云計算概念、模型和關(guān)鍵技術(shù)

隨著有關(guān)云計算概念、術(shù)語和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和大量報道，人們對在企業(yè)中采用和實施云計算技術(shù)的熱情大增。現(xiàn)在人們對云計算可能帶來的好處已有所了解，但同時也應(yīng)該看到，由于云計算概念和技術(shù)比較新穎，涵義比較寬泛，再加上市場上一些人將云計算放大成無所不包、無所不能和無所不在的萬能技術(shù)，因此對云計算的描述和推銷多少出現(xiàn)了一些浮燥和炒做的嫌疑。云計算有點像天上的云的感覺：飄忽不定，虛無縹緲。本文認為，脫離實際過分夸大或缺乏全面分析地炒做云計算不僅可能帶來誤解，也會使得云計算的市場實踐盲目推進，對于云計算產(chǎn)業(yè)在中國的成長非常不利。事實上在中國產(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和概念進行了較為全面的梳理和定義，并在此基礎(chǔ)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(jié)云計算技術(shù)為IT產(chǎn)業(yè)帶來好處的同時，理性分析其技術(shù)的不足及局限，從而找出云計算未來發(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(shù)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態(tài)的、易擴展的、通過互聯(lián)網(wǎng)提供虛擬化IT資源和應(yīng)用的一種計算模式。用戶不需要了解云技術(shù)內(nèi)部的細節(jié)，也不必具有云內(nèi)部的專業(yè)知識，更不需要直接參與、投入、建設(shè)、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)使用戶共享一個共同的物理資源池，但應(yīng)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(shù)據(jù)中心是云計算資源和能力的主要支持和供應(yīng)核心。早期云計算實踐結(jié)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(xiàn)了新興技術(shù)的組合和創(chuàng)新，更代表著業(yè)務(wù)和商業(yè)模式的創(chuàng)新和開拓。早期云計算的實踐不僅影響了IT技術(shù)和架構(gòu)未來的走向，還影響著商業(yè)模式、應(yīng)用開發(fā)、業(yè)務(wù)部署、運行交付的一系列IT應(yīng)用和實現(xiàn)。

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、基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用場景，同時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)展的視野來分析云計算下一個階段的重點。本文認為絕大數(shù)企業(yè)和運營商的數(shù)據(jù)中心的改造將是云計算未來發(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(gòu)、團體和運營商服務(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(tǒng)意義的IT資源和應(yīng)用服務(wù)，而且將支持包括IT、通信、電視、移動和物聯(lián)等一切互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合后的資源和應(yīng)用。毫無疑問，云計算作為一個新技術(shù)和新的運營模式正影響著IT產(chǎn)業(yè)的未來走向。

1 云計算的概念

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

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

云計算中的“計算”是一個簡單而明確的概念。“計算”系指計算應(yīng)用，在產(chǎn)業(yè)和市場中，可以指一切IT應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，一切信息、通信和視頻應(yīng)用也都整合在統(tǒng)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(yīng)用。所以，云計算術(shù)語的關(guān)鍵特征并不在于“計算”，而在于“云”。

應(yīng)該說，云概念這個術(shù)語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)畫成一朵“云”來代表，因為這樣一來，人們可以簡化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的技術(shù)細節(jié)和復(fù)雜機制來方便討論新技術(shù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的全面普及和廣泛深入，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使ICT應(yīng)用架構(gòu)發(fā)生了深刻和根本的改變，于是采用云計算來代表和體現(xiàn)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)語很容易就在業(yè)界流行起來。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為ICT應(yīng)用的基礎(chǔ)，層出不窮的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求也要求ICT理念進行重新思考和設(shè)計。這種改變不僅帶來ICT應(yīng)用平臺的更新?lián)Q代，而且也帶來ICT應(yīng)用實現(xiàn)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角度和視角來描述這些新的特征和現(xiàn)象。盡管云計算的概念和定義很多，但究其本質(zhì)還是為了滿足ICT應(yīng)用和業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。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(gòu)之下，基于IP網(wǎng)絡(luò)的虛擬化資源平臺，提供規(guī)模化ICT應(yīng)用的實現(xiàn)方式。

云計算的實質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)下的應(yīng)用，是由IP和IT技術(shù)共同構(gòu)建的。從發(fā)展的角度來看，“云”的技術(shù)和目標是一個逐步演化的過程。比如，Web技術(shù)出現(xiàn)時，就具備了云計算的應(yīng)用特征有了統(tǒng)一界面的雛形。隨著服務(wù)器應(yīng)用平臺上的虛擬化技術(shù)的成熟和Web統(tǒng)一界面的推出，虛擬化和Web走向結(jié)合，使得云計算可以在一個整合的架構(gòu)上統(tǒng)一實現(xiàn)。

2 云計算的實現(xiàn)模型

如果說“云”的本質(zhì)就是業(yè)務(wù)實現(xiàn)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踐來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特征，但又代表著不同模式的成功云業(yè)務(wù)。

基云系指將IT的基礎(chǔ)設(shè)施作為業(yè)務(wù)平臺，直接按資源占用的時長和多少，通過公共互聯(lián)網(wǎng)進行業(yè)務(wù)實現(xiàn)的“云”。基云的用戶可以是個人，也可以是企業(yè)、集體和行政單位?；圃谟⑽睦锸荌aaS，也稱基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。亞馬遜(Amazon)是業(yè)界通過其彈性計算云(EC2)最早實施基云的運營商。基云的IT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。用戶可以通過操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件(如數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)軟件)使用租來的IT資源。

平云系指將應(yīng)用開發(fā)環(huán)境作為業(yè)務(wù)平臺，將應(yīng)用開發(fā)的接口和工具提供給用戶用于創(chuàng)造新的應(yīng)用，并利用互聯(lián)網(wǎng)和提供商來進行業(yè)務(wù)實現(xiàn)的“云”。平云可以利用其他基云平臺，也可以用平云運營商自己的基云平臺。平云在英文里是PaaS，也稱平臺即服務(wù)。谷歌(Google)通過其AppEngine軟件環(huán)境向應(yīng)用開發(fā)者提供平云業(yè)務(wù)，應(yīng)用開發(fā)者必須采用AppEngine應(yīng)用接口來開發(fā)應(yīng)用。

軟云系指基于基云或平云開發(fā)的軟件。與傳統(tǒng)的套裝軟件不同，軟云是通過互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用來進行業(yè)務(wù)的實現(xiàn)。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商自己的基云和平云環(huán)境。軟云在英文里是SaaS，也稱軟件即服務(wù)。Saleforces.com是最著名的軟云運營商之一，提供企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)應(yīng)用服務(wù)。軟云為用戶省去了套裝軟件安裝、維護、升級和管理造成的麻煩，因為應(yīng)用程序完全由軟云運營商集中管理。

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(gòu)建云計算的基礎(chǔ)技術(shù)。

基于云計算的實踐與運營案例，可以總結(jié)出云計算的基本特征：

(1)動態(tài)的高可擴展性

云技術(shù)使用戶可以隨時隨地根據(jù)應(yīng)用的需求動態(tài)地增減IT資源。由于應(yīng)用運行在虛擬平臺上，沒有事先預(yù)訂的固定資源被鎖定，所以云業(yè)務(wù)量的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮，以滿足特定時期、特定應(yīng)用及用戶規(guī)模變化的需要。

(2)虛擬化的超大規(guī)模

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

(3)高可用性

云平臺使用數(shù)據(jù)多副本拷貝容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換技術(shù)來保障服務(wù)的高可用性。任何單點物理故障發(fā)生，應(yīng)用都會在用戶完全不知情的情況下，轉(zhuǎn)移到其他物理資源上繼續(xù)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)是一個龐大的資源池，用戶按需購買，如同像自來水、電、煤氣那樣計費。無論是短期還是長期，云計算的商業(yè)模型都按使用量付費。

(5)資源復(fù)用，成本廉價

由于云計算采用資源的統(tǒng)計復(fù)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)模式都有一個共同特點，那就是采用共有云(Public cloud)的架構(gòu)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商通過公眾的互聯(lián)網(wǎng)對所有公眾開放的“云”。而單云系指提供相對單一功能應(yīng)用的云實現(xiàn)，如搜索應(yīng)用、IT資源應(yīng)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低廉的計算資源通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起，形成巨大的虛擬資源池來提供單云業(yè)務(wù)。云計算可以充分利用閑置的資源進行大量運算，同時能夠快速調(diào)度資源使用量的增減，靈活應(yīng)變資源用量的遷移和調(diào)配，從而極大地提高計算資源的可用性和利用率，提升應(yīng)用功能實現(xiàn)的靈活性和擴展性，增強業(yè)務(wù)的可管理性和運營的性價比，達到綠色環(huán)保高效節(jié)能的目標。

盡管早期云計算展現(xiàn)了虛擬技術(shù)的巨大優(yōu)點和市場運營上的成功。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(shù)IT應(yīng)用至關(guān)重要。
• 云業(yè)務(wù)的實現(xiàn)模型基于特定的私有協(xié)議，因此云業(yè)務(wù)具有被云運營商鎖定的風險和可能。
• 云業(yè)務(wù)的類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(yīng)用都能在共有云中有效實現(xiàn)。

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(chǔ)設(shè)施沒有任何關(guān)聯(lián)，云業(yè)務(wù)的實現(xiàn)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)幾乎不具備跨運營商遷移的可能性，極大地限制了云的應(yīng)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)和公眾用戶的ICT業(yè)務(wù)。

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

從現(xiàn)在到未來5年，云計算技術(shù)主要是面對企業(yè)、行業(yè)、機構(gòu)和運營商所迫切需要的內(nèi)云或?qū)Ｓ性?。這標志著云計算發(fā)展的第二個黃金時期。這個時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(chǔ)上，使虛擬化技術(shù)在計算、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)3個平臺整合，在早期云計算優(yōu)勢的基礎(chǔ)之上提供具有品質(zhì)可靠、安全可控、運營可管的新型云計算業(yè)務(wù)。目標是依賴開放的技術(shù)標準和開放的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為企業(yè)、行業(yè)、機構(gòu)和運營商提供具有彩云能力的技術(shù)體系和運營模式，為企業(yè)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型和ICT應(yīng)用轉(zhuǎn)向云技術(shù)而努力。之所以稱第二個時期為云計算發(fā)展的黃金時期，是因為這個時期的云計算市場較早期更大，云業(yè)務(wù)范圍更廣。

3 企業(yè)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)演變

無論是公有云還是專有云，都離不開強大的數(shù)據(jù)中心和IP網(wǎng)絡(luò)的支持。云計算發(fā)展下一個階段的主要任務(wù)將集中于企業(yè)、行業(yè)、機構(gòu)和運營商的IT與通信應(yīng)用。所以有必要全面分析目前企業(yè)IT應(yīng)用的需求、數(shù)據(jù)中心技術(shù)演進所面臨的挑戰(zhàn)以及企業(yè)數(shù)據(jù)中心向內(nèi)云轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 企業(yè)傳統(tǒng)IT應(yīng)用架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)

企業(yè)傳統(tǒng)IT應(yīng)用的主體平臺是數(shù)據(jù)中心，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心往往是堆疊架構(gòu)，包括IT資源和分離的IT應(yīng)用。隨著企業(yè)IT應(yīng)用的急速增長，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)已不能適合市場需求。在過去的幾年里，一方面服務(wù)器的數(shù)量和存儲的容量等物理資源以每年40%～70%的增速增長，但另一方面，每個物理資源(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(tǒng)的費用占整個數(shù)據(jù)中心費用的比重越來越大，有的甚至高達25%～30%。物理資源增加還使得數(shù)據(jù)中心的部署越來越復(fù)雜，這導致人為因素成為數(shù)據(jù)中心故障的重要部分(有的甚至高達54%)。這一切都使數(shù)據(jù)中心的運維費用越來越大。面對未來ICT應(yīng)用的增長，Web2.0應(yīng)用的快速實施、部署以及面向業(yè)務(wù)的架構(gòu)(SOA)的發(fā)展，企業(yè)數(shù)據(jù)中心走向內(nèi)云架構(gòu)勢在必行。

3.2 內(nèi)云架構(gòu)實現(xiàn)步驟

讓傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心具有更高物理資源利用率，讓一個數(shù)據(jù)中心能夠為多個用戶所共同使用，讓多用戶的多應(yīng)用動態(tài)地使用同一物理的資源池，而它們之間又有安全的隔離，是未來企業(yè)數(shù)據(jù)中心走向云計算架構(gòu)的目標。數(shù)據(jù)中心將在充分借鑒利用早期的云計算優(yōu)勢的同時，保留數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)好處：品質(zhì)可靠、安全可控、運營可管。這種既具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)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(gòu)就是本文將重點討論的企業(yè)內(nèi)云技術(shù)。