云計算關(guān)鍵技術(shù)及標準化

摘要

分析了云計算關(guān)鍵的技術(shù)，包括虛擬化/分布式文件系統(tǒng)/分布式數(shù)據(jù)庫等，介紹了相關(guān)云方案實現(xiàn)，并對云計算在IETF/ITU等標準組織的最新研究競爭做了說明。

1  引言

云計算并不是一個全新的名稱。1961年，圖靈獎得主John McCarthy提出計算能力將作為一種象水、電一樣的公用事業(yè)提供給用戶。2001年，Google CEO Eric Schmidt在搜索引擎大會上首次提出“云計算”的概念。2004年，Amazon陸續(xù)推出云計算服務(wù)，成為少數(shù)幾個提供99.95％正常運行時間保證的云計算供應(yīng)商之一。2007年，隨著IBM，Google等公司的宣傳，云計算概念開始獲得全球公眾和媒體的廣泛關(guān)注。

云計算目前并沒有統(tǒng)一的定義。根據(jù)Wikipedia，云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。而Berkeley大學則認為云計算是指Internet上以服務(wù)發(fā)布的應(yīng)用以及支撐這些服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的軟件和硬件。

筆者則認為，云計算的概念不僅僅局限于計算，實際上直接稱為“云”更加合適，云的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的按需即取的服務(wù)Service on Demand，包括基于提供計算能力，存儲能力，以及網(wǎng)絡(luò)能力的各種服務(wù)的組合。正是因為服務(wù)的按需即取的特性，需要對應(yīng)于計算能力、存儲能力、交付能力的各種計算資源、存儲資源，以及網(wǎng)絡(luò)資源的按需即取的資源池管理和彈性提供。

從業(yè)務(wù)提供方式上，云可以提供3種業(yè)務(wù)：IaaS將虛擬化的資源直接按需提供給客戶；PaaS在虛擬化的云計算平臺上建立支持多種業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺，再將應(yīng)用接口和開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境提供給外部；SaaS在虛擬化的云計算平臺上提供按需定制和快速部署的應(yīng)用軟件租用服務(wù)。目前，業(yè)界研究最多的是IaaS和PaaS，本文將針對IaaS（對應(yīng)基礎(chǔ)云）和PaaS（對應(yīng)業(yè)務(wù)云）的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)方案以及云的標準化進行闡述。

2  關(guān)鍵技術(shù)

2.1  虛擬化

虛擬化是實現(xiàn)云計算的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示。通過虛擬化技術(shù)可以提高資源的利用率，并能夠根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求的變化，快速、靈活地進行資源部署。

2.1.1   虛擬化平臺架構(gòu)

在云計算環(huán)境中，通過在物理主機中同時運行多個虛擬機實現(xiàn)虛擬化。多個虛擬機運行在虛擬化平臺上，由虛擬化平臺實現(xiàn)對多個虛擬機操作系統(tǒng)的監(jiān)視和多個虛擬機對物理資源的共享。

總的來說，我們認為虛擬化平臺是三層結(jié)構(gòu)，最下層是虛擬化層，提供基本的虛擬化能力支持；中間層是控制執(zhí)行層，提供各控制功能的執(zhí)行能力；最上層是管理層，對執(zhí)行層進行策略管理、控制，提供對虛擬化平臺統(tǒng)一管理的能力。如圖1所示，虛擬化平臺應(yīng)該包含虛擬機監(jiān)視器Hypervisor，虛擬資源的管理，虛擬機遷移，故障恢復(fù)，策略管理（如提供虛擬機自動部署和資源調(diào)配）等功能實體。各部分具體功能描述如下：

圖1  虛擬化平臺功能結(jié)構(gòu)

（1）虛擬機管理：主要保護VM的創(chuàng)建、啟動、停止、遷移、恢復(fù)和刪除等能力，虛擬機映像管理，虛擬機運行環(huán)境的自動配置和快速部署啟動等能力。虛擬機管理可根據(jù)主機節(jié)點/虛擬機的CPU，內(nèi)存，I/O，網(wǎng)絡(luò)等資源使用情況，自動地在不同主機節(jié)點之間遷移VM，使得VM的性能得到保障。也包含主機節(jié)點的失效保護，即當一個主機節(jié)點失效后，該功能實體能將其上的服務(wù)自動轉(zhuǎn)移到其他節(jié)點上繼續(xù)運行。

（2）高可用Cluster：用于保證主機節(jié)點的失效保護，當一個主機節(jié)點失效后，Cluster自動將其上的服務(wù)轉(zhuǎn)移到集群中的其他節(jié)點上繼續(xù)運行。該Cluster還可具有負載均衡和存儲集群的能力。

（3）動態(tài)資源調(diào)配：虛擬存儲、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、配置、修改和刪除等能力。當一個VM的內(nèi)存、外出或網(wǎng)絡(luò)資源不足時，可臨時借用同節(jié)點中其他VM暫時不使用的同類資源。

（4）動態(tài)負載均衡：兼顧能源消耗和工作負載的均衡。根據(jù)策略需要，可開啟/關(guān)閉部分主機節(jié)點，并遷移關(guān)聯(lián)的VM。

（5）管理工具：包含虛擬化平臺需要支持的一套工具，如P2V（Physical to Virtual），V2P（Virtual to Physical），VA（Virtual Application），JEOS（Just enough Operating System）等。

（6）主機安全：用于保證VM運行環(huán)境的安全，包含一組軟件，如anti-virus，IDS等。

2.1.2  虛擬化平臺部署

如圖2所示，在實際部署中，由于Cluster、動態(tài)資源分配、主機安全等與Hypervisor關(guān)系密切，可以作為獨立的軟件部署在主機節(jié)點之中。其他功能都可以集成在一起，形成VM管理器。這樣進行功能分配后，整個虛擬化平臺可以分為兩個軟件包：一是Hypervisor + Host OS軟件包，駐留在主機節(jié)點中；二是VM管理器軟件包。兩者之間的接口將被簡化為配置、簡單控制、查看和監(jiān)控幾類。

圖2  虛擬化平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

運行VM的主機利用Cluster功能組成一個高可用的集群系統(tǒng)，當其中的某個節(jié)點失效時，可無需VM管理器的干涉，自動地將失效節(jié)點上的服務(wù)遷移到其他節(jié)點，并為其重新分配存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，使得服務(wù)不間斷。VM管理可部署在獨立的服務(wù)器上，由其負責對虛擬化平臺的告警、運行狀況監(jiān)控、負載調(diào)整等工作。虛擬化平臺物理部署如圖3所示。

圖3  虛擬化平臺部署圖