云計算關鍵技術及標準化

　　1 引言

　　云計算并不是一個全新的名稱。1961年，圖靈獎得主John McCarthy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，Google CEO Eric Schmidt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，成為少數(shù)幾個提供99.95%正常運行時間保證的云計算供應商之一。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、自治的服務為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。而Berkeley大學則認為云計算是指Internet上以服務發(fā)布的應用以及支撐這些服務的數(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)絡為用戶提供的按需即取的服務Service on Demand，包括基于提供計算能力，存儲能力，以及網(wǎng)絡能力的各種服務的組合。正是因為服務的按需即取的特性，需要對應于計算能力、存儲能力、交付能力的各種計算資源、存儲資源，以及網(wǎng)絡資源的按需即取的資源池管理和彈性提供。

　　從業(yè)務提供方式上，云可以提供3種業(yè)務：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)務的應用平臺，再將應用接口和開發(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用軟件租用服務。目前，業(yè)界研究最多的是 IaaS和PaaS，本文將針對IaaS(對應基礎云)和PaaS(對應業(yè)務云)的關鍵技術，實現(xiàn)方案以及云的標準化進行闡述。

　　2 關鍵技術

　　2.1 虛擬化

　　虛擬化是實現(xiàn)云計算的最重要的技術基礎，虛擬化技術實現(xiàn)了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示。通過虛擬化技術可以提高資源的利用率，并能夠根據(jù)用戶業(yè)務需求的變化，快速、靈活地進行資源部署。

　　2.1.1 虛擬化平臺架構

　　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構，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，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 虛擬化平臺功能結構

　　(1)虛擬機管理：主要保護VM的創(chuàng)建、啟動、停止、遷移、恢復和刪除等能力，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，即當一個主機節(jié)點失效后，該功能實體能將其上的服務自動轉移到其他節(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，當一個主機節(jié)點失效后，Cluster自動將其上的服務轉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)絡創(chuàng)建、配置、修改和刪除等能力。當一個VM的內(nèi)存、外出或網(wǎng)絡資源不足時，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/關閉部分主機節(jié)點，并遷移關聯(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(Physical to Virtual)，V2P(Virtual to Physical)，VA(Virtual ApplicaTIon)，JEOS(Just enough Operating System)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anti-virus，IDS等。

　　2.1.2 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Hypervisor + Host OS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)點上的服務遷移到其他節(jié)點，并為其重新分配存儲和網(wǎng)絡資源，使得服務不間斷。VM管理可部署在獨立的服務器上，由其負責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

　　2.1.3 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，在一臺物理服務器或一套硬件資源上虛擬出多個虛擬機，讓不同的應用服務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服務交付，而不用受到有限的操作系統(tǒng)、應用程序和硬件選擇范圍的制約。

　　(2)利用虛擬機與硬件無關的特性，按需分配資源，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡。當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)行緊迫計算任務的虛擬機將得到更多的計算資源，保證關鍵任務的響應能力。

　　(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)服務器硬件故障時，可自動重啟虛擬機。消除在不同硬件上恢復操作系統(tǒng)和應用程序安裝所帶來的困難，其中任何物理服務器均可作為虛擬服務器的恢復目標，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。