云計算概念、模型和關(guān)鍵技術(shù)

隨著(zhù)有關(guān)云計算概念、術(shù)語(yǔ)和技術(shù)的不斷涌現和大量報道，人們對在企業(yè)中采用和實(shí)施云計算技術(shù)的熱情大增?，F在人們對云計算可能帶來(lái)的好處已有所了解，但同時(shí)也應該看到，由于云計算概念和技術(shù)比較新穎，涵義比較寬泛，再加上市場(chǎng)上一些人將云計算放大成無(wú)所不包、無(wú)所不能和無(wú)所不在的萬(wàn)能技術(shù)，因此對云計算的描述和推銷(xiāo)多少出現了一些浮燥和炒做的嫌疑。云計算有點(diǎn)像天上的云的感覺(jué)：飄忽不定，虛無(wú)縹緲。本文認為，脫離實(shí)際過(guò)分夸大或缺乏全面分析地炒做云計算不僅可能帶來(lái)誤解，也會(huì )使得云計算的市場(chǎng)實(shí)踐盲目推進(jìn)，對于云計算產(chǎn)業(yè)在中國的成長(cháng)非常不利。事實(shí)上在中國產(chǎn)業(yè)界有關(guān)云計算的介紹文章較多，對云計算發(fā)展趨勢的理性分析文章較少。所以，有必要對云計算的由來(lái)和概念進(jìn)行了較為全面的梳理和定義，并在此基礎上，分析云計算的早期技術(shù)模式和業(yè)務(wù)形態(tài)。在總結云計算技術(shù)為IT產(chǎn)業(yè)帶來(lái)好處的同時(shí)，理性分析其技術(shù)的不足及局限，從而找出云計算未來(lái)發(fā)展的突破方向十分必要。

值得一提的是，目前中國云計算的討論多數集中在早期云計算的概念、技術(shù)和模式。早期的云計算是一種動(dòng)態(tài)的、易擴展的、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供虛擬化IT資源和應用的一種計算模式。用戶(hù)不需要了解云技術(shù)內部的細節，也不必具有云內部的專(zhuān)業(yè)知識，更不需要直接參與、投入、建設、維護和控制就能直接按需使用并按用量付費。早期的云計算技術(shù)本質(zhì)特征是采用虛擬技術(shù)使用戶(hù)共享一個(gè)共同的物理資源池，但應看到虛擬技術(shù)不是云計算技術(shù)的全部。

早期云計算的IT資源包括服務(wù)器、存儲、寬帶、網(wǎng)絡(luò )及安全等資源組件，而數據中心是云計算資源和能力的主要支持和供應核心。早期云計算實(shí)踐結合了虛擬化技術(shù)、網(wǎng)格計算技術(shù)、分布式計算技術(shù)，不但體現了新興技術(shù)的組合和創(chuàng )新，更代表著(zhù)業(yè)務(wù)和商業(yè)模式的創(chuàng )新和開(kāi)拓。早期云計算的實(shí)踐不僅影響了IT技術(shù)和架構未來(lái)的走向，還影響著(zhù)商業(yè)模式、應用開(kāi)發(fā)、業(yè)務(wù)部署、運行交付的一系列IT應用和實(shí)現。

盡管人們所普遍熟悉和廣為介紹的這些早期的云計算概念、技術(shù)和模式已經(jīng)商用，并取得一些矚目的成功，但是必須看到，早期的云計算理念和技術(shù)還有極大的局限性。本文分析了早期的云計算理念的由來(lái)、基礎設施、云業(yè)務(wù)適用的模式、商業(yè)模型以及相關(guān)技術(shù)和應用場(chǎng)景，同時(shí)也指出了其局限性及造成局限性的技術(shù)根源，并從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的視野來(lái)分析云計算下一個(gè)階段的重點(diǎn)。本文認為絕大數企業(yè)和運營(yíng)商的數據中心的改造將是云計算未來(lái)發(fā)展的主要任務(wù)：使云計算技術(shù)更為普遍和更為廣泛地為絕大部分企業(yè)、機構、團體和運營(yíng)商服務(wù)[1-4]。

早期的云計算概念、技術(shù)和模式將得以全面拓展，云計算將不僅提供傳統意義的IT資源和應用服務(wù)，而且將支持包括IT、通信、電視、移動(dòng)和物聯(lián)等一切互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合后的資源和應用。毫無(wú)疑問(wèn)，云計算作為一個(gè)新技術(shù)和新的運營(yíng)模式正影響著(zhù)IT產(chǎn)業(yè)的未來(lái)走向。

1 云計算的概念

計算機的應用模式大體經(jīng)歷了以大型機為主體的集中式架構(數據中心1.0)、以PC機為主體的客戶(hù)/服務(wù)器分布式計算架構(數據中心2.0)、以虛擬化技術(shù)為核心面向服務(wù)的體系結構(SOA)及基于Web2.0應用特征的新型架構(數據中心3.0)。計算機的應用模式、技術(shù)架構及實(shí)現特征的演變是云計算發(fā)展的時(shí)代背景。

云計算由英文Cloud Computing直接翻譯而來(lái)。這樣一個(gè)通俗的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，卻難以找到業(yè)界統一的定義。隨著(zhù)云計算術(shù)語(yǔ)的流行和廣泛使用，有必要對云計算的由來(lái)和其核心概念簡(jiǎn)略進(jìn)行介紹，以方便理性分析和討論。

云計算中的“計算”是一個(gè)簡(jiǎn)單而明確的概念?！坝嬎恪毕抵赣嬎銘?，在產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)中，可以指一切IT應用。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的融合，一切信息、通信和視頻應用也都整合在統一的平臺之上。由此推而廣之，云計算中的“計算”可以泛指一切ICT的融合應用。所以，云計算術(shù)語(yǔ)的關(guān)鍵特征并不在于“計算”，而在于“云”。

應該說(shuō)，云概念這個(gè)術(shù)語(yǔ)的誕生和使用純屬偶然。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的早期階段，技術(shù)人員都習慣性地將互聯(lián)網(wǎng)畫(huà)成一朵“云”來(lái)代表，因為這樣一來(lái)，人們可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )內部的技術(shù)細節和復雜機制來(lái)方便討論新技術(shù)。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應用的全面普及和廣泛深入，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使ICT應用架構發(fā)生了深刻和根本的改變，于是采用云計算來(lái)代表和體現新型的網(wǎng)絡(luò )計算特征和技術(shù)趨勢就變得非常自然。因此，云計算這一術(shù)語(yǔ)很容易就在業(yè)界流行起來(lái)。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為ICT應用的基礎，層出不窮的互聯(lián)網(wǎng)應用需求也要求ICT理念進(jìn)行重新思考和設計。這種改變不僅帶來(lái)ICT應用平臺的更新?lián)Q代，而且也帶來(lái)ICT應用實(shí)現和商用模式的創(chuàng )新。這種變化的影響是如此巨大而鮮明，以至于人們可以從多個(gè)角度和視角來(lái)描述這些新的特征和現象。盡管云計算的概念和定義很多，但究其本質(zhì)還是為了滿(mǎn)足ICT應用和業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。為了理論和討論的嚴謹性，本文給云計算更為明確而嚴格的定義：云計算是在整合的架構之下，基于IP網(wǎng)絡(luò )的虛擬化資源平臺，提供規?；疘CT應用的實(shí)現方式。

云計算的實(shí)質(zhì)是網(wǎng)絡(luò )下的應用，是由IP和IT技術(shù)共同構建的。從發(fā)展的角度來(lái)看，“云”的技術(shù)和目標是一個(gè)逐步演化的過(guò)程。比如，Web技術(shù)出現時(shí)，就具備了云計算的應用特征有了統一界面的雛形。隨著(zhù)服務(wù)器應用平臺上的虛擬化技術(shù)的成熟和Web統一界面的推出，虛擬化和Web走向結合，使得云計算可以在一個(gè)整合的架構上統一實(shí)現。

2 云計算的實(shí)現模型

如果說(shuō)“云”的本質(zhì)就是業(yè)務(wù)實(shí)現的方式，那么云計算有哪些新的業(yè)務(wù)模型呢？

比較熟悉的早期云計算實(shí)踐來(lái)之于國際上以亞馬遜、谷歌(Google)和Saleforces.com為代表的公司，并且都提供了具有顯著(zhù)特征，但又代表著(zhù)不同模式的成功云業(yè)務(wù)。

基云系指將IT的基礎設施作為業(yè)務(wù)平臺，直接按資源占用的時(shí)長(cháng)和多少，通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)現的“云”?；频挠脩?hù)可以是個(gè)人，也可以是企業(yè)、集體和行政單位?；圃谟⑽睦锸荌aaS，也稱(chēng)基礎設施即服務(wù)。亞馬遜(Amazon)是業(yè)界通過(guò)其彈性計算云(EC2)最早實(shí)施基云的運營(yíng)商?；频腎T業(yè)務(wù)將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )、安全等原始IT資源以出租形式租給用戶(hù)。用戶(hù)可以通過(guò)操作系統和應用軟件(如數據庫和Web服務(wù)軟件)使用租來(lái)的IT資源。

平云系指將應用開(kāi)發(fā)環(huán)境作為業(yè)務(wù)平臺，將應用開(kāi)發(fā)的接口和工具提供給用戶(hù)用于創(chuàng )造新的應用，并利用互聯(lián)網(wǎng)和提供商來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)現的“云”。平云可以利用其他基云平臺，也可以用平云運營(yíng)商自己的基云平臺。平云在英文里是PaaS，也稱(chēng)平臺即服務(wù)。谷歌(Google)通過(guò)其AppEngine軟件環(huán)境向應用開(kāi)發(fā)者提供平云業(yè)務(wù)，應用開(kāi)發(fā)者必須采用AppEngine應用接口來(lái)開(kāi)發(fā)應用。

軟云系指基于基云或平云開(kāi)發(fā)的軟件。與傳統的套裝軟件不同，軟云是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的應用來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)的實(shí)現。軟云業(yè)務(wù)可以利用其他的基云和平云平臺，也可以利用軟云運營(yíng)商自己的基云和平云環(huán)境。軟云在英文里是SaaS，也稱(chēng)軟件即服務(wù)。Saleforces.com是最著(zhù)名的軟云運營(yíng)商之一，提供企業(yè)資源規劃(ERP)應用服務(wù)。軟云為用戶(hù)省去了套裝軟件安裝、維護、升級和管理造成的麻煩，因為應用程序完全由軟云運營(yíng)商集中管理。

云計算按照層次可將業(yè)務(wù)模式劃分為3層，最頂層是軟云，中間層是平云，底層是基云。在基云之下是構建云計算的基礎技術(shù)。

基于云計算的實(shí)踐與運營(yíng)案例，可以總結出云計算的基本特征：

(1)動(dòng)態(tài)的高可擴展性

云技術(shù)使用戶(hù)可以隨時(shí)隨地根據應用的需求動(dòng)態(tài)地增減IT資源。由于應用運行在虛擬平臺上，沒(méi)有事先預訂的固定資源被鎖定，所以云業(yè)務(wù)量的規?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮，以滿(mǎn)足特定時(shí)期、特定應用及用戶(hù)規模變化的需要。

(2)虛擬化的超大規模

云業(yè)務(wù)的需求和使用與具體的物理資源無(wú)關(guān)，IT應用和業(yè)務(wù)運行在虛擬平臺之上。云計算支持用戶(hù)在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地方、使用任何上網(wǎng)終端獲取應用服務(wù)。用戶(hù)所請求的資源來(lái)自于規模巨大的云平臺。

(3)高可用性

云平臺使用數據多副本拷貝容錯、計算節點(diǎn)同構可互換技術(shù)來(lái)保障服務(wù)的高可用性。任何單點(diǎn)物理故障發(fā)生，應用都會(huì )在用戶(hù)完全不知情的情況下，轉移到其他物理資源上繼續運行，使用云計算比使用其他計算手段的可用性更高。

(4)按需使用，按用付費

云業(yè)務(wù)是一個(gè)龐大的資源池，用戶(hù)按需購買(mǎi)，如同像自來(lái)水、電、煤氣那樣計費。無(wú)論是短期還是長(cháng)期，云計算的商業(yè)模型都按使用量付費。

(5)資源復用，成本廉價(jià)

由于云計算采用資源的統計復用技術(shù)，所以IT物理資源的利用率大為提高，從而使云的業(yè)務(wù)成本大大降低。

早期云計算的業(yè)務(wù)模式都有一個(gè)共同特點(diǎn)，那就是采用共有云(Public cloud)的架構提供單云(Stand-Alone Cloud)業(yè)務(wù)。共有云系指云業(yè)務(wù)的創(chuàng )立、擁有和提供由同一云運營(yíng)商通過(guò)公眾的互聯(lián)網(wǎng)對所有公眾開(kāi)放的“云”。而單云系指提供相對單一功能應用的云實(shí)現，如搜索應用、IT資源應用。

早期云計算采用的技術(shù)理念是將分布在不同物理地點(diǎn)低廉的計算資源通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起，形成巨大的虛擬資源池來(lái)提供單云業(yè)務(wù)。云計算可以充分利用閑置的資源進(jìn)行大量運算，同時(shí)能夠快速調度資源使用量的增減，靈活應變資源用量的遷移和調配，從而極大地提高計算資源的可用性和利用率，提升應用功能實(shí)現的靈活性和擴展性，增強業(yè)務(wù)的可管理性和運營(yíng)的性?xún)r(jià)比，達到綠色環(huán)保高效節能的目標。

盡管早期云計算展現了虛擬技術(shù)的巨大優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)運營(yíng)上的成功。但是早期云計算仍然具有一些局限性：

• 云業(yè)務(wù)的提供缺乏品質(zhì)保障和安全可控機制，而品質(zhì)保障和安全可控機制對企業(yè)中的多數IT應用至關(guān)重要。
• 云業(yè)務(wù)的實(shí)現模型基于特定的私有協(xié)議，因此云業(yè)務(wù)具有被云運營(yíng)商鎖定的風(fēng)險和可能。
• 云業(yè)務(wù)的類(lèi)型受限于若干特定的IT單云業(yè)務(wù)，即不是企業(yè)里的一切IT應用都能在共有云中有效實(shí)現。

造成這種局限的原因是由于目前共有云模型是建立在公眾互聯(lián)網(wǎng)之上，與網(wǎng)絡(luò )的基礎設施沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)，云業(yè)務(wù)的實(shí)現是盡力而為的技術(shù)模式。另外，早期云計算的虛擬技術(shù)基于私有協(xié)議，除了較為低層的基云業(yè)務(wù)外，平云和軟云業(yè)務(wù)幾乎不具備跨運營(yíng)商遷移的可能性，極大地限制了云的應用和業(yè)務(wù)范圍的拓展。這就是為何早期云計算技術(shù)只限于若干特定的IT單云業(yè)務(wù)，而不適用于更廣泛的企業(yè)、行業(yè)和公眾用戶(hù)的ICT業(yè)務(wù)。

彩云(Rich Media Cloud)系指提供包括信息、語(yǔ)音、視頻、移動(dòng)和物聯(lián)應用的多媒體應用的云計算平臺。內云(Internal cloud)系指云用戶(hù)擁有云的全部資源，云平臺由用戶(hù)自己獨用。專(zhuān)有云(Private cloud)系指云用戶(hù)自己可支配和控制的云。專(zhuān)有云可以是用戶(hù)自己的云或租用云運營(yíng)商共有云的一部分，或兩者的組合。有的文獻將其稱(chēng)為私有云，不僅不妥而且還容易產(chǎn)生誤導，故建議稱(chēng)為專(zhuān)有云。

從現在到未來(lái)5年，云計算技術(shù)主要是面對企業(yè)、行業(yè)、機構和運營(yíng)商所迫切需要的內云或專(zhuān)有云。這標志著(zhù)云計算發(fā)展的第二個(gè)黃金時(shí)期。這個(gè)時(shí)期的云計算的主要任務(wù)是在充分發(fā)揚光大云計算早期技術(shù)的基礎上，使虛擬化技術(shù)在計算、應用和網(wǎng)絡(luò )3個(gè)平臺整合，在早期云計算優(yōu)勢的基礎之上提供具有品質(zhì)可靠、安全可控、運營(yíng)可管的新型云計算業(yè)務(wù)。目標是依賴(lài)開(kāi)放的技術(shù)標準和開(kāi)放的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為企業(yè)、行業(yè)、機構和運營(yíng)商提供具有彩云能力的技術(shù)體系和運營(yíng)模式，為企業(yè)數據中心轉型和ICT應用轉向云技術(shù)而努力。之所以稱(chēng)第二個(gè)時(shí)期為云計算發(fā)展的黃金時(shí)期，是因為這個(gè)時(shí)期的云計算市場(chǎng)較早期更大，云業(yè)務(wù)范圍更廣。

3 企業(yè)數據中心架構演變

無(wú)論是公有云還是專(zhuān)有云，都離不開(kāi)強大的數據中心和IP網(wǎng)絡(luò )的支持。云計算發(fā)展下一個(gè)階段的主要任務(wù)將集中于企業(yè)、行業(yè)、機構和運營(yíng)商的IT與通信應用。所以有必要全面分析目前企業(yè)IT應用的需求、數據中心技術(shù)演進(jìn)所面臨的挑戰以及企業(yè)數據中心向內云轉型的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 企業(yè)傳統IT應用架構面臨的挑戰

企業(yè)傳統IT應用的主體平臺是數據中心，而傳統的數據中心往往是堆疊架構，包括IT資源和分離的IT應用。隨著(zhù)企業(yè)IT應用的急速增長(cháng)，傳統的數據中心架構已不能適合市場(chǎng)需求。在過(guò)去的幾年里，一方面服務(wù)器的數量和存儲的容量等物理資源以每年40%～70%的增速增長(cháng)，但另一方面，每個(gè)物理資源(如服務(wù)器)的利用率卻只有10%～25%。物理資源增加使得電費和冷卻系統的費用占整個(gè)數據中心費用的比重越來(lái)越大，有的甚至高達25%～30%。物理資源增加還使得數據中心的部署越來(lái)越復雜，這導致人為因素成為數據中心故障的重要部分(有的甚至高達54%)。這一切都使數據中心的運維費用越來(lái)越大。面對未來(lái)ICT應用的增長(cháng)，Web2.0應用的快速實(shí)施、部署以及面向業(yè)務(wù)的架構(SOA)的發(fā)展，企業(yè)數據中心走向內云架構勢在必行。

3.2 內云架構實(shí)現步驟

讓傳統數據中心具有更高物理資源利用率，讓一個(gè)數據中心能夠為多個(gè)用戶(hù)所共同使用，讓多用戶(hù)的多應用動(dòng)態(tài)地使用同一物理的資源池，而它們之間又有安全的隔離，是未來(lái)企業(yè)數據中心走向云計算架構的目標。數據中心將在充分借鑒利用早期的云計算優(yōu)勢的同時(shí)，保留數據中心的傳統好處：品質(zhì)可靠、安全可控、運營(yíng)可管。這種既具備傳統數據中心的好處，又具備早期的云計算優(yōu)勢的新型云計算架構就是本文將重點(diǎn)討論的企業(yè)內云技術(shù)。