云計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用

云計(jì)算由Google提出，隨后在互聯(lián)網(wǎng)界風(fēng)起“云”涌，隨之而來(lái)的云計(jì)算服務(wù)和技術(shù)平臺(tái)成功案例層出不窮，如Google的GFS、  MapReduce、Bigtable、Chubby和App  Engine，亞馬遜的Dynamo、EC2、S3、SQS、SimpleDB和CloudFront，微軟的Azure、SQL、“.Net”和  Live服務(wù)，開源云計(jì)算平臺(tái)的HDFS、HBase和Eucalyptus，VMware的虛擬化平臺(tái)等。

1 云計(jì)算的核心技術(shù)

云計(jì)算主要基于資源虛擬和分布式并行架構(gòu)兩大核心技術(shù)，同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)上有大量的開源軟件為用戶提供支撐，如Xen、KVM、Lighttpd、  Memcached、Nginx、Hadoop、Eucalytus等。云計(jì)算技術(shù)有效地節(jié)約了云服務(wù)商的硬件投入、軟件開發(fā)成本和維護(hù)成本。

虛擬化技術(shù)最早由VMware公司引入并在X86  CPU上實(shí)現(xiàn)。虛擬化平臺(tái)將服務(wù)器虛擬為多個(gè)性能可配的虛擬機(jī)(VM)，對(duì)整個(gè)集群系統(tǒng)中所有VM進(jìn)行監(jiān)控和管理，并根據(jù)實(shí)際資源使用情況對(duì)資源池靈活分配和調(diào)度。

分布式并行架構(gòu)是云計(jì)算的另一個(gè)核心技術(shù)，用于將大量的機(jī)器整合為一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，提供海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)。整合后的超級(jí)計(jì)算機(jī)通過(guò)分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和MapReduce技術(shù)，提供海量文件存儲(chǔ)、海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和統(tǒng)一的海量數(shù)據(jù)處理編程方法和運(yùn)行環(huán)境[1-3]。

2 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)主要分為兩個(gè)層面：物理資源池化和資源池管理。其中物理資源池化是把物理設(shè)備由大化小，將一個(gè)物理設(shè)備虛擬為多個(gè)性能可配的最小資源單位;資源池管理是對(duì)集群中虛擬化后的最小資源單位進(jìn)行管理，根據(jù)資源的使用情況和用戶對(duì)資源的申請(qǐng)情況，按照一定的策略對(duì)資源進(jìn)行靈活分配和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)按需分配資源[4-7]。

2.1 物理資源的池化

云計(jì)算平臺(tái)如圖1所示。物理硬件設(shè)備的虛擬化對(duì)象包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全等多個(gè)方面，不同的虛擬化技術(shù)從不同角度解決系統(tǒng)的各種問(wèn)題。

(1)服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化對(duì)服務(wù)器進(jìn)行資源虛擬和池化，將一臺(tái)服務(wù)器虛擬為多個(gè)同構(gòu)的虛擬服務(wù)器，同時(shí)對(duì)集群中的虛擬服務(wù)器資源池進(jìn)行管理。

(2)存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化主要是對(duì)傳統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)、網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)(NAS)設(shè)備進(jìn)行異構(gòu)，將存儲(chǔ)資源按類型統(tǒng)一集中為一個(gè)大容量的存儲(chǔ)資源，并將統(tǒng)一的存儲(chǔ)資源通過(guò)分卷、分目錄的權(quán)限和資源管理方法進(jìn)行池化，然后將虛擬存儲(chǔ)資源分配給各個(gè)應(yīng)用使用，或者是直接分配給最終用戶使用。

(3)網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)虛擬成多個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī)、負(fù)載均衡器等)，并進(jìn)行資源管理，配合虛擬機(jī)和虛擬存儲(chǔ)空間為應(yīng)用提供云服務(wù)。

2.2 資源池的管理和使用

資源池由云管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理、調(diào)度和監(jiān)控，涉及云平臺(tái)的合理使用和維護(hù)管理。云管理平臺(tái)共分為4個(gè)管理層面，分別為：設(shè)備的管理、虛擬資源的管理、服務(wù)的管理和租戶管理。

(1)設(shè)備管理

設(shè)備管理為云計(jì)算平臺(tái)的硬件設(shè)備提供管理和告警功能，主要包括系統(tǒng)管理員在日常的維護(hù)工作中查詢各物理設(shè)備性能情況，并對(duì)如應(yīng)用服務(wù)器的CPU使用率、內(nèi)存使用率、硬盤使用率、網(wǎng)絡(luò)接口使用率、存儲(chǔ)設(shè)備的空間使用率、IO情況等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以根據(jù)應(yīng)用物理設(shè)備的實(shí)際配置，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的監(jiān)控并報(bào)警。

(2)虛擬資源管理

虛擬資源管理為各種應(yīng)用提供虛擬資源的統(tǒng)一管理、資源分配和靈活調(diào)度，同時(shí)還包括系統(tǒng)管理員在日常的維護(hù)工作中查詢各個(gè)最小虛擬資源的性能情況，并對(duì)應(yīng)用虛擬機(jī)的CPU使用率、內(nèi)存使用率、硬盤使用率、網(wǎng)絡(luò)接口使用率，虛擬存儲(chǔ)(如亞馬遜的EBS)的空間使用率、IO情況等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以根據(jù)虛擬資源的實(shí)際配置，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的監(jiān)控并報(bào)警。

(3)服務(wù)管理

服務(wù)管理包括服務(wù)模板、服務(wù)實(shí)例、服務(wù)目錄等管理。服務(wù)管理在虛擬資源的基礎(chǔ)上，快速向租戶提供用戶指定的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等軟件資源。

(4)租戶管理

租戶管理對(duì)每一個(gè)租戶對(duì)應(yīng)的資源群進(jìn)行管理，內(nèi)容包括資源的種類、數(shù)量、分布情況等，同時(shí)對(duì)租戶生命周期進(jìn)行管理，包括租戶的申請(qǐng)、審核、正常、暫停、注銷等。

2.3 集群的故障定位與維護(hù)

Google的集群維護(hù)方式給我們留下了深刻的印象，維護(hù)人員推著小推車對(duì)損壞的機(jī)器進(jìn)行更換，故障定位通過(guò)定制PC的故障燈進(jìn)行判斷(在通用的因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)應(yīng)用中，計(jì)算資源通常使用通用PC機(jī))。目前所有的云平臺(tái)對(duì)物理機(jī)和虛擬機(jī)的監(jiān)控、告警，都是按照機(jī)器的IP地址作為機(jī)器的編號(hào)進(jìn)行管理。對(duì)于承載著虛擬機(jī)的物理機(jī)而言，其Host  OS模塊的IP地址對(duì)應(yīng)和代表著物理機(jī)器在集群中的唯一標(biāo)志。IP地址的分配一般采用兩種方式：采用動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)方式自動(dòng)獲取;通過(guò)手工指定方式確定。由于集群中機(jī)器很多，手工指定工作量非常巨大，因此通常采用DHCP的方式對(duì)IP地址進(jìn)行分配。

但是維護(hù)人員在云管理平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)物理設(shè)備出了故障，維護(hù)人員無(wú)法通過(guò)IP地址對(duì)應(yīng)到故障機(jī)器的具體物理位置，通用的PC機(jī)又沒有故障燈等輔助定位手段。定位故障機(jī)器的物理位置并更換或維護(hù)它成為一個(gè)復(fù)雜和繁瑣的過(guò)程。

在的虛擬化集群中，可以采用簡(jiǎn)單而有效的方法解決此問(wèn)題。對(duì)于每一臺(tái)物理機(jī)器，配置一個(gè)USB接口的KEY，KEY中保存了物理機(jī)器的位置信息，同時(shí) USB  KEY與物理位置直接綁定(如綁在機(jī)架上)。機(jī)器在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)到USB  KEY中讀取物理位置信息，根據(jù)讀取的物理位置信息，依據(jù)固定的算法和物理信息算出機(jī)器的IP地址，并在管理平臺(tái)中體現(xiàn)。這樣，每個(gè)物理機(jī)器的IP地址就與物理位置綁定，在物理機(jī)器故障時(shí)，維護(hù)人員在云管理平臺(tái)可以準(zhǔn)確獲取故障機(jī)器的IP地址和物理位置。

2.4 資源池的分組與異構(gòu)

對(duì)于服務(wù)器的虛擬化，由于架構(gòu)不同，SUN、IBM等廠家的小型機(jī)虛擬化都采用相互獨(dú)立的架構(gòu)，與基于X86架構(gòu)的虛擬化系統(tǒng)(如XEN、KVM等)無(wú)法兼容，因此造成了資源浪費(fèi)。