雲計算的關鍵技術及發展現狀論文

居巍傑

摘要：本文給出了雲計算的定義，總結了雲計算的關鍵技術，揭示了雲計算是多種新技術的綜合發展產物，並詳細介紹了雲計算的發展現狀。

關鍵詞：雲計算；數據存儲；編程模型；雲安全

1. 前言

雲計算(Cloud Computing)是一種新近提出的計算模式。雲計算將待處理的數據送到互聯網上的超級計算機集羣中進行計算和處理，把互聯網變成一種全新的計算平台，能夠在網絡上實現按需購買與按使用付費的業務模式。自從雲計算的概念提出來以後，立刻引起業內各方極大的關注，現在已成為信息領域的研究熱點之一。雲計算到底是什麼？為什麼需要雲計算？雲計算的關鍵技術有哪些？雲計算的發展現狀如何？本文將就上述問題展開敍述。

2. 雲計算定義

雲計算（Cloud Computing）是由分佈式計算（Distributed Computing）、並行處理（Parallel Computing）、網格計算（Grid Computing）發展而來的，是一種新興的商業計算模型。目前，對於雲計算的認識在不斷地發展變化，雲計算仍沒有普遍一致的定義。

IBM公司於2007年底宣佈了雲計算計劃，雲計算的概念出現在大眾面前。在IBM的技術白皮書“Cloud Computing”[1]中的雲計算定義：“雲計算一詞用來同時描述一個系統平台或者一種類型的應用程序。一個雲計算的平台按需進行動態地部署(provision)、配置(configuration)、重新配置(reconfigure)以及取消服務(deprovision)等。在雲計算平台中的服務器可以是物理的服務器或者虛擬的服務器。高級的計算雲通常包含一些其他的計算資源，例如存儲區域網絡(SANs)。網絡設備，防火牆以及其他安全設備等。雲計算在描述應用方面，它描述了一種可以通過互聯網Intemet進行訪問的可擴展的應用程序。“雲應用”使用大規模的數據中心以及功能強勁的服務器來運行網絡應用程序與網絡服務。任何一個用户可以通過合適的互聯嘲接入設備以及一個標準的瀏覽器就能夠訪問

一個雲計算應用程序。”

雲計算是基於互聯網的超級計算模式，包含互聯網上的應用服務及在數據中心提供這些服務的軟硬件設施，進行統一的管理和協同合作。雲計算將IT 相關的能力以服務的方式提供給用户，允許用户在不瞭解提供服務的技術、沒有相關知識以及設備操作能力的情況下，通過Internet 獲取需要的服務。

通過對雲計算的描述，可以看出雲計算具有高可靠性、高擴展性、高可用性、支持虛擬技術、廉價以及服務多樣性的特點。現有的雲計算實現使用的技術體現了以下3個方面的特徵[2]：

（1）硬件基礎設施架構在大規模的廉價服務器集羣之上．與傳統的性能強勁但價格昂貴的大型機不同，雲計算的基礎架構大量使用了廉價的服務器集羣，特別是x86架構的服務器．節點之間的巨聯網絡一般也使用普遍的千兆以太網．

（2）應用程序與底層服務協作開發，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來構造應用．而云計算為了更好地利用資源，採用了底層結構與上層應用共同設計的方法來完善應用程序的構建．

（3）通過多個廉價服務器之問的宂餘，使用軟件獲得高可用性．由於使用了廉價的服務器集羣，節點的失效將不可避免．並且會有節點同時失效的問題．為此，在軟件設計上需要考慮節點之間的容錯問題，使用宂餘的節點獲得高可用性．

3. 雲計算關鍵技術[3][4]

雲計算是一種新興的計算模式，其發展離不開自身獨特的技術和所涉及的一系列其他傳統技術的支持，並藉助SaaS/PaaS/IaaS 等先進的商業模式把這強大的計算能力分佈到終端用户手中。

（1）虛擬化技術

虛擬化是實現雲計算的最重要的技術基礎，虛擬化技術實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硬件的基礎上運行。通過虛擬化技術可以提高資源的利用率，並能夠根據用户業務需求的變化，快速、靈活地進行資源部署，實現動態負載均衡；同時與硬件無關的特性帶來系統自愈功能，提升系統的可靠性。在雲計算實現中，計算系統虛擬化是一切建立在“雲”上的服務與應用的基礎。虛擬化技術目前主要應用在CPU、操作系統、

服務器等多個方面，是提高服務效率的最佳解決方案。

（2） 數據存儲技術

為保證高可用性、高可靠性和經濟性，雲計算採用分佈式存儲的方式來存儲數據，採用宂餘存儲的方式來保證存儲數據的可靠性，即為同一份數據存儲多個副本。這樣用户就無需考慮存儲容量、數據存儲位置以及數據的安全性和可靠性等問題。

另外，雲計算系統需要同時滿足大量用户的需求，並行地為大量用户提供服務。因此，雲計算的數據存儲技術必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點。雲計算的數據存儲技術的主要代表有谷歌的GFS（Google File System）。IBM 的“藍雲”採用的是HDFS（Hadoop Distributed File System）數據存儲技術。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。

雲計算的數據存儲技術未來的發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

雲計算系統對大數據集進行處理、分析，並向用户提供高效的服務，因此，數據管理技術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，也是雲計算數據管理技術所必須解決的問題。雲計算系統中的數據管理技術主要是Google 的BT（BigTable） 數據管理技術和Hadoop 團隊開發的開源數據管理模塊HBase。由於管理形式的不同造成傳統的SQL 數據庫接口無法直接移植到雲管理系統中來，目前一些研究在關注為雲數據管理提供RDBMS 和SQL 的接口，如基於Hadoop 子項目HBase 和Hive 等。

（4）編程模型

為了使用户能更輕鬆地享受雲計算帶來的服務，讓用户能利用該編程模型編寫簡單的程序來實現特定的目的，雲計算上的編程模型必須十分簡單，必須保證後台複雜的並行執行和任務調度向用户和編程人員透明。當前比較有代表性的是Google 和Hadoop 項目。Google開發了java、Python、C++ 編程工具Map/Reduce，它不僅僅是一種編程模型，同時也是一種高效的任務調度模型，主要用於數據集的並行運算和並行任務的調度處理。這種編程模型並不僅適用於雲計算，在多核

和多處理器、cellprocessor 以及異構機羣上同樣有良好的性能。

（5）雲安全

雲計算是一種基於互聯網的計算模式，提供服務的時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於既有信息系統中的共性安全問題。雲安全經過樣本收集和MD5 端匹配技術發展階段，目前已發展到了第三代的可信雲安全。可信雲安全的特點是網上自動安全檢測和防禦，客户端可以優化到很小，以提高性能、減少資源消耗。

4. 雲計算髮展現狀

目前，亞馬遜，微軟，谷歌，IBM，Intel等公司紛紛提出了“雲計劃”。例如亞馬遜的AWS (Amazon Web Services)[5]、IBM和谷歌聯合進行的“藍雲”計劃等。這對雲計算的商業價值給予了巨大的肯定。同時學術界也紛紛對雲計算進行深層次的研究。例如谷歌同華盛頓大學以及清華大學合作，啟動雲計算學術合作計劃(Academic Cloud Computing Initiative)，推動雲計算的普及，加緊對雲計算的研究。美國卡耐基梅隴大學等提出對數據密集型的超級計算（DISC：Data Intensive SuperComputing）進行研究，本質上也是對雲計算相關技術開展研究。

IDC的調查顯示，未來五年雲計算服務將急速增長，預期2012年市場規模可達420億美元。目前企業導入雲計算已逐漸普及，並且有逐年成長趨勢。估計在2012年，企業投入在雲計算服務的支出將佔整體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，在各大公司以及學術界的共同推動下，雲計算技術將會持續發展。

目前中國雲計算的討論多數集中在早期雲計算的概念、技術和模式上。早期的雲計算是一種動態的、易擴展的、通過互聯網提供虛擬化IT 資源和應用的一種計算模式。用户不需要了解雲技術內部的細節，也不必具有云內部的專業知識，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並按用量付費。2008 年，IBM在無錫建立了中國第一個雲計算中心，在北京IBM中國創新中心建立了第二個雲計算中心—IBM大中華區雲計算中心。2009 年初，在南京建立國內首個“電子商務雲計算中心”。世紀互聯推出“CloudEx”產品線，包括完整的'互聯網主機服務“CloudExComputing Service”、基於在線存儲虛擬化的“CloudEx StorageService”等雲計算服務。

隨着雲計算的升温，國內的電信運營商也都積極投入到雲計算的研究中，以期通過雲計算技術促進網絡結構的優化和整合，尋找到新的贏利機會和利潤增長點，以實現向信息服務企業的轉型。中國移動推出了“大雲”（Big Cloud）雲計算基礎服務平台，中國電信推出了“e雲”雲計算平台，中國聯通則是推出了“互聯雲”平台。我國企業創造了“雲安全”概念，通過網狀的大量客户端對網絡中軟件行為的異常監測，獲取互聯網中木馬、惡意程序的最新信息，在服務端進行自動分析和處理，再把解決方案分發到客户端。瑞星、趨勢等企業都推出了雲安全解決方案。

隨着雲計算的發展，互聯網的功能越來越強大，用户可以通過雲計算在互聯網上處理龐大的數據和獲取所需的信息。從雲計算的發展現狀來看，未來雲計算的發展會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展。不斷創建新的雲計算應用程序，為用户提供更多更完善的互聯網服務也可作為雲計算的一個發展方向。

5. 結束語

綜上所述，雲計算是一種新型的計算模式。它的最主要特徵是系統擁有大規模數據集、基於該數據集，向用户提供服務。它使用大量的普通商用機來構建系統，通過宂餘存儲的方式確保整個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，數據密集計算的雲系統上使用基於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並行化方式，專心與程序的邏輯實現。普通用户經過簡單的學習，可以編寫出滿足自身需要的簡單程序。

越來越多的IT廠商提出了自己的“雲”計劃，並投入大量資金推動雲計算的發展。這恰恰為雲計算提供了良好的發展機遇。雖然現在的雲計算並不能完美地解決所有的問題，但是在不久的將來，一定會有越來越多的雲計算系統投入實用，雲計算系統也會不斷地被完善，並推動其他科學技術的發展。

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. 雲計算:系統實例與研究現狀[J]. 軟件學報, 2009, 20(5):