云計(jì)算的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

1、云計(jì)算的挑戰(zhàn)與機(jī)遇關(guān)鍵詞：云計(jì)算什么是云計(jì)算關(guān)于云計(jì)算有N種說法。學(xué)術(shù)界對(duì)云計(jì)算尚無統(tǒng)一定義，權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)云計(jì)算的定義也不盡相同。造成對(duì)云計(jì)算有不同理解的原因有：（1）從事云計(jì)算研究的人員具有不同背景（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、網(wǎng)格計(jì)算、軟件工程、數(shù)據(jù)庫(kù)等），他們從不同角度（業(yè)務(wù)、應(yīng)用、技術(shù)、平臺(tái)等）來看待云計(jì)算；（2）支撐云計(jì)算的使能技術(shù)（enabling technology）是多種多樣的，并且這些技術(shù)仍在不斷發(fā)展變化；（3）云計(jì)算的應(yīng)用規(guī)模還小，其概念并不是人人皆知；（4）媒體對(duì)云計(jì)算鋪天蓋地地宣傳模糊了其本質(zhì)；（5）每家企業(yè)和機(jī)構(gòu)對(duì)云計(jì)算及前景的解析或多或少地結(jié)合了企業(yè)自身的業(yè)務(wù)方向和現(xiàn)實(shí)利益。這些形

2、成了云計(jì)算“一個(gè)概念，多種表述”的局面。云計(jì)算本質(zhì)上是一種新的提供資源按需租用的服務(wù)模式，是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）業(yè)務(wù)。它與傳統(tǒng)IDC業(yè)務(wù)有相似之處，例如（1）業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)模式相似，均提供IT基礎(chǔ)設(shè)施資源的租用，盈利模式也以收取租用費(fèi)為主；（2）目標(biāo)客戶相似，主要目標(biāo)客戶均是ICP大量無法自行建立數(shù)據(jù)中心的中小企業(yè)客戶；（3）業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)需要的基礎(chǔ)條件相似，都需要建設(shè)一定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。但二者的差別在于：（1）租用資源范圍不同。云計(jì)算業(yè)務(wù)中，提供租用資源的范圍廣泛延伸，不僅是服務(wù)器、帶寬，還可以包括存儲(chǔ)系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件平臺(tái)、應(yīng)用軟件和服務(wù)等；（2）服

3、務(wù)能力不同。云計(jì)算業(yè)務(wù)提供“彈性”的按需擴(kuò)鄭緯民清華大學(xué)展的資源租用服務(wù)；（3）資源透明性不同。在云計(jì)算業(yè)務(wù)中，用戶并不需要了解資源的物理信息。云計(jì)算業(yè)務(wù)具有五項(xiàng)特征：基礎(chǔ)資源租用 云計(jì)算業(yè)務(wù)提供對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、軟件等多種IT基礎(chǔ)設(shè)施資源租用的服務(wù)。云計(jì)算業(yè)務(wù)的用戶不需要自己擁有和維護(hù)這些資源。按需彈性使用 云計(jì)算業(yè)務(wù)的用戶能夠按需獲得和使用資源，也能夠按需撤銷和縮減資源。云計(jì)算平臺(tái)可以按用戶的需求快速部署和提供資源。云計(jì)算業(yè)務(wù)的付費(fèi)服務(wù)按資源的使用量計(jì)費(fèi)。透明資源訪問 云計(jì)算業(yè)務(wù)的用戶不需要了解所使用資源的物理位置和配置等信息。自助業(yè)務(wù)部署 云計(jì)算業(yè)務(wù)的用戶利用業(yè)務(wù)提供商提供的接口，通過

4、網(wǎng)絡(luò)將自己的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序部署于云計(jì)算平臺(tái)的后端數(shù)據(jù)中心，而無需服務(wù)商的人工配合 。開放公眾服務(wù) 云計(jì)算業(yè)務(wù)用戶所部署的數(shù)據(jù)和應(yīng)用可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布給其他用戶共享使用，即提供公眾服務(wù)。有了云計(jì)算，廣大用戶無需自購(gòu)軟、硬件，甚至無需知道是誰(shuí)提供的服務(wù)，可只關(guān)注自己真正需要什么樣的資源或者得到什么樣的服務(wù)。這就是云計(jì)算。三種形式的“云”按照服務(wù)的不同層次，可以將“云”分為三種形式：基礎(chǔ)設(shè)施云、平臺(tái)云和應(yīng)用云。這三種“云”對(duì)應(yīng)于：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）用戶將部署處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及其他基本的計(jì)算資源，并按自己的意志運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等軟件。軟件即服務(wù)（Saas）一切皆服務(wù)（Xaas）平臺(tái)

5、即服務(wù)（Paas）云計(jì)算化基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（laas）平臺(tái)即服務(wù)（PaaS） 用戶采用提供商支持的編程語(yǔ)言和工具編寫好應(yīng)用程序，然后放到云計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。云計(jì)算基礎(chǔ)軟件供應(yīng)商（Enablers）硬件基礎(chǔ)設(shè)施（HW）軟件即服務(wù)（SaaS） 提供商在云計(jì)算設(shè)施上運(yùn)行程序，用戶通過各種客戶端設(shè)備的瘦客戶界面（如網(wǎng)頁(yè)瀏覽器、基于網(wǎng)頁(yè)的電子郵件）使用這些應(yīng)用程序。的訪問權(quán)限，包括針對(duì)此虛擬機(jī)的管理員用戶權(quán)限。IBM在2007年11月15日推出的藍(lán)云計(jì)算平臺(tái)也屬此類。藍(lán)云計(jì)算平臺(tái)中部署、監(jiān)控、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等采用了IBM自己的產(chǎn)品，關(guān)鍵功能則全部由開源軟件實(shí)現(xiàn)，如大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)使用Hadoop（開源

6、的Map/Reduce實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)），虛擬化使用開源軟件Xen等。圖1 云計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)設(shè)施云云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)一般設(shè)在擁有大規(guī)模計(jì)算和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中心?；A(chǔ)設(shè)施云以授權(quán)服務(wù)形式提供計(jì)算和存儲(chǔ)能力，核心是將某一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算/存儲(chǔ)資源虛擬化，以靈活劃分資源。中小企業(yè)部門也能夠利用原來大型企業(yè)才具備的信息基礎(chǔ)設(shè)施，多個(gè)應(yīng)用共享基礎(chǔ)設(shè)施還會(huì)降低運(yùn)營(yíng)成本?；A(chǔ)設(shè)施云基礎(chǔ)架構(gòu)平臺(tái)按功能分為四層：物理設(shè)施、虛擬化、資源管理和服務(wù)提供。虛擬化物理設(shè)施可生成一個(gè)高效靈活的資源池；管理層部署、管理、監(jiān)控物理資源和資源池；服務(wù)提供層組合管理層的功能提供某種形式的服務(wù)。亞馬遜（Amazon）的彈性計(jì)算云平臺(tái)就是

7、這樣一類基礎(chǔ)設(shè)施云，由一組被稱為Amazon AWS服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。Amazon AWS服務(wù)包括：EC2虛擬服務(wù)器、S3存儲(chǔ)服務(wù)（Simple Storage Service，S3）、SQS主機(jī)之間的消息隊(duì)列服務(wù)、SimpleDB數(shù)據(jù)庫(kù)。彈性計(jì)算云平臺(tái)為用戶或者開發(fā)人員提供了一個(gè)虛擬的集群環(huán)境。而彈性計(jì)算云中的實(shí)例是一些真正在運(yùn)行中的虛擬機(jī)服務(wù)器，每一個(gè)實(shí)例代表一個(gè)運(yùn)行中的虛擬機(jī)。對(duì)于提供給某一個(gè)用戶的虛擬機(jī)，該用戶具有完整平臺(tái)云平臺(tái)屏蔽了部署、發(fā)布等應(yīng)用開發(fā)細(xì)節(jié)，可以讓開發(fā)者不再關(guān)心后臺(tái)大規(guī)模服務(wù)器的工作，并且提供了一些支持應(yīng)用開發(fā)的高層接口以及開發(fā)工具，給開發(fā)者提供一個(gè)透明安全、功能強(qiáng)大的運(yùn)行

8、環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。Google App Engine就是平臺(tái)云的典型應(yīng)用，提供用戶在Google的基礎(chǔ)架構(gòu)上設(shè)計(jì)、發(fā)布應(yīng)用程序的功能。每個(gè)免費(fèi)賬戶都可使用500MB 存儲(chǔ)空間，以及每月約500萬(wàn)頁(yè)面瀏覽量的CPU和寬帶。應(yīng)用云應(yīng)用云直接面向最終軟件用戶，常以SaaS形式出現(xiàn)。軟件系統(tǒng)各個(gè)模塊可以由用戶自己定制、配置、組裝和測(cè)試，最終得到滿足客戶需要的軟件系統(tǒng)，從而降低軟件系統(tǒng)使用、維護(hù)、運(yùn)行和支持成本。Salesforce是一家客戶關(guān)系管理軟件服務(wù)提供商。顧客通過訂購(gòu)Salesforce服務(wù)，直接通過瀏覽器登錄就可以使用所有功能。Google Apps是谷歌推出的中小企業(yè)套裝軟件，包括電子郵箱、

9、網(wǎng)站（放置在谷歌的服務(wù)器上，采用所見即所得的傻瓜式編輯方式）、可以合作編輯的在線Offices（涵蓋常用的Word/powerpoint/excel等應(yīng)用）、日歷、即時(shí)聊天（Gtalk）等。Google Apps所有應(yīng)用程序后臺(tái)均運(yùn)行在谷歌的基礎(chǔ)信息架構(gòu)上。十幾位老師，每個(gè)人分配200GB硬盤空間，他們可以共享這200GB的空間，放進(jìn)去的文件可以讓所有老師一起改，一起寫。清華跳水隊(duì)也是社區(qū)用戶，隊(duì)員可以共享跳水動(dòng)作錄像等多媒體資料。云存儲(chǔ)系統(tǒng)還為全部的用戶提供共享存儲(chǔ)服務(wù)。大家可以共享每門課的課件，只要在網(wǎng)上能看到清華大學(xué)這朵存儲(chǔ)云，就可以把自己的PPT下載到本地使用了。雖然現(xiàn)在Corsair

10、規(guī)模增長(zhǎng)很快，平均2個(gè)多月會(huì)增加20TB容量，5萬(wàn)元人民幣的費(fèi)用就足夠了。然而要保證數(shù)據(jù)不丟失，還要保證數(shù)據(jù)不被偷走，這個(gè)事情做起來比較費(fèi)勁。數(shù)據(jù)中心的相關(guān)技術(shù)提供了解決方案。清華云計(jì)算平臺(tái)近年來，清華大學(xué)也采用云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)開發(fā)了許多應(yīng)用，包括云存儲(chǔ)系統(tǒng)Corsair、云計(jì)算系統(tǒng)NOVA、云計(jì)算客戶端可遷移個(gè)性化軟件運(yùn)行環(huán)境和手機(jī)訪問云端。云計(jì)算NOVA虛擬化集群 為用戶提供各種按需定制的云計(jì)算計(jì)算設(shè)施，通過瀏覽器使用，可以不改變用戶的使用習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)一鍵式定制使用。虛擬化集群系統(tǒng)解決應(yīng)用相關(guān)環(huán)境設(shè)置問題，比如天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，要運(yùn)行在大型集群系統(tǒng)的特定操作系統(tǒng)中，如果更換操作系統(tǒng)內(nèi)核或其他環(huán)境變

11、量，就可能無法正常運(yùn)行了。這對(duì)于用戶來說非常不便，不能在集群系統(tǒng)中使用其他軟件或版本?，F(xiàn)在虛擬化集群系統(tǒng)里面有各種各樣的操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)的最上層結(jié)構(gòu)做鏡像，形成不同的環(huán)境配置，可以直接拿過來使用。比如，如果需要另外一個(gè)Apache軟件云存儲(chǔ)系統(tǒng)Corsair 實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享，提供本地資源和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一文件管理視圖。Corsair存儲(chǔ)系統(tǒng)有100TB容量，分別放在清華大學(xué)中三個(gè)不同的地方。它可以為個(gè)人用戶提供共享存儲(chǔ)服務(wù)，為每個(gè)云用戶提供2GB4GB的硬盤空間，清華大學(xué)有1萬(wàn)6千人，每個(gè)人都有一朵云上的空間。另外還有社區(qū)用戶，比如清華大學(xué)教務(wù)處有應(yīng)用層服務(wù)層適配層分布式異構(gòu)存儲(chǔ)資

12、源層版本，就可以拿來相應(yīng)的操作系統(tǒng)和軟件，滿足用戶的不同需求。云計(jì)算的客戶端可遷移個(gè)性化軟件運(yùn)行環(huán)境 這是一種新的端到云解決方案，用戶無需本地安裝軟件，就能夠直接在客戶端上運(yùn)行存儲(chǔ)于云端的現(xiàn)有軟件（如現(xiàn)有的Office應(yīng)用、多媒體播放、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等桌面軟件）。ext2node1ntfsnode2ext3node3nfsnode4zettanode5移動(dòng)云計(jì)算平臺(tái)通過手機(jī)訪問云計(jì)算平臺(tái) 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是未來網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的核圖2 清華大學(xué)云存儲(chǔ)系統(tǒng)Corsair系統(tǒng)架構(gòu)心，預(yù)計(jì)到2015年，全球?qū)?huì)有近40億用戶使用手機(jī)作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端，是現(xiàn)有PC機(jī)數(shù)量的10倍。許多用戶將把手機(jī)作為其訪問互聯(lián)網(wǎng)的主要設(shè)備

13、。這種情形很快就會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用的推廣，面臨著三個(gè)基本限制：（1）網(wǎng)絡(luò)終端的安全性和可管理性問題，比如設(shè)備更換和丟失頻繁，用戶不具備計(jì)算機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)等；（2）設(shè)備電池容量有限，使移動(dòng)終端本身的功能和性能受到限制，無法直接運(yùn)行PC上的傳統(tǒng)應(yīng)用程序；（3）網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定帶來的連接斷續(xù)和帶寬震蕩問題等。因而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)更加需要云計(jì)算的支持。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)終端的安全性和可管理性問題，可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云上，使數(shù)據(jù)的存放、搜索與讀取更加可靠，利用云計(jì)算技術(shù)保證了系統(tǒng)的安全性與管理性；將計(jì)算放到云上執(zhí)行，擴(kuò)展了移動(dòng)終端的能力，同時(shí)也降低功耗。移動(dòng)云計(jì)算平臺(tái)對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)與管理

14、，增強(qiáng)了安全性與管理性；應(yīng)用程序的云化可以充分利用云端的計(jì)算能力；離線支持降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性；減少不必要的通信從而降低了功耗。我認(rèn)為目前主流的移動(dòng)應(yīng)用仍然是本地應(yīng)用程序，Web應(yīng)用正在快速發(fā)展，遠(yuǎn)程執(zhí)行應(yīng)用可以作為以上兩種模式有益的補(bǔ)充。未來5年將是本地應(yīng)用程序與萬(wàn)維網(wǎng)應(yīng)用共存的階段。移動(dòng)云計(jì)算平臺(tái)必須同時(shí)有效支持以上幾類應(yīng)用模式。現(xiàn)有移動(dòng)云計(jì)算平臺(tái)中，Google ChromeOS支持HTML5和 JavaScript的Web應(yīng)用，主要用于上網(wǎng)本，由于不需要安裝應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)和瀏覽器可設(shè)為只讀，系統(tǒng)具有較好的安全性和管理性。Android采用改進(jìn)的Java虛擬機(jī)提供應(yīng)用的移植性，內(nèi)置G

15、mail， GoogleMap客戶端等，主要用于手機(jī)。Apple iPhone OS主要用于iPhone和iPad，支持原生應(yīng)用，速度較快。iPad采用Apple自主研制的A4芯片，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，性能與功耗指標(biāo)較好。Palm WebOS開發(fā)語(yǔ)言采用HTML + JavaScript，用于Palm手機(jī)。清華大學(xué)與中國(guó)移動(dòng)卓望公司合作開發(fā)了TNOS 4.0透明計(jì)算的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)終端上基于有線和無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)實(shí)例操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行管理，保證了系統(tǒng)具有較好的安全性和管理性，可用于上網(wǎng)本和手機(jī)。然而，Android、iPhoneOS、WebOS等所有應(yīng)用程序仍然完全在本地下載

16、安裝，對(duì)本機(jī)存儲(chǔ)空間要求高，經(jīng)常出現(xiàn)本機(jī)無法裝載應(yīng)用程序的問題，如Google G1手機(jī)可安裝程序的空間僅有128MB。應(yīng)用程序的安全性、升級(jí)、版權(quán)管理機(jī)制復(fù)雜，例如無法提供很好的試用、購(gòu)買體驗(yàn)。ChromeOS采用瀏覽器作為惟一的應(yīng)用程序運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)大量現(xiàn)存的本地原生應(yīng)用程序無法有效支持，離線體驗(yàn)差。TNOS 4.0主要在MetaOS層次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，使用現(xiàn)有的實(shí)例操作系統(tǒng)如Windows、Linux。而某些實(shí)例操作系統(tǒng)如Windows的應(yīng)用程序安裝需要注冊(cè)表等復(fù)雜的全局操作，使得系統(tǒng)安全性和用戶使用的靈活性很難同時(shí)保證。理想的移動(dòng)云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)對(duì)操作系統(tǒng)本身、各種應(yīng)用和用戶數(shù)據(jù)均能進(jìn)

17、行透明的網(wǎng)絡(luò)化管理，對(duì)用戶來說，無需知道自己正在運(yùn)行那一類應(yīng)用程序，都可有效支持；無需知道該程序的數(shù)據(jù)和代碼存放的位置；無需關(guān)心程序的執(zhí)行地點(diǎn)；無需關(guān)心操作系統(tǒng)和程序的安裝、升級(jí)、殺毒、卸載等；離線和網(wǎng)絡(luò)帶寬較低時(shí)仍能提供部分服務(wù)。云計(jì)算的影響軟件快速向服務(wù)模式轉(zhuǎn)型目前，軟件行業(yè)正由產(chǎn)品銷售向“軟件即服務(wù)” 模式發(fā)展，SaaS將成為未來軟件行業(yè)的主流模式。云計(jì)算使得信息服務(wù)的社會(huì)化成為可能，改變了大眾需求，催生了新的市場(chǎng)和新的服務(wù)業(yè)。軟件產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，基于內(nèi)容的信息服務(wù)業(yè)所占比重越來越大。單機(jī)的系統(tǒng)軟件和中間件所占比重逐漸減小，軟件依附于應(yīng)用。嵌入式軟件更加個(gè)性化、柔性化。接入端設(shè)備多元

18、化個(gè)性化更多的數(shù)字終端都可接入云計(jì)算服務(wù)，例如：臺(tái)式機(jī)、筆機(jī)本、上網(wǎng)本、手機(jī)、電視機(jī)、冰箱等都是接入設(shè)備。虛擬化和并行計(jì)算將廣泛應(yīng)用通過并行計(jì)算，可以最大程度實(shí)現(xiàn)運(yùn)算資源的集中；而利用虛擬化技術(shù)，可將集中化的計(jì)算資源用于不同的計(jì)算任務(wù)，并極大地提高現(xiàn)有計(jì)算資源的利用效率。電力供應(yīng)可以作一個(gè)類比。一個(gè)發(fā)電機(jī)可以為多個(gè)用戶供電，也可以多臺(tái)發(fā)電機(jī)為一個(gè)用戶供電。用戶不需要了解發(fā)電機(jī)的情況即可使用電力。大學(xué)課程清華大學(xué)開設(shè)了兩門課程：虛擬化技術(shù)和海量數(shù)據(jù)處理。其中，海量數(shù)據(jù)處理是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系在本科生大三結(jié)束之后的暑假開設(shè)的。為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，特別設(shè)置了專業(yè)實(shí)踐暑期課程，這門課為期五周，主要是實(shí)踐。分布式系統(tǒng)展開詳細(xì)地討論，使學(xué)生能夠獲得初步的分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念。在課程設(shè)計(jì)中，有很強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過對(duì)真正的分布式系統(tǒng)進(jìn)行編程獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生提交的內(nèi)容包括：作業(yè)（論文讀后感，思考題等）（占總成績(jī)20%）；3個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（占總成績(jī)30%）；大項(xiàng)目