云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化介紹

1 引言

　　云計(jì)算并不是一個(gè)全新的名稱。1961年，圖靈獎(jiǎng)得主John McCarthy提出計(jì)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(huì)上首次提出“云計(jì)算”的概念。2004年，Amazon陸續(xù)推出云計(jì)算服務(wù)，成為少數(shù)幾個(gè)提供99.95%正常運(yùn)行時(shí)間保證的云計(jì)算供應(yīng)商之一。2007年，隨著IBM，Google等公司的宣傳，云計(jì)算概念開(kāi)始獲得全球公眾和媒體的廣泛關(guān)注。

　　云計(jì)算目前并沒(méi)有統(tǒng)一的定義。根據(jù)Wikipedia，云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算新方式，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個(gè)人和企業(yè)用戶提供按需即取的計(jì)算。而B(niǎo)erkeley大學(xué)則認(rèn)為云計(jì)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(rèn)為，云計(jì)算的概念不僅僅局限于計(jì)算，實(shí)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)Service on Demand，包括基于提供計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力，以及網(wǎng)絡(luò)能力的各種服務(wù)的組合。正是因?yàn)榉?wù)的按需即取的特性，需要對(duì)應(yīng)于計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交付能力的各種計(jì)算資源、存儲(chǔ)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(jì)算平臺(tái)上建立支持多種業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)，再將應(yīng)用接口和開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境提供給外部;SaaS在虛擬化的云計(jì)算平臺(tái)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(duì)IaaS(對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)云)和PaaS(對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)云)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方案以及云的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行闡述。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 虛擬化

　　虛擬化是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示。通過(guò)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(jìn)行資源部署。

　　2.1.1 虛擬化平臺(tái)架構(gòu)

　　在云計(jì)算環(huán)境中，通過(guò)在物理主機(jī)中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬化。多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在虛擬化平臺(tái)上，由虛擬化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的監(jiān)視和多個(gè)虛擬機(jī)對(duì)物理資源的共享。

　　總的來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為虛擬化平臺(tái)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(duì)執(zhí)行層進(jìn)行策略管理、控制，提供對(duì)虛擬化平臺(tái)統(tǒng)一管理的能力。如圖1所示，虛擬化平臺(tái)應(yīng)該包含虛擬機(jī)監(jiān)視器Hypervisor，虛擬資源的管理，虛擬機(jī)遷移，故障恢復(fù)，策略管理(如提供虛擬機(jī)自動(dòng)部署和資源調(diào)配)等功能實(shí)體。各部分具體功能描述如下：

　　圖1 虛擬化平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

　　(1)虛擬機(jī)管理：主要保護(hù)VM的創(chuàng)建、啟動(dòng)、停止、遷移、恢復(fù)和刪除等能力，虛擬機(jī)映像管理，虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境的自動(dòng)配置和快速部署啟動(dòng)等能力。虛擬機(jī)管理可根據(jù)主機(jī)節(jié)點(diǎn)/虛擬機(jī)的CPU，內(nèi)存，I/O，網(wǎng)絡(luò)等資源使用情況，自動(dòng)地在不同主機(jī)節(jié)點(diǎn)之間遷移VM，使得VM的性能得到保障。也包含主機(jī)節(jié)點(diǎn)的失效保護(hù)，即當(dāng)一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)失效后，該功能實(shí)體能將其上的服務(wù)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到其他節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)運(yùn)行。

　　(2)高可用Cluster：用于保證主機(jī)節(jié)點(diǎn)的失效保護(hù)，當(dāng)一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)失效后，Cluster自動(dòng)將其上的服務(wù)轉(zhuǎn)移到集群中的其他節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)運(yùn)行。該Cluster還可具有負(fù)載均衡和存儲(chǔ)集群的能力。

　　(3)動(dòng)態(tài)資源調(diào)配：虛擬存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、配置、修改和刪除等能力。當(dāng)一個(gè)VM的內(nèi)存、外出或網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)，可臨時(shí)借用同節(jié)點(diǎn)中其他VM暫時(shí)不使用的同類資源。

　　(4)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡：兼顧能源消耗和工作負(fù)載的均衡。根據(jù)策略需要，可開(kāi)啟/關(guān)閉部分主機(jī)節(jié)點(diǎn)，并遷移關(guān)聯(lián)的VM。

　　(5)管理工具：包含虛擬化平臺(tái)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(jī)安全：用于保證VM運(yùn)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(tái)部署

　　如圖2所示，在實(shí)際部署中，由于Cluster、動(dòng)態(tài)資源分配、主機(jī)安全等與Hypervisor關(guān)系密切，可以作為獨(dú)立的軟件部署在主機(jī)節(jié)點(diǎn)之中。其他功能都可以集成在一起，形成VM管理器。這樣進(jìn)行功能分配后，整個(gè)虛擬化平臺(tái)可以分為兩個(gè)軟件包：一是Hypervisor + Host OS軟件包，駐留在主機(jī)節(jié)點(diǎn)中;二是VM管理器軟件包。兩者之間的接口將被簡(jiǎn)化為配置、簡(jiǎn)單控制、查看和監(jiān)控幾類。

　　圖2 虛擬化平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　運(yùn)行VM的主機(jī)利用Cluster功能組成一個(gè)高可用的集群系統(tǒng)，當(dāng)其中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，可無(wú)需VM管理器的干涉，自動(dòng)地將失效節(jié)點(diǎn)上的服務(wù)遷移到其他節(jié)點(diǎn)，并為其重新分配存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，使得服務(wù)不間斷。VM管理可部署在獨(dú)立的服務(wù)器上，由其負(fù)責(zé)對(duì)虛擬化平臺(tái)的告警、運(yùn)行狀況監(jiān)控、負(fù)載調(diào)整等工作。虛擬化平臺(tái)物理部署如圖3所示。

　　圖3 虛擬化平臺(tái)部署圖

　　2.1.3 虛擬化平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

　　(1)平臺(tái)虛擬化實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)利用。利用虛擬化技術(shù)，在一臺(tái)物理服務(wù)器或一套硬件資源上虛擬出多個(gè)虛擬機(jī)，讓不同的應(yīng)用服務(wù)運(yùn)行在不同的虛擬機(jī)上，在不降低系統(tǒng)魯棒性、安全性和可擴(kuò)展性的同時(shí)，可提高硬件的利用率，減少應(yīng)用對(duì)硬件平臺(tái)的依賴性，從而使得企業(yè)能夠削減資金和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)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(jī)與硬件無(wú)關(guān)的特性，按需分配資源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。當(dāng)VM監(jiān)測(cè)到某個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過(guò)高時(shí)，可以在不中斷業(yè)務(wù)的情況下，將其遷移到其它負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)或者在節(jié)點(diǎn)內(nèi)通過(guò)重新分配計(jì)算資源。同時(shí)，執(zhí)行緊迫計(jì)算任務(wù)的虛擬機(jī)將得到更多的計(jì)算資源，保證關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)能力。

　　(3)平臺(tái)虛擬化帶來(lái)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(shí)，可自動(dòng)重啟虛擬機(jī)。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(lái)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(jìn)而減少硬件成本和維護(hù)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(shí)現(xiàn)智能電源管理;優(yōu)化虛擬機(jī)資源的實(shí)際運(yùn)行位置，達(dá)到耗電最小化，從而可為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省大量電力資源，減少供電成本，節(jié)能減排。