云計(jì)算概念、模型和關(guān)鍵技術(shù)

隨著有關(guān)云計(jì)算概念、術(shù)語和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和大量報(bào)道，人們對(duì)在企業(yè)中采用和實(shí)施云計(jì)算技術(shù)的熱情大增。現(xiàn)在人們對(duì)云計(jì)算可能帶來的好處已有所了解，但同時(shí)也應(yīng)該看到，由于云計(jì)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(jì)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(duì)云計(jì)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(jì)算有點(diǎn)像天上的云的感覺：飄忽不定，虛無縹緲。本文認(rèn)為，脫離實(shí)際過分夸大或缺乏全面分析地炒做云計(jì)算不僅可能帶來誤解，也會(huì)使得云計(jì)算的市場(chǎng)實(shí)踐盲目推進(jìn)，對(duì)于云計(jì)算產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的成長(zhǎng)非常不利。事實(shí)上在中國(guó)產(chǎn)業(yè)界有關(guān)云計(jì)算的介紹文章較多，對(duì)云計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)的理性分析文章較少。所以，有必要對(duì)云計(jì)算的由來和概念進(jìn)行了較為全面的梳理和定義，并在此基礎(chǔ)上，分析云計(jì)算的早期技術(shù)模式和業(yè)務(wù)形態(tài)。在總結(jié)云計(jì)算技術(shù)為IT產(chǎn)業(yè)帶來好處的同時(shí)，理性分析其技術(shù)的不足及局限，從而找出云計(jì)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(guó)云計(jì)算的討論多數(shù)集中在早期云計(jì)算的概念、技術(shù)和模式。早期的云計(jì)算是一種動(dòng)態(tài)的、易擴(kuò)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(jì)算模式。用戶不需要了解云技術(shù)內(nèi)部的細(xì)節(jié)，也不必具有云內(nèi)部的專業(yè)知識(shí)，更不需要直接參與、投入、建設(shè)、維護(hù)和控制就能直接按需使用并按用量付費(fèi)。早期的云計(jì)算技術(shù)本質(zhì)特征是采用虛擬技術(shù)使用戶共享一個(gè)共同的物理資源池，但應(yīng)看到虛擬技術(shù)不是云計(jì)算技術(shù)的全部。

早期云計(jì)算的IT資源包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、寬帶、網(wǎng)絡(luò)及安全等資源組件，而數(shù)據(jù)中心是云計(jì)算資源和能力的主要支持和供應(yīng)核心。早期云計(jì)算實(shí)踐結(jié)合了虛擬化技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)、分布式計(jì)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(jì)算的實(shí)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(yùn)行交付的一系列IT應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

盡管人們所普遍熟悉和廣為介紹的這些早期的云計(jì)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(jì)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(jì)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(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)展的視野來分析云計(jì)算下一個(gè)階段的重點(diǎn)。本文認(rèn)為絕大數(shù)企業(yè)和運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心的改造將是云計(jì)算未來發(fā)展的主要任務(wù)：使云計(jì)算技術(shù)更為普遍和更為廣泛地為絕大部分企業(yè)、機(jī)構(gòu)、團(tuán)體和運(yùn)營(yíng)商服務(wù)[1-4]。

早期的云計(jì)算概念、技術(shù)和模式將得以全面拓展，云計(jì)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(dòng)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(jì)算作為一個(gè)新技術(shù)和新的運(yùn)營(yíng)模式正影響著IT產(chǎn)業(yè)的未來走向。

1 云計(jì)算的概念

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用模式大體經(jīng)歷了以大型機(jī)為主體的集中式架構(gòu)(數(shù)據(jù)中心1.0)、以PC機(jī)為主體的客戶/服務(wù)器分布式計(jì)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用模式、技術(shù)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)特征的演變是云計(jì)算發(fā)展的時(shí)代背景。

云計(jì)算由英文Cloud Computing直接翻譯而來。這樣一個(gè)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(jì)算術(shù)語的流行和廣泛使用，有必要對(duì)云計(jì)算的由來和其核心概念簡(jiǎn)略進(jìn)行介紹，以方便理性分析和討論。

云計(jì)算中的“計(jì)算”是一個(gè)簡(jiǎn)單而明確的概念?！坝?jì)算”系指計(jì)算應(yīng)用，在產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)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(tái)之上。由此推而廣之，云計(jì)算中的“計(jì)算”可以泛指一切ICT的融合應(yīng)用。所以，云計(jì)算術(shù)語的關(guān)鍵特征并不在于“計(jì)算”，而在于“云”。

應(yīng)該說，云概念這個(gè)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(xí)慣性地將互聯(lián)網(wǎng)畫成一朵“云”來代表，因?yàn)檫@樣一來，人們可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的技術(shù)細(xì)節(jié)和復(fù)雜機(jī)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(jì)算來代表和體現(xiàn)新型的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算特征和技術(shù)趨勢(shì)就變得非常自然。因此，云計(jì)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(jìn)行重新思考和設(shè)計(jì)。這種改變不僅帶來ICT應(yīng)用平臺(tái)的更新?lián)Q代，而且也帶來ICT應(yīng)用實(shí)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(gè)角度和視角來描述這些新的特征和現(xiàn)象。盡管云計(jì)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(shí)現(xiàn)。為了理論和討論的嚴(yán)謹(jǐn)性，本文給云計(jì)算更為明確而嚴(yán)格的定義：云計(jì)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(tái)，提供規(guī)模化ICT應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方式。

云計(jì)算的實(shí)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(biāo)是一個(gè)逐步演化的過程。比如，Web技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，就具備了云計(jì)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(tái)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(jì)算可以在一個(gè)整合的架構(gòu)上統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。

2 云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)模型

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

比較熟悉的早期云計(jì)算實(shí)踐來之于國(guó)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(tái)，直接按資源占用的時(shí)長(zhǎng)和多少，通過公共互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的“云”?；频挠脩艨梢允莻€(gè)人，也可以是企業(yè)、集體和行政單位?；圃谟⑽睦锸荌aaS，也稱基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。亞馬遜(Amazon)是業(yè)界通過其彈性計(jì)算云(EC2)最早實(shí)施基云的運(yùn)營(yíng)商?；频腎T業(yè)務(wù)將計(jì)算、存儲(chǔ)、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(kù)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(tái)，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(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的“云”。平云可以利用其他基云平臺(tái)，也可以用平云運(yùn)營(yíng)商自己的基云平臺(tái)。平云在英文里是PaaS，也稱平臺(tái)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(jìn)行業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。軟云業(yè)務(wù)可以利用其他的基云和平云平臺(tái)，也可以利用軟云運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(hù)、升級(jí)和管理造成的麻煩，因?yàn)閼?yīng)用程序完全由軟云運(yùn)營(yíng)商集中管理。

云計(jì)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(jì)算的基礎(chǔ)技術(shù)。

基于云計(jì)算的實(shí)踐與運(yùn)營(yíng)案例，可以總結(jié)出云計(jì)算的基本特征：

(1)動(dòng)態(tài)的高可擴(kuò)展性

云技術(shù)使用戶可以隨時(shí)隨地根據(jù)應(yīng)用的需求動(dòng)態(tài)地增減IT資源。由于應(yīng)用運(yùn)行在虛擬平臺(tái)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?dòng)態(tài)伸縮，以滿足特定時(shí)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(yùn)行在虛擬平臺(tái)之上。云計(jì)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(qǐng)求的資源來自于規(guī)模巨大的云平臺(tái)。

(3)高可用性

云平臺(tái)使用數(shù)據(jù)多副本拷貝容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換技術(shù)來保障服務(wù)的高可用性。任何單點(diǎn)物理故障發(fā)生，應(yīng)用都會(huì)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(yùn)行，使用云計(jì)算比使用其他計(jì)算手段的可用性更高。

(4)按需使用，按用付費(fèi)

云業(yè)務(wù)是一個(gè)龐大的資源池，用戶按需購(gòu)買，如同像自來水、電、煤氣那樣計(jì)費(fèi)。無論是短期還是長(zhǎng)期，云計(jì)算的商業(yè)模型都按使用量付費(fèi)。

(5)資源復(fù)用，成本廉價(jià)

由于云計(jì)算采用資源的統(tǒng)計(jì)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(jì)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(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(yùn)營(yíng)商通過公眾的互聯(lián)網(wǎng)對(duì)所有公眾開放的“云”。而單云系指提供相對(duì)單一功能應(yīng)用的云實(shí)現(xiàn)，如搜索應(yīng)用、IT資源應(yīng)用。

早期云計(jì)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(jì)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(jì)算可以充分利用閑置的資源進(jìn)行大量運(yùn)算，同時(shí)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(jì)算資源的可用性和利用率，提升應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)的靈活性和擴(kuò)展性，增強(qiáng)業(yè)務(wù)的可管理性和運(yùn)營(yíng)的性價(jià)比，達(dá)到綠色環(huán)保高效節(jié)能的目標(biāo)。

盡管早期云計(jì)算展現(xiàn)了虛擬技術(shù)的巨大優(yōu)點(diǎn)和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)上的成功。但是早期云計(jì)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(jī)制，而品質(zhì)保障和安全可控機(jī)制對(duì)企業(yè)中的多數(shù)IT應(yīng)用至關(guān)重要。
• 云業(yè)務(wù)的實(shí)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(yùn)營(yíng)商鎖定的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)是盡力而為的技術(shù)模式。另外，早期云計(jì)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(yùn)營(yíng)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(jì)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(dòng)和物聯(lián)應(yīng)用的多媒體應(yīng)用的云計(jì)算平臺(tái)。內(nèi)云(Internal cloud)系指云用戶擁有云的全部資源，云平臺(tái)由用戶自己獨(dú)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(yùn)營(yíng)商共有云的一部分，或兩者的組合。有的文獻(xiàn)將其稱為私有云，不僅不妥而且還容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，故建議稱為專有云。

從現(xiàn)在到未來5年，云計(jì)算技術(shù)主要是面對(duì)企業(yè)、行業(yè)、機(jī)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)商所迫切需要的內(nèi)云或?qū)Ｓ性啤＿@標(biāo)志著云計(jì)算發(fā)展的第二個(gè)黃金時(shí)期。這個(gè)時(shí)期的云計(jì)算的主要任務(wù)是在充分發(fā)揚(yáng)光大云計(jì)算早期技術(shù)的基礎(chǔ)上，使虛擬化技術(shù)在計(jì)算、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)3個(gè)平臺(tái)整合，在早期云計(jì)算優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)之上提供具有品質(zhì)可靠、安全可控、運(yùn)營(yíng)可管的新型云計(jì)算業(yè)務(wù)。目標(biāo)是依賴開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開放的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為企業(yè)、行業(yè)、機(jī)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)商提供具有彩云能力的技術(shù)體系和運(yùn)營(yíng)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(gè)時(shí)期為云計(jì)算發(fā)展的黃金時(shí)期，是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期的云計(jì)算市場(chǎng)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心和IP網(wǎng)絡(luò)的支持。云計(jì)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(jī)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)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(jìn)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(tái)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(zhǎng)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)已不能適合市場(chǎng)需求。在過去的幾年里，一方面服務(wù)器的數(shù)量和存儲(chǔ)的容量等物理資源以每年40%～70%的增速增長(zhǎng)，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(fèi)和冷卻系統(tǒng)的費(fèi)用占整個(gè)數(shù)據(jù)中心費(fèi)用的比重越來越大，有的甚至高達(dá)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(dǎo)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(dá)54%)。這一切都使數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維費(fèi)用越來越大。面對(duì)未來ICT應(yīng)用的增長(zhǎng)，Web2.0應(yīng)用的快速實(shí)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(shì)在必行。

3.2 內(nèi)云架構(gòu)實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)中心能夠?yàn)槎鄠€(gè)用戶所共同使用，讓多用戶的多應(yīng)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，是未來企業(yè)數(shù)據(jù)中心走向云計(jì)算架構(gòu)的目標(biāo)。數(shù)據(jù)中心將在充分借鑒利用早期的云計(jì)算優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，保留數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)好處：品質(zhì)可靠、安全可控、運(yùn)營(yíng)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(jì)算優(yōu)勢(shì)的新型云計(jì)算架構(gòu)就是本文將重點(diǎn)討論的企業(yè)內(nèi)云技術(shù)。