云計算的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀論文
居巍杰
摘要：本文給出了云計算的定義，總結(jié)了云計算的關(guān)鍵技術(shù)，揭示了云計算是多種新技術(shù)的綜合發(fā)展產(chǎn)物，并詳細介紹了云計算的發(fā)展現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：云計算；數(shù)據(jù)存儲；編程模型；云安全
1. 前言
云計算(Cloud Computing)是一種新近提出的計算模式。云計算將待處理的數(shù)據(jù)送到互聯(lián)網(wǎng)上的超級計算機集群中進行計算和處理，把互聯(lián)網(wǎng)變成一種全新的計算平臺，能夠在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)按需購買與按使用付費的業(yè)務(wù)模式。自從云計算的概念提出來以后，立刻引起業(yè)內(nèi)各方極大的關(guān)注，現(xiàn)在已成為信息領(lǐng)域的研究熱點之一。云計算到底是什么？為什么需要云計算？云計算的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？云計算的發(fā)展現(xiàn)狀如何？本文將就上述問題展開敘述。
2. 云計算定義
云計算（Cloud Computing）是由分布式計算（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）、網(wǎng)格計算（Grid Computing）發(fā)展而來的，是一種新興的商業(yè)計算模型。目前，對于云計算的認識在不斷地發(fā)展變化，云計算仍沒有普遍一致的定義。
IBM公司于2007年底宣布了云計算計劃，云計算的概念出現(xiàn)在大眾面前。在IBM的技術(shù)白皮書“Cloud Computing”[1]中的云計算定義：“云計算一詞用來同時描述一個系統(tǒng)平臺或者一種類型的應(yīng)用程序。一個云計算的平臺按需進行動態(tài)地部署(provision)、配置(configuration)、重新配置(reconfigure)以及取消服務(wù)(deprovision)等。在云計算平臺中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器。高級的計算云通常包含一些其他的計算資源，例如存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SANs)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，防火墻以及其他安全設(shè)備等。云計算在描述應(yīng)用方面，它描述了一種可以通過互聯(lián)網(wǎng)Intemet進行訪問的可擴展的應(yīng)用程序。“云應(yīng)用”使用大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心以及功能強勁的服務(wù)器來運行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。任何一個用戶可以通過合適的互聯(lián)嘲接入設(shè)備以及一個標準的瀏覽器就能夠訪問
一個云計算應(yīng)用程序。”
云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式，包含互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用服務(wù)及在數(shù)據(jù)中心提供這些服務(wù)的軟硬件設(shè)施，進行統(tǒng)一的管理和協(xié)同合作。云計算將IT 相關(guān)的能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識以及設(shè)備操作能力的情況下，通過Internet 獲取需要的服務(wù)。
通過對云計算的描述，可以看出云計算具有高可靠性、高擴展性、高可用性、支持虛擬技術(shù)、廉價以及服務(wù)多樣性的特點。現(xiàn)有的云計算實現(xiàn)使用的技術(shù)體現(xiàn)了以下3個方面的特征[2]：
（1）硬件基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在大規(guī)模的廉價服務(wù)器集群之上．與傳統(tǒng)的性能強勁但價格昂貴的大型機不同，云計算的基礎(chǔ)架構(gòu)大量使用了廉價的服務(wù)器集群，特別是x86架構(gòu)的服務(wù)器．節(jié)點之間的巨聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一般也使用普遍的千兆以太網(wǎng)．
（2）應(yīng)用程序與底層服務(wù)協(xié)作開發(fā)，最大限度地利用資源．傳統(tǒng)的應(yīng)用程序建立在完善的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如操作系統(tǒng)之上，利用底層提供的服務(wù)來構(gòu)造應(yīng)用．而云計算為了更好地利用資源，采用了底層結(jié)構(gòu)與上層應(yīng)用共同設(shè)計的方法來完善應(yīng)用程序的構(gòu)建．
（3）通過多個廉價服務(wù)器之問的冗余，使用軟件獲得高可用性．由于使用了廉價的服務(wù)器集群，節(jié)點的失效將不可避免．并且會有節(jié)點同時失效的問題．為此，在軟件設(shè)計上需要考慮節(jié)點之間的容錯問題，使用冗余的節(jié)點獲得高可用性．
3. 云計算關(guān)鍵技術(shù)[3][4]
云計算是一種新興的計算模式，其發(fā)展離不開自身獨特的技術(shù)和所涉及的一系列其他傳統(tǒng)技術(shù)的支持，并借助SaaS/PaaS/IaaS 等先進的商業(yè)模式把這強大的計算能力分布到終端用戶手中。
（1）虛擬化技術(shù)
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，它是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實硬件的基礎(chǔ)上運行。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，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡；同時與硬件無關(guān)的特性帶來系統(tǒng)自愈功能，提升系統(tǒng)的可靠性。在云計算實現(xiàn)中，計算系統(tǒng)虛擬化是一切建立在“云”上的服務(wù)與應(yīng)用的基礎(chǔ)。虛擬化技術(shù)目前主要應(yīng)用在CPU、操作系統(tǒng)、
服務(wù)器等多個方面，是提高服務(wù)效率的最佳解決方案。
（2） 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)
為保證高可用性、高可靠性和經(jīng)濟性，云計算采用分布式存儲的方式來存儲數(shù)據(jù)，采用冗余存儲的方式來保證存儲數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲多個副本。這樣用戶就無需考慮存儲容量、數(shù)據(jù)存儲位置以及數(shù)據(jù)的安全性和可靠性等問題。
另外，云計算系統(tǒng)需要同時滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。因此，云計算的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點。云計算的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的主要代表有谷歌的GFS（Google File System）。IBM 的“藍云”采用的是HDFS（Hadoop Distributed File System）數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。此外，一些IT 公司也提出了一些數(shù)據(jù)存儲的解決方案。例如：微軟公司提出的Skydrive，惠普公司的Upline 以及Sun 公司的Network.com。
云計算的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)未來的發(fā)展將集中在超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加密和安全性保證以及繼續(xù)提高I/O 速率等方面。
（3）數(shù)據(jù)管理技術(shù)
云計算系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)集進行處理、分析，并向用戶提供高效的服務(wù)，因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須能夠高效地管理大量的數(shù)據(jù)。另外，如何在規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定的數(shù)據(jù)，也是云計算數(shù)據(jù)管理技術(shù)所必須解決的問題。云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google 的BT（BigTable） 數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop 團隊開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBase。由于管理形式的不同造成傳統(tǒng)的SQL 數(shù)據(jù)庫接口無法直接移植到云管理系統(tǒng)中來，目前一些研究在關(guān)注為云數(shù)據(jù)管理提供RDBMS 和SQL 的接口，如基于Hadoop 子項目HBase 和Hive 等。
（4）編程模型
為了使用戶能更輕松地享受云計算帶來的服務(wù)，讓用戶能利用該編程模型編寫簡單的程序來實現(xiàn)特定的目的，云計算上的編程模型必須十分簡單，必須保證后臺復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度向用戶和編程人員透明。當前比較有代表性的是Google 和Hadoop 項目。Google開發(fā)了java、Python、C++ 編程工具Map/Reduce，它不僅僅是一種編程模型，同時也是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型，主要用于數(shù)據(jù)集的并行運算和并行任務(wù)的調(diào)度處理。這種編程模型并不僅適用于云計算，在多核
和多處理器、cellprocessor 以及異構(gòu)機群上同樣有良好的性能。
（5）云安全
云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算模式，提供服務(wù)的時候也就不可避免地出現(xiàn)像安全漏洞、信息泄露、惡意攻擊和病毒侵害等普遍存在于既有信息系統(tǒng)中的共性安全問題。云安全經(jīng)過樣本收集和MD5 端匹配技術(shù)發(fā)展階段，目前已發(fā)展到了第三代的可信云安全。可信云安全的特點是網(wǎng)上自動安全檢測和防御，客戶端可以優(yōu)化到很小，以提高性能、減少資源消耗。
4. 云計算發(fā)展現(xiàn)狀
目前，亞馬遜，微軟，谷歌，IBM，Intel等公司紛紛提出了“云計劃”。例如亞馬遜的AWS (Amazon Web Services)[5]、IBM和谷歌聯(lián)合進行的“藍云”計劃等。這對云計算的商業(yè)價值給予了巨大的肯定。同時學(xué)術(shù)界也紛紛對云計算進行深層次的研究。例如谷歌同華盛頓大學(xué)以及清華大學(xué)合作，啟動云計算學(xué)術(shù)合作計劃(Academic Cloud Computing Initiative)，推動云計算的普及，加緊對云計算的研究。美國卡耐基梅隴大學(xué)等提出對數(shù)據(jù)密集型的超級計算（DISC：Data Intensive SuperComputing）進行研究，本質(zhì)上也是對云計算相關(guān)技術(shù)開展研究。
IDC的調(diào)查顯示，未來五年云計算服務(wù)將急速增長，預(yù)期2012年市場規(guī)模可達420億美元。目前企業(yè)導(dǎo)入云計算已逐漸普及，并且有逐年成長趨勢。估計在2012年，企業(yè)投入在云計算服務(wù)的支出將占整體IT成本的25%，甚至在2013年提高至IT總支出的三分之一。由此可見，在各大公司以及學(xué)術(shù)界的共同推動下，云計算技術(shù)將會持續(xù)發(fā)展。
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)和模式上。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。2008 年，IBM在無錫建立了中國第一個云計算中心，在北京IBM中國創(chuàng)新中心建立了第二個云計算中心—IBM大中華區(qū)云計算中心。2009 年初，在南京建立國內(nèi)首個“電子商務(wù)云計算中心”。世紀互聯(lián)推出“CloudEx”產(chǎn)品線，包括完整的'互聯(lián)網(wǎng)主機服務(wù)“CloudExComputing Service”、基于在線存儲虛擬化的“CloudEx StorageService”等云計算服務(wù)。
隨著云計算的升溫，國內(nèi)的電信運營商也都積極投入到云計算的研究中，以期通過云計算技術(shù)促進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整合，尋找到新的贏利機會和利潤增長點，以實現(xiàn)向信息服務(wù)企業(yè)的轉(zhuǎn)型。中國移動推出了“大云”（Big Cloud）云計算基礎(chǔ)服務(wù)平臺，中國電信推出了“e云”云計算平臺，中國聯(lián)通則是推出了“互聯(lián)云”平臺。我國企業(yè)創(chuàng)造了“云安全”概念，通過網(wǎng)狀的大量客戶端對網(wǎng)絡(luò)中軟件行為的異常監(jiān)測，獲取互聯(lián)網(wǎng)中木馬、惡意程序的最新信息，在服務(wù)端進行自動分析和處理，再把解決方案分發(fā)到客戶端。瑞星、趨勢等企業(yè)都推出了云安全解決方案。
隨著云計算的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的功能越來越強大，用戶可以通過云計算在互聯(lián)網(wǎng)上處理龐大的數(shù)據(jù)和獲取所需的信息。從云計算的發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來云計算的發(fā)展會向構(gòu)建大規(guī)模的能夠與應(yīng)用程序密切結(jié)合的底層基礎(chǔ)設(shè)施的方向發(fā)展。不斷創(chuàng)建新的云計算應(yīng)用程序，為用戶提供更多更完善的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)也可作為云計算的一個發(fā)展方向。
5. 結(jié)束語
綜上所述，云計算是一種新型的計算模式。它的最主要特征是系統(tǒng)擁有大規(guī)模數(shù)據(jù)集、基于該數(shù)據(jù)集，向用戶提供服務(wù)。它使用大量的普通商用機來構(gòu)建系統(tǒng)，通過冗余存儲的方式確保整個系統(tǒng)的可靠性和可用性。與傳統(tǒng)超級計算機在底層編程不同，數(shù)據(jù)密集計算的云系統(tǒng)上使用基于Map-Reduce的高級編程模式。這使得編程人員可以不用考慮底層的并行化方式，專心與程序的邏輯實現(xiàn)。普通用戶經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)，可以編寫出滿足自身需要的簡單程序。
越來越多的IT廠商提出了自己的“云”計劃，并投入大量資金推動云計算的發(fā)展。這恰恰為云計算提供了良好的發(fā)展機遇。雖然現(xiàn)在的云計算并不能完美地解決所有的問題，但是在不久的將來，一定會有越來越多的云計算系統(tǒng)投入實用，云計算系統(tǒng)也會不斷地被完善，并推動其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻：
[1] Boss G，Malladi P，Quan D，Legregni L，Hall H．Cloud computing．IBM White Paper，2007．http：
//download．boulder．ibm．corn/ibmdl/pub/soRware/dw/wes/hipods/Cloud_computing_wp_final_80ct．pdf
[2] 陳康, 鄭緯民. 云計算:系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀[J]. 軟件學(xué)報, 2009, 20(5):
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