以享受集群服務(wù)。

目前，云計(jì)算的核心理念就是在普通機(jī)器上提供高性能可靠服務(wù)。11.2.2云計(jì)算中心的架構(gòu)

云計(jì)算促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演化，初期的互聯(lián)網(wǎng)支持盡力而為的服務(wù)，“核心簡單，邊緣豐富”。云計(jì)算要求云計(jì)算中心支持社會(huì)化、集約化和專業(yè)化的信息服務(wù)，“網(wǎng)絡(luò)豐富，邊緣簡單，交互智能”。圖11.18所示為云計(jì)算層次結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出，云計(jì)算可分為軟件即服務(wù)層(SaaS)、平臺(tái)即服務(wù)層(PaaS)和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層(IaaS)。

圖11.18云計(jì)算層次結(jié)構(gòu)圖云計(jì)算是全新的基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算理念和模式，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算需要多種技術(shù)結(jié)合，并需要用軟件實(shí)現(xiàn)硬件資源的虛擬化管理和調(diào)度，形成一個(gè)巨大的虛擬化資源池，把存儲(chǔ)于個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備和其他設(shè)備上的大量信息和處理器資源集中在一起，協(xié)同工作。按照最大眾化、最通俗的理解，云計(jì)算就是把計(jì)算資源都放到互聯(lián)網(wǎng)上，互聯(lián)網(wǎng)即是云計(jì)算時(shí)代的云。計(jì)算資源則包括了計(jì)算機(jī)硬件資源(如計(jì)算機(jī)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器集群和硬件服務(wù)等)和軟件資源(如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境和軟件服務(wù))。云計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的云網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和服務(wù)，利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每一個(gè)服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合起來，提供超級(jí)計(jì)算和存儲(chǔ)能力?，F(xiàn)行云計(jì)算中心的通用架構(gòu)就是服務(wù)器累積形成服務(wù)器農(nóng)場，不過這只是暫時(shí)現(xiàn)象，高端服務(wù)器研制和虛擬集群將是云計(jì)算發(fā)展的重要方向，新的高端服務(wù)器產(chǎn)業(yè)鏈、專業(yè)化的計(jì)算中心必然導(dǎo)致云計(jì)算架構(gòu)的多樣化。圖11.19給出了云計(jì)算技術(shù)體系層次結(jié)構(gòu)。

圖11.19云計(jì)算技術(shù)體系層次結(jié)構(gòu)11.2.3云計(jì)算中心承載部分與業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)

1．云計(jì)算中心承載部分的關(guān)鍵技術(shù)

云計(jì)算中心承載部分的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)彈性(可伸縮)計(jì)算：通過調(diào)整資源配置(如服務(wù)器數(shù)目、內(nèi)存和硬盤容量等)和資源調(diào)度方式(如并行化程度)，滿足承載部分的性能隨服務(wù)任務(wù)負(fù)載的增加而平滑變化的計(jì)算能力。

(2)動(dòng)態(tài)重組：在運(yùn)行過程中，改變軟件的組成模塊、結(jié)構(gòu)和配置參數(shù)等，由監(jiān)測、在線故障診斷、重構(gòu)策略執(zhí)行、系統(tǒng)回歸測試等活動(dòng)構(gòu)成。

2．云計(jì)算中心業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)

云計(jì)算中心業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)社區(qū)和虛擬社區(qū)的發(fā)現(xiàn)。

(2)服務(wù)挖掘和服務(wù)聚合。

(3)語義計(jì)算：粒計(jì)算和可變粒計(jì)算。

圖11.20所示為云計(jì)算中心內(nèi)部的生態(tài)鏈?zhǔn)疽鈭D，由圖中可以看出知名軟件服務(wù)商同時(shí)也可以成為其他SaaS供應(yīng)商的基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖11.20云計(jì)算中心內(nèi)部的生態(tài)鏈?zhǔn)疽鈭D11.2