第9章.如影隨形-云計算

第9章如影隨形—云計算CONTENTS目錄9.1云計算的概念與特征9.2云計算的關(guān)鍵技術(shù)9.3云計算技術(shù)的應(yīng)用初識云計算9.19.1.1云計算產(chǎn)生的背景1．經(jīng)濟方面（1）全球經(jīng)濟一體化后危機時代加快了全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展速度。實踐證明，國家和地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢和比較優(yōu)勢可以促使全球合作尋租的興起，從而更好地實現(xiàn)優(yōu)勢互補。另外，基于成本考慮，價值鏈上的協(xié)作者會自發(fā)整合相關(guān)資源；基于效率考慮，協(xié)同效應(yīng)需要彈性的業(yè)務(wù)流程支持，對成本和效率的需求進一步催化了云計算的發(fā)展。（2）日益復(fù)雜的世界和不可確定性在復(fù)雜的世界面前，不確定因素在更快、更多地涌現(xiàn)，計劃跟不上變化，任何一臺精于預(yù)測的計算機也無法準(zhǔn)確預(yù)測未來。（3）需求是云計算發(fā)展的動力IT設(shè)施要成為社會基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)在面臨高成本的瓶頸。這些成本至少包括人力成本、資金成本、時間成本、使用成本、環(huán)境成本等。云計算帶來的益處是顯而易見的：用戶不需要專門的IT團隊，也不需要購買、維護、安放有形的IT產(chǎn)品，可以低成本、高效率、隨時按需服務(wù)；云計算服務(wù)提供商可以極大提高資源（硬件、軟件、空間、人力、能源等）的利用率和業(yè)務(wù)響應(yīng)速度，有效聚合產(chǎn)業(yè)鏈。2．社會方面（1）數(shù)字一代的崛起未來的世界在網(wǎng)上，世界的未來在云中。截至2022年6月，中國網(wǎng)民規(guī)模為10.51億人，較2021年12月新增網(wǎng)民1919萬人，互聯(lián)網(wǎng)普及率達74.4%。網(wǎng)民人均每周上網(wǎng)時長為29.5h，使用手機上網(wǎng)的比例達99.6%。中國擁有超大規(guī)模的社會化媒體內(nèi)容的貢獻者，他們使用博客、微博、社區(qū)、視頻和圖片分享等形式，更依賴于在線交流。云計算為數(shù)字一代消費者提供了良好的服務(wù)。（2）消費行為的改變“互聯(lián)網(wǎng)+”已成為“云時代”天空下璀璨的一顆星。對消費市場參與者而言，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺，利用信息通信技術(shù)，把互聯(lián)網(wǎng)和包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)結(jié)合起來，在新的領(lǐng)域創(chuàng)造一種新的生態(tài)，就成為一種必然選擇。3．技術(shù)方面（1）技術(shù)成熟技術(shù)是云計算發(fā)展的基礎(chǔ)。首先是云計算自身核心技術(shù)的發(fā)展，主要包括硬件技術(shù)、虛擬化（計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用虛擬化）技術(shù)、海量存儲技術(shù)、分布式并行計算技術(shù)、多租戶架構(gòu)技術(shù)、自動管理與部署技術(shù)等；其次是云計算賴以存在的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，主要包括高速大容量網(wǎng)絡(luò)、無處不在的接入、靈活多樣的終端、集約化的數(shù)據(jù)中心、萬維網(wǎng)（WorldWideWeb，Web）技術(shù)等。（2）企業(yè)IT的成熟和計算能力過剩需求的波動性使得按峰值設(shè)計建設(shè)的IT資源中存在大量的閑置資源。企業(yè)內(nèi)部的資源平衡帶來私有云需求，外部的資源協(xié)作促進公有云的發(fā)展。商業(yè)模式是云計算的內(nèi)在要求，是用戶需求的外在體現(xiàn)，而且云計算為這種特定商業(yè)模式提供了現(xiàn)實可能性。從商業(yè)模式看，云計算的主要特征是以網(wǎng)絡(luò)為中心、以服務(wù)為產(chǎn)品、按需使用和付費，這些特征對傳統(tǒng)的用戶自建基礎(chǔ)設(shè)施、購買有形產(chǎn)品或介質(zhì)、一次性買斷模式等是一個顛覆性的革命。9.1.2云計算的演進歷程電廠模式網(wǎng)格計算模式云計算模式效用計算模式1．電廠模式階段有人說電廠模式就好比利用電廠的規(guī)模效應(yīng)來降低電價，并讓用戶使用方便，且無須維護和購買任何發(fā)電設(shè)備，這個比喻很好。云計算就是這樣一種規(guī)模計算模式，通過將大量的分散資源集中起來，進行規(guī)模化管理，從而降低成本，方便用戶使用。2．效用計算模式階段在1960年左右，當(dāng)時計算設(shè)備的價格是非常高昂的，遠非普通企業(yè)、學(xué)校和機構(gòu)所能承擔(dān)，所以很多人產(chǎn)生了共享計算資源的想法。1961年，麥肯錫在一次會議上提出了“效用計算”的概念，其核心借鑒了電廠模式，具體目標(biāo)是整合分散在各地的服務(wù)器、存儲系統(tǒng)以及應(yīng)用程序來共享給多個用戶，讓用戶能夠非常方便地使用計算資源，并且根據(jù)用量來付費。3．網(wǎng)格計算模式階段網(wǎng)格計算是一種跨地區(qū)，甚至跨國家、跨洲的獨立管理的資源結(jié)合。該模式對資源進行獨立管理，而不是統(tǒng)一布置、統(tǒng)一安排。網(wǎng)格資源是異構(gòu)的，不強調(diào)統(tǒng)一的安排。另外網(wǎng)格的使用通常讓分散的用戶構(gòu)成虛擬組織，在這樣一種統(tǒng)一的網(wǎng)格基礎(chǔ)平臺上用虛擬組織形態(tài)從不同的自治域訪問資源。4．云計算模式階段云計算的核心與效用計算和網(wǎng)格計算的核心非常類似，也是希望IT技術(shù)能像使用電力那樣方便，并且成本低廉。但與效用計算和網(wǎng)絡(luò)計算不同的是，云計算在需求方面已經(jīng)有了一定的規(guī)模，同時在技術(shù)方面基本成熟。云計算的概念與特征9.29.2.1云計算的概念9.2.2云計算的特征按需服務(wù)云計算的特征資源池廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問快速彈性使用可度量的服務(wù)高可靠性1.按需服務(wù)

用戶可以根據(jù)自身實際需求擴展和使用云計算資源，云計算具有快速提供資源和服務(wù)的能力。服務(wù)商能通過網(wǎng)絡(luò)方便地進行計算能力的申請、配置和調(diào)用，可以及時進行資源的分配和回收。2.廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問

通過互聯(lián)網(wǎng)提供自助服務(wù)，使用者不需要部署相關(guān)的硬件設(shè)施和應(yīng)用軟件，也不需要了解所使用資源的物理位置和配置等信息，可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)進行透明訪問，來獲取云中的計算資源。3.資源池匯集分配4.快速彈性使用

服務(wù)商的計算能力根據(jù)用戶需求變化，能夠快速而有彈性地實現(xiàn)資源供應(yīng)，快速部署資源或獲得服務(wù)。云計算平臺可以按照客戶需求快速部署和提供資源。通常情況下資源和服務(wù)是無限的，可以隨時隨地?zé)o限量購買。云計算業(yè)務(wù)使用則按資源的使用量計費。5.可度量的服務(wù)檢測控制管理

云服務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)服務(wù)類型提供相應(yīng)的計量方式，云計算控制系統(tǒng)通過一些適當(dāng)?shù)某橄蠓?wù)計量能力來提高資源利用率，還可以檢測、控制和管理資源使用過程。同時，在供應(yīng)者和消費者之間提供透明服務(wù)。6.高可靠性通過虛擬化技術(shù)將分布在不同物理服務(wù)器上的應(yīng)用進行恢復(fù)或利用動態(tài)擴展功能部署到新的服務(wù)器上進行計算數(shù)據(jù)多副本容錯計算節(jié)點同構(gòu)可互換9.2.3云計算的分類1．按服務(wù)類型分類云計算按服務(wù)類型可以分為三大類，分別是IaaS、PaaS、SaaS（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（InfrastructureasaService，IaaS）提供

IT基礎(chǔ)設(shè)施，例如服務(wù)器、虛擬機、存儲、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)等。IaaS把計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及搭建應(yīng)用環(huán)境所需的一些工具當(dāng)成服務(wù)提供給用戶，使得用戶能夠按需獲取IT基礎(chǔ)設(shè)施。（2）平臺即服務(wù)（PlatformasaService，PaaS）提供開發(fā)、測試、交付和管理軟件應(yīng)用程序所需的環(huán)境，無須考慮對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行設(shè)置或管理。PaaS是一種分布式平臺服務(wù)，為用戶提供一個包括應(yīng)用設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用測試及應(yīng)用托管在內(nèi)的完整計算平臺，如圖9.8所示。PaaS的核心技術(shù)主要有：描述性狀態(tài)遷移（RepresentationalStateTransfer，REST）技術(shù)、多租戶技術(shù)、并行計算技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)器技術(shù)、分布式緩存技術(shù)等。PaaS的主要用戶是開發(fā)人員。PaaS平臺的種類目前較少，比較著名的有：F、GoogleAppEngine、WindowsAzure、CloudFoundry。（3）SaaS向用戶提供軟件應(yīng)用復(fù)合和用戶交互接口等服務(wù)，以訂閱為基礎(chǔ)按需提供。SaaS云服務(wù)提供商負責(zé)維護和管理云中的軟件以及支撐軟件運行的硬件設(shè)施，同時免費為用戶提供服務(wù)或者以按需使用的方式向用戶收費，如圖9.9所示。SaaS核心技術(shù)主要有：虛擬化技術(shù)、分布式存儲技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超大規(guī)模資源管理技術(shù)、云服務(wù)計費技術(shù)等。SaaS就是軟件服務(wù)提供商為滿足用戶的需求而提供的軟件計算能力，用戶無須安裝、升級和防病毒等，并且免去了初期的軟硬件支出。2．按部署類型分類云計算按部署類型主要分為公有云、私有云、混合云、社區(qū)云（1）公有云公有云通常指第三方提供商為用戶提供的云，如圖9.11所示。公有云一般可通過互聯(lián)網(wǎng)使用，通常是免費或成本低廉的。這種云有許多實例，可在整個開放的公有網(wǎng)絡(luò)中提供服務(wù)。公有云服務(wù)于普通大眾，優(yōu)點是：使用方便，除通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)外，還可以通過其他方式提供服務(wù)；成本低廉，客戶只需為他們使用的資源支付費用；無須擔(dān)心安裝和維護問題，服務(wù)商可以訪問所提供的云計算基礎(chǔ)設(shè)施。（2）私有云

私有云是為一個客戶單獨使用而構(gòu)建的，因而提供對數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的有效控制。私有云公司擁有基礎(chǔ)設(shè)施，并可以控制在此基礎(chǔ)設(shè)施上部署應(yīng)用程序。私有云可部署在企業(yè)數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，也可以將它們部署在一個安全的主機托管場所。私有云的核心屬性是專有資源。私有云中的數(shù)據(jù)較安全，服務(wù)穩(wěn)定，可以充分利用現(xiàn)有的硬件和軟件資源。（3）混合云混合云融合了公有云和私有云，是近年來云計算的主要模式和發(fā)展方向。我們已經(jīng)知道私有云主要面向企業(yè)用戶，出于安全考慮，企業(yè)更愿意將數(shù)據(jù)存放在私有云中，但是同時又希望可以獲得公有云的計算資源。在這種情況下混合云得到越來越多的使用，它將公有云和私有云進行混合和匹配，以獲得最佳的效果。這種個性化的解決方案，達到了既低廉又安全的目的。（4）社區(qū)云社區(qū)云是由幾個組織共享的云端基礎(chǔ)設(shè)施，支持特定的社群，有共同的關(guān)切事項，例如使命任務(wù)、安全需求、策略與法規(guī)遵循考量等。管理者可能是組織本身或第三方；管理位置可能在組織內(nèi)部，也可能在組織外部。公有云、私有云和混合云對比：云計算的關(guān)鍵技術(shù)9.3云計算怎么實現(xiàn)的？9.3.1虛擬化技術(shù)云計算組織和管理了大量的IT資源，按需服務(wù)，彈性資源池離不開云背后的虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)云計算能運行各種服務(wù)應(yīng)用虛擬技術(shù)容器提供了一種簡單的輕量級隔離方法使得不同的服務(wù)應(yīng)用在云上運行相互不影響大大減小管理復(fù)雜度和運行壓力提升靈活性1．CPU虛擬化CPU虛擬化指的是將單個CPU虛擬成多個CPU進行使用，可以解決一部分兼容問題，提升軟件運行效率，充分利用計算機的資源。2．內(nèi)存虛擬化

通過虛擬化技術(shù)對內(nèi)存進行虛擬化，一方面可以使得進程擁有“更多的內(nèi)存”，另一方面讓多個虛擬機能同時利用同一塊內(nèi)存，內(nèi)存的使用從0開始，并保持連續(xù)。3．網(wǎng)絡(luò)I/O虛擬化網(wǎng)絡(luò)輸入輸出（Input/Output，I/O）虛擬化是一種新型的虛擬化技術(shù)，源自對物理連接或物理傳輸上層協(xié)議的抽象，讓物理服務(wù)器和虛擬機可以共享I/O資源。這種虛擬化技術(shù)大多應(yīng)用在本地主機服務(wù)器連接到機器頂端單元的場景中，這個單元承載著各種網(wǎng)絡(luò)、存儲和圖形適配器，它們構(gòu)成了I/O連接資源的動態(tài)池。4．網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)虛擬化又稱為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV），是將以前基于硬件的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谲浖木W(wǎng)絡(luò)。具體來說，它是一個在物理網(wǎng)絡(luò)上模擬出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)的過程。這種技術(shù)允許獨立于硬件來交付網(wǎng)絡(luò)功能、硬件資源和軟件資源，即虛擬網(wǎng)絡(luò)它可以用來合并許多物理網(wǎng)絡(luò)，或者將一個這樣的網(wǎng)絡(luò)進一步細分，又或者將虛擬機（VM）連接起來。其優(yōu)勢是提升硬件的利用率，加快新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)的推廣效率，簡化網(wǎng)絡(luò)管理和提升網(wǎng)絡(luò)安全性9.3.2分布式存儲技術(shù)1．傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲集中存儲數(shù)據(jù)，其使得數(shù)據(jù)存儲出現(xiàn)系統(tǒng)性能、可靠性的瓶頸問題，導(dǎo)致讀寫計算性能不足，擴展性差，數(shù)據(jù)規(guī)模較大時無法滿足存儲需求。2．分布式數(shù)據(jù)存儲分布式數(shù)據(jù)存儲運行在多個節(jié)點上，自動整合集群內(nèi)所有的存儲資源，并通過虛擬化對外提供文件訪問服務(wù)，具有更好的擴展性與更大的容量，更符合大規(guī)模數(shù)據(jù)對計算機系統(tǒng)性能的要求。9.3.3云管理平臺9.3.4云安全云安全：9.3.5自動化部署技術(shù)自動化部署技術(shù)

部署就是指完成軟件開發(fā)后，通過一些配置使得開發(fā)的軟件能夠在目標(biāo)環(huán)境中運行。在此過程中，源代碼會轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀繕?biāo)環(huán)境中可運行的軟件包。自動化部署指部署過程中的操作全部自動化，無須人工參與。在大型項目的部署上應(yīng)用自動化部署技術(shù)可以大大提升效率。目前，已經(jīng)有一些工具可以幫助我們實現(xiàn)這些操作，如Jenkins、GitLabCI/CD、GitHubActions等。云計算的應(yīng)用9.41.云物聯(lián)可穿戴設(shè)備智能家居車聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管設(shè)備2.