云計算關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化

云計算關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化分析了云計算關(guān)鍵的技術(shù)，包括虛擬化/分布式文件系統(tǒng)/分布式數(shù)據(jù)庫等，介紹了相關(guān)云方案實現(xiàn)，并對云計算在IETF/ITU等標(biāo)準(zhǔn)組織的最新研究競爭做了說明。1引言云計算并不是一個全新的名稱。1961年，圖靈獎得主JOHNMCCARTHY提出計算能力將作為一種象水、電一樣的公用事業(yè)提供給用戶。2001年，GOOGLECEOERICSCHMIDT在搜索引擎大會上首次提出“云計算”的概念。2004年，AMAZON陸續(xù)推出云計算服務(wù)，成為少數(shù)幾個提供9995正常運行時間保證的云計算供應(yīng)商之一。2007年，隨著IBM，GOOGLE等公司的宣傳，云計算概念開始獲得全球公眾和媒體的廣泛關(guān)注。云計算目前并沒有統(tǒng)一的定義。根據(jù)WIKIPEDIA，云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。而BERKELEY大學(xué)則認為云計算是指INTERNET上以服務(wù)發(fā)布的應(yīng)用以及支撐這些服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的軟件和硬件。筆者則認為，云計算的概念不僅僅局限于計算，實際上直接稱為“云”更加合適，云的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的按需即取的服務(wù)SERVICEONDEMAND，包括基于提供計算能力，存儲能力，以及網(wǎng)絡(luò)能力的各種服務(wù)的組合。正是因為服務(wù)的按需即取的特性，需要對應(yīng)于計算能力、存儲能力、交付能力的各種計算資源、存儲資源，以及網(wǎng)絡(luò)資源的按需即取的資源池管理和彈性提供。從業(yè)務(wù)提供方式上，云可以提供3種業(yè)務(wù)IAAS將虛擬化的資源直接按需提供給客戶；PAAS在虛擬化的云計算平臺上建立支持多種業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺，再將應(yīng)用接口和開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境提供給外部；SAAS在虛擬化的云計算平臺上提供按需定制和快速部署的應(yīng)用軟件租用服務(wù)。目前，業(yè)界研究最多的是IAAS和PAAS，本文將針對IAAS（對應(yīng)基礎(chǔ)云）和PAAS（對應(yīng)業(yè)務(wù)云）的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)方案以及云的標(biāo)準(zhǔn)化進行闡述。2關(guān)鍵技術(shù)21虛擬化虛擬化是實現(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。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。211虛擬化平臺架構(gòu)在云計算環(huán)境中，通過在物理主機中同時運行多個虛擬機實現(xiàn)虛擬化。多個虛擬機運行在虛擬化平臺上，由虛擬化平臺實現(xiàn)對多個虛擬機操作系統(tǒng)的監(jiān)視和多個虛擬機對物理資源的共享。總的來說，我們認為虛擬化平臺是三層結(jié)構(gòu)，最下層是虛擬化層，提供基本的虛擬化能力支持；中間層是控制執(zhí)行層，提供各控制功能的執(zhí)行能力；最上層是管理層，對執(zhí)行層進行策略管理、控制，提供對虛擬化平臺統(tǒng)一管理的能力。如圖1所示，虛擬化平臺應(yīng)該包含虛擬機監(jiān)視器HYPERVISOR，虛擬資源的管理，虛擬機遷移，故障恢復(fù)，策略管理（如提供虛擬機自動部署和資源調(diào)配）等功能實體。各部分具體功能描述如下圖1虛擬化平臺功能結(jié)構(gòu)（1）虛擬機管理主要保護VM的創(chuàng)建、啟動、停止、遷移、恢復(fù)和刪除等能力，虛擬機映像管理，虛擬機運行環(huán)境的自動配置和快速部署啟動等能力。虛擬機管理可根據(jù)主機節(jié)點/虛擬機的CPU，內(nèi)存，I/O，網(wǎng)絡(luò)等資源使用情況，自動地在不同主機節(jié)點之間遷移VM，使得VM的性能得到保障。也包含主機節(jié)點的失效保護，即當(dāng)一個主機節(jié)點失效后，該功能實體能將其上的服務(wù)自動轉(zhuǎn)移到其他節(jié)點上繼續(xù)運行。（2）高可用CLUSTER用于保證主機節(jié)點的失效保護，當(dāng)一個主機節(jié)點失效后，CLUSTER自動將其上的服務(wù)轉(zhuǎn)移到集群中的其他節(jié)點上繼續(xù)運行。該CLUSTER還可具有負載均衡和存儲集群的能力。（3）動態(tài)資源調(diào)配虛擬存儲、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、配置、修改和刪除等能力。當(dāng)一個VM的內(nèi)存、外出或網(wǎng)絡(luò)資源不足時，可臨時借用同節(jié)點中其他VM暫時不使用的同類資源。（4）動態(tài)負載均衡兼顧能源消耗和工作負載的均衡。根據(jù)策略需要，可開啟/關(guān)閉部分主機節(jié)點，并遷移關(guān)聯(lián)的VM。（5）管理工具包含虛擬化平臺需要支持的一套工具，如P2V（PHYSICALTOVIRTUAL），V2P（VIRTUALTOPHYSICAL），VA（VIRTUALAPPLICATION），JEOS（JUSTENOUGHOPERATINGSYSTEM）等。（6）主機安全用于保證VM運行環(huán)境的安全，包含一組軟件，如ANTIVIRUS，IDS等。212虛擬化平臺部署如圖2所示，在實際部署中，由于CLUSTER、動態(tài)資源分配、主機安全等與HYPERVISOR關(guān)系密切，可以作為獨立的軟件部署在主機節(jié)點之中。其他功能都可以集成在一起，形成VM管理器。這樣進行功能分配后，整個虛擬化平臺可以分為兩個軟件包一是HYPERVISORHOSTOS軟件包，駐留在主機節(jié)點中；二是VM管理器軟件包。兩者之間的接口將被簡化為配置、簡單控制、查看和監(jiān)控幾類。圖2虛擬化平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖運行VM的主機利用CLUSTER功能組成一個高可用的集群系統(tǒng)，當(dāng)其中的某個節(jié)點失效時，可無需VM管理器的干涉，自動地將失效節(jié)點上的服務(wù)遷移到其他節(jié)點，并為其重新分配存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，使得服務(wù)不間斷。VM管理可部署在獨立的服務(wù)器上，由其負責(zé)對虛擬化平臺的告警、運行狀況監(jiān)控、負載調(diào)整等工作。虛擬化平臺物理部署如圖3所示。圖3虛擬化平臺部署圖213虛擬化平臺的優(yōu)勢（1）平臺虛擬化實現(xiàn)資源最優(yōu)利用。利用虛擬化技術(shù)，在一臺物理服務(wù)器或一套硬件資源上虛擬出多個虛擬機，讓不同的應(yīng)用服務(wù)運行在不同的虛擬機上，在不降低系統(tǒng)魯棒性、安全性和可擴展性的同時，可提高硬件的利用率，減少應(yīng)用對硬件平臺的依賴性，從而使得企業(yè)能夠削減資金和運營成本，同時改善IT服務(wù)交付，而不用受到有限的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和硬件選擇范圍的制約。（2）利用虛擬機與硬件無關(guān)的特性，按需分配資源，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡。當(dāng)VM監(jiān)測到某個計算節(jié)點的負載過高時，可以在不中斷業(yè)務(wù)的情況下，將其遷移到其它負載較輕的節(jié)點或者在節(jié)點內(nèi)通過重新分配計算資源。同時，執(zhí)行緊迫計算任務(wù)的虛擬機將得到更多的計算資源，保證關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)能力。（3）平臺虛擬化帶來系統(tǒng)自愈功能，提升系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)服務(wù)器硬件故障時，可自動重啟虛擬機。消除在不同硬件上恢復(fù)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序安裝所帶來的困難，其中任何物理服務(wù)器均可作為虛擬服務(wù)器的恢復(fù)目標(biāo)，進而減少硬件成本和維護成本。（4）提升系統(tǒng)節(jié)能減排能力。與服務(wù)器管理硬件配合實現(xiàn)智能電源管理；優(yōu)化虛擬機資源的實際運行位置，達到耗電最小化，從而可為運營商節(jié)省大量電力資源，減少供電成本，節(jié)能減排。22分布式文件系統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)是指在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的云存儲分布式文件系統(tǒng)，可用于大規(guī)模集群。主要特性包括（1）高可靠性云存儲系統(tǒng)支持節(jié)點間保存多副本功能，以提供數(shù)據(jù)的可靠性。（2）高訪問性能根據(jù)數(shù)據(jù)重要性和訪問頻率將數(shù)據(jù)分級多副本存儲，熱點數(shù)據(jù)并行讀寫，提高訪問性能。（3）在線遷移、復(fù)制存儲節(jié)點支持在線遷移、復(fù)制，擴容不影響上層應(yīng)用。（4）自動負載均衡可以依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)負荷將原有節(jié)點上的數(shù)據(jù)搬移到新增的節(jié)點。特有的分片存儲，以塊為最小單位來存儲，存儲和查詢時所有存儲節(jié)點并行計算。（5）元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離采取元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離的方式設(shè)計分布式文件存儲系統(tǒng)。圖4為分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)架構(gòu)。其中圖4分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)FAC負責(zé)向用戶提供文件訪問接口，安裝在服務(wù)器端（提供給應(yīng)用以文件操作的API接口；實現(xiàn)與FLR和FAS的交互，完成數(shù)據(jù)的搬遷）。FAS負責(zé)文件的調(diào)度和訪問，完成對磁陣的讀寫操作，對FAC提供數(shù)據(jù)讀寫功能，完成數(shù)據(jù)的分布式存儲。FLR負責(zé)元數(shù)據(jù)的管理，保存文件和塊的命名空間，文件到塊的映射，以及每個塊副本的位置。23分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫能實現(xiàn)動態(tài)負載均衡、故障節(jié)點自動接管，具有高可靠性、高性能、高可用、高可擴展性，在處理PETABYTE級以上海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)上具備明顯性能優(yōu)勢。圖5為分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)架構(gòu)。其中圖5分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)（1）PEC解析執(zhí)行服務(wù)器（PARSERSEXECUTINGCONTROLLERS，簡稱PEC），SQL服務(wù)接入點。負責(zé)接收客戶的SQL請求，并定向到特定的TABLET服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)訪問。（2）MASTER主要負責(zé)數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)管理和調(diào)度工作。（3）TABLETSERVER負責(zé)保存數(shù)據(jù)庫的子表。（4）SPACE分布式文件系統(tǒng)的鎖服務(wù)功能。主要保證共享訪問時對數(shù)據(jù)的獨占性。24中興通訊COCLOUD增值業(yè)務(wù)云（見圖6）圖6中興通訊COCLOUD增值業(yè)務(wù)云基于上述關(guān)鍵技術(shù)，中興通訊的COCLOUD增值業(yè)務(wù)云服務(wù)棧提供了IAAS，PAAS，SAAS多層次云服務(wù)模式，包括統(tǒng)一開放環(huán)境UOE/MAHUPPAAS云平臺，云存儲，多業(yè)務(wù)云調(diào)度，ECP，NGCC，VPBX，應(yīng)用工廠等多種云服務(wù)方案。241中興通訊COCLOUD增值業(yè)務(wù)云優(yōu)勢（1）先進的軟件自適應(yīng)自動部署方式實時監(jiān)控各個業(yè)務(wù)節(jié)點的資源情況，根據(jù)預(yù)先定制的策略，增加或者減少業(yè)務(wù)節(jié)點，可以自動安裝、啟動、關(guān)閉業(yè)務(wù)軟件，做到軟件根據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點資源狀況自適應(yīng)部署。（2）靈活高效的業(yè)務(wù)擴展方式在已有的云計算平臺上通過簡單的配置后，就可以為新的業(yè)務(wù)分配資源，迅速開展新的業(yè)務(wù)。（3）統(tǒng)一運維管理基于云計算平臺開展業(yè)務(wù)后，基于同樣的基礎(chǔ)架構(gòu)開展多種業(yè)務(wù)，目前的運維管理方式需要轉(zhuǎn)變，不再是煙囪式的建設(shè)和運維。統(tǒng)一的云管理平臺，通過分權(quán)分域的方式，讓維護人員進行業(yè)務(wù)和設(shè)備的管理。（4）自動在線升級功能提供軟件版本中心，通過手工或者自動進行業(yè)務(wù)版本以及虛擬化軟件版本的升級。（5）綠色節(jié)能在業(yè)務(wù)層面做到軟件自適應(yīng)自動部署，在業(yè)務(wù)閑時只保留必要的業(yè)務(wù)節(jié)點，減少了虛擬機資源的使用，減少了資源的消耗；在虛擬化層面，通過資源動態(tài)均衡方案和綠色節(jié)能方案相結(jié)合，將虛擬機部署在恰當(dāng)?shù)奈锢頇C上，保留必要的備用物理機之外，將其他的物理機進行節(jié)能管理，從而減少運營商在業(yè)務(wù)閑時不必要的能源消耗，實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心。