云計算的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現狀論文
居巍杰
摘要：本文給出了云計算的定義，總結了云計算的關(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)展現狀。
關(guān)鍵詞：云計算；數據存儲；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據送到互聯(lián)網(wǎng)上的超級計算機集群中進(jìn)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(shí)現按需購買(mǎi)與按使用付費的業(yè)務(wù)模式。自從云計算的概念提出來(lái)以后，立刻引起業(yè)內各方極大的關(guān)注，現在已成為信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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)展現狀如何？本文將就上述問(wèn)題展開(kāi)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(lái)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(méi)有普遍一致的定義。
IBM公司于2007年底宣布了云計算計劃，云計算的概念出現在大眾面前。在IBM的技術(shù)白皮書(shū)“Cloud Computing”[1]中的云計算定義：“云計算一詞用來(lái)同時(shí)描述一個(gè)系統平臺或者一種類(lèi)型的應用程序。一個(gè)云計算的平臺按需進(jìn)行動(dòng)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，例如存儲區域網(wǎng)絡(luò )(SANs)。網(wǎng)絡(luò )設備，防火墻以及其他安全設備等。云計算在描述應用方面，它描述了一種可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)Intemet進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的可擴展的應用程序�！霸茟谩笔褂么笠幠５臄祿行囊约肮δ軓妱诺姆⻊�(wù)器來(lái)運行網(wǎng)絡(luò )應用程序與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。任何一個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)合適的互聯(lián)嘲接入設備以及一個(gè)標準的瀏覽器就能夠訪(fǎng)問(wèn)
一個(gè)云計算應用程序�！�
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)上的應用服務(wù)及在數據中心提供這些服務(wù)的軟硬件設施，進(jìn)行統一的管理和協(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(hù)，允許用戶(hù)在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒(méi)有相關(guān)知識以及設備操作能力的情況下，通過(guò)Internet 獲取需要的服務(wù)。
通過(guò)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(jià)以及服務(wù)多樣性的特點(diǎn)�，F有的云計算實(shí)現使用的技術(shù)體現了以下3個(gè)方面的特征[2]：
�。�1）硬件基礎設施架構在大規模的廉價(jià)服務(wù)器集群之上．與傳統的性能強勁但價(jià)格昂貴的大型機不同，云計算的基礎架構大量使用了廉價(jià)的服務(wù)器集群，特別是x86架構的服務(wù)器．節點(diǎn)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）應用程序與底層服務(wù)協(xié)作開(kāi)發(fā)，最大限度地利用資源．傳統的應用程序建立在完善的基礎結構，如操作系統之上，利用底層提供的服務(wù)來(lái)構造應用．而云計算為了更好地利用資源，采用了底層結構與上層應用共同設計的方法來(lái)完善應用程序的構建．
�。�3）通過(guò)多個(gè)廉價(jià)服務(wù)器之問(wèn)的冗余，使用軟件獲得高可用性．由于使用了廉價(jià)的服務(wù)器集群，節點(diǎn)的失效將不可避免．并且會(huì )有節點(diǎn)同時(shí)失效的問(wèn)題．為此，在軟件設計上需要考慮節點(diǎn)之間的容錯問(wèn)題，使用冗余的節點(diǎn)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(kāi)自身獨特的技術(shù)和所涉及的一系列其他傳統技術(shù)的支持，并借助SaaS/PaaS/IaaS 等先進(jìn)的商業(yè)模式把這強大的計算能力分布到終端用戶(hù)手中。
�。�1）虛擬化技術(shù)
虛擬化是實(shí)現云計算的最重要的技術(shù)基礎，虛擬化技術(shù)實(shí)現了物理資源的邏輯抽象和統一表示，它是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實(shí)硬件的基礎上運行。通過(guò)虛擬化技術(shù)可以提高資源的利用率，并能夠根據用戶(hù)業(yè)務(wù)需求的變化，快速、靈活地進(jìn)行資源部署，實(shí)現動(dòng)態(tài)負載均衡；同時(shí)與硬件無(wú)關(guān)的特性帶來(lái)系統自愈功能，提升系統的可靠性。在云計算實(shí)現中，計算系統虛擬化是一切建立在“云”上的服務(wù)與應用的基礎。虛擬化技術(shù)目前主要應用在CPU、操作系統、
服務(wù)器等多個(gè)方面，是提高服務(wù)效率的最佳解決方案。
�。�2） 數據存儲技術(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(lái)存儲數據，采用冗余存儲的方式來(lái)保證存儲數據的可靠性，即為同一份數據存儲多個(gè)副本。這樣用戶(hù)就無(wú)需考慮存儲容量、數據存儲位置以及數據的安全性和可靠性等問(wèn)題。
另外，云計算系統需要同時(shí)滿(mǎn)足大量用戶(hù)的需求，并行地為大量用戶(hù)提供服務(wù)。因此，云計算的數據存儲技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點(diǎn)。云計算的數據存儲技術(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）數據存儲技術(shù)。此外，一些IT 公司也提出了一些數據存儲的解決方案。例如：微軟公司提出的Skydrive，惠普公司的Upline 以及Sun 公司的Network.com。
云計算的數據存儲技術(shù)未來(lái)的發(fā)展將集中在超大規模的數據存儲、數據加密和安全性保證以及繼續提高I/O 速率等方面。
�。�3）數據管理技術(shù)
云計算系統對大數據集進(jìn)行處理、分析，并向用戶(hù)提供高效的服務(wù)，因此，數據管理技術(shù)必須能夠高效地管理大量的數據。另外，如何在規模巨大的數據中找到特定的數據，也是云計算數據管理技術(shù)所必須解決的問(wèn)題。云計算系統中的數據管理技術(shù)主要是Google 的BT（BigTable） 數據管理技術(shù)和Hadoop 團隊開(kāi)發(fā)的開(kāi)源數據管理模塊HBase。由于管理形式的不同造成傳統的SQL 數據庫接口無(wú)法直接移植到云管理系統中來(lái)，目前一些研究在關(guān)注為云數據管理提供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(hù)能更輕松地享受云計算帶來(lái)的服務(wù)，讓用戶(hù)能利用該編程模型編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序來(lái)實(shí)現特定的目的，云計算上的編程模型必須十分簡(jiǎn)單，必須保證后臺復雜的并行執行和任務(wù)調度向用戶(hù)和編程人員透明。當前比較有代表性的是Google 和Hadoop 項目。Google開(kāi)發(fā)了java、Python、C++ 編程工具M(jìn)ap/Reduce，它不僅僅是一種編程模型，同時(shí)也是一種高效的任務(wù)調度模型，主要用于數據集的并行運算和并行任務(wù)的調度處理。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(shí)候也就不可避免地出現像安全漏洞、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中的共性安全問(wèn)題。云安全經(jīng)過(guò)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�？尚旁瓢踩奶攸c(diǎn)是網(wǎng)上自動(dòng)安全檢測和防御，客戶(hù)端可以?xún)?yōu)化到很小，以提高性能、減少資源消耗。
4. 云計算發(fā)展現狀
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(jìn)行的“藍云”計劃等。這對云計算的商業(yè)價(jià)值給予了巨大的肯定。同時(shí)學(xué)術(shù)界也紛紛對云計算進(jìn)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(dòng)云計算學(xué)術(shù)合作計劃(Academic Cloud Computing Initiative)，推動(dòng)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)等提出對數據密集型的超級計算（DISC：Data Intensive SuperComputing）進(jìn)行研究，本質(zhì)上也是對云計算相關(guān)技術(shù)開(kāi)展研究。
IDC的調查顯示，未來(lái)五年云計算服務(wù)將急速增長(cháng)，預期2012年市場(chǎng)規�？蛇_420億美元。目前企業(yè)導入云計算已逐漸普及，并且有逐年成長(cháng)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(jiàn)，在各大公司以及學(xué)術(shù)界的共同推動(dòng)下，云計算技術(shù)將會(huì )持續發(fā)展。
目前中國云計算的討論多數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(dòng)態(tài)的、易擴展的、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供虛擬化IT 資源和應用的一種計算模式。用戶(hù)不需要了解云技術(shù)內部的細節，也不必具有云內部的專(zhuān)業(yè)知識，更不需要直接參與、投入、建設、維護和控制就能直接按需使用并按用量付費。2008 年，IBM在無(wú)錫建立了中國第一個(gè)云計算中心，在北京IBM中國創(chuàng )新中心建立了第二個(gè)云計算中心—IBM大中華區云計算中心。2009 年初，在南京建立國內首個(gè)“電子商務(wù)云計算中心”。世紀互聯(lián)推出“CloudEx”產(chǎn)品線(xiàn)，包括完整的'互聯(lián)網(wǎng)主機服務(wù)“CloudExComputing Service”、基于在線(xiàn)存儲虛擬化的“CloudEx StorageService”等云計算服務(wù)。
隨著(zhù)云計算的升溫，國內的電信運營(yíng)商也都積極投入到云計算的研究中，以期通過(guò)云計算技術(shù)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò )結構的優(yōu)化和整合，尋找到新的贏(yíng)利機會(huì )和利潤增長(cháng)點(diǎn)，以實(shí)現向信息服務(wù)企業(yè)的轉型。中國移動(dòng)推出了“大云”（Big Cloud）云計算基礎服務(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(guò)網(wǎng)狀的大量客戶(hù)端對網(wǎng)絡(luò )中軟件行為的異常監測，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(jìn)行自動(dòng)分析和處理，再把解決方案分發(fā)到客戶(hù)端。瑞星、趨勢等企業(yè)都推出了云安全解決方案。
隨著(zhù)云計算的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的功能越來(lái)越強大，用戶(hù)可以通過(guò)云計算在互聯(lián)網(wǎng)上處理龐大的數據和獲取所需的信息。從云計算的發(fā)展現狀來(lái)看，未來(lái)云計算的發(fā)展會(huì )向構建大規模的能夠與應用程序密切結合的底層基礎設施的方向發(fā)展。不斷創(chuàng )建新的云計算應用程序，為用戶(hù)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(gè)發(fā)展方向。
5. 結束語(yǔ)
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擁有大規模數據集、基于該數據集，向用戶(hù)提供服務(wù)。它使用大量的普通商用機來(lái)構建系統，通過(guò)冗余存儲的方式確保整個(gè)系統的可靠性和可用性。與傳統超級計算機在底層編程不同，數據密集計算的云系統上使用基于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(zhuān)心與程序的邏輯實(shí)現。普通用戶(hù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習，可以編寫(xiě)出滿(mǎn)足自身需要的簡(jiǎn)單程序。
越來(lái)越多的IT廠(chǎng)商提出了自己的“云”計劃，并投入大量資金推動(dòng)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。雖然現在的云計算并不能完美地解決所有的問(wèn)題，但是在不久的將來(lái)，一定會(huì )有越來(lái)越多的云計算系統投入實(shí)用，云計算系統也會(huì )不斷地被完善，并推動(dòng)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:系統實(shí)例與研究現狀[J]. 軟件學(xué)報, 2009, 20(5):
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