云计算体系结构中的多层次研究

唐国纯， 罗自强

（1.琼台师范高等专科学校 信息技术系，海口 571100 ；2.海南师范大学 信息科学技术学院，海口 571100）

云计算具有广阔的发展前景，从技术角度讲，它是将企业所有服务器、存储等基础设施以及网络整合到统一的云平台上。企业的运营管理、决策分析都将基于云平台展开。互联网的计算架构正在从“服务器 + 客户端”模式向“云服务平台 +客户端”模式演变。无论是 SaaS、PaaS 或 IaaS，其核心概念都是为用户提供按需服务。云计算就是数据、应用和服务存储在云端, 充分利用数据中心强大的计算能力, 实现用户业务系统的自适应性。基于这种理念，以云计算为核心的创新型应用不断产生。门户的设计要遵循应用即服务（Application as a service，AaaS）的理念，所有的资源和功能都以服务的形式提供给云客户端。

1 云计算的定义与特点

云计算是一种通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的计算模式，可表现为4种部署模型、3种服务模型、7个特征，如图1。

图1 云计算表现形式

2 云应用系统的服务架构层次

2.1 云应用系统的分类与特性

当前的云计算应用系统主要分为垂直型云计算系统和混合型云计算系统。

特性表现为：（1）云计算中资源是物理分布、逻辑统一的整体。（2）硬件和软件都是云计算中的资源，所有资源都被视为服务。（3）所有资源都可以根据用户需求动态扩展和配置，具有高度的可伸缩性。（4）用户可以根据需求选择任意规模、任意类型的资源，并按实际使用量付费。

2.2 云存储架构层次

云存储系统的结构模型由4层组成，如图2。存储层：是云存储基础部分，存储设备可以是光纤通道（FC）存储设备，网络附加存储器（NAS）中的存储设备，数量庞大且分布在不同地域，彼此之间通过广域网、互联网或 FC网络连接。基础管理层：是云存储核心部分，通过集群、分布式文件系统和网格计算等技术，实现云存储中多个存储设备之间的协同工作，使多个存储设备可以对外提供同一种服务，并提供数据访问性能。内容分发系统、数据加密技术保证云存储中的数据不会被未授权的用户所访问，同时，通过各种数据备份和容灾技术与措施，保证云存储自身安全和稳定，数据不丢失。应用接口层：云存储最灵活多变的部分，不同的云存储运营单位可以根据实际业务类型，开发不同的应用服务接口，提供不同的应用服务。访问层：任何一个授权用户都可以通过标准的接口登录云存储系统，享受云存储服务。云存储运营单位不同，提供的访问类型和访问手段也不同。

图2 云存储架构图

2.3 云网络参考架构层次

云网络参考架构，分为4个层次：网络资源池（NRP）、网络操作接口（NOI）、网络运行环境（NRE）和网络协议服务（NPS），如图3。其中，NRP是一些网络资源，如端口、带宽、队列、地址，可作为一个基本的服务相关的数据包转发。NOI是开放的，标准化的应用程序编程接口（API），配置和管理的NRP。NRE可以设立和运行协议服务实例（一个协议集），负责计费，资源分配，评估，互连每个协议服务实例和可靠的保证。NPS包括3个功能：网络协议的服务描述，网络协议的服务生命周期管理，网络协议的服务组成。

图3 云的网格参考结构

2.4 云应用系统的服务架构层次

（1）架构于系统商业云计算基础设施（IaaS）的云应用服务。（2）架构于系统商业云平台（PaaS）上的云应用服务。（3）架构于系统商业云软件（SaaS）上的云应用服务。（4）架构于以上三者混合的系统商业云上的云应用服务。其中，IaaS的云应用服务的平台架构如图4。

图4 架构于系统商业云计算基础设施（IaaS）的云应用服务平台架构

云由云计算平台和云服务应用2个层面组成。企业可以将基础设施包括传统的服务器、操作系统、存储运维等都统一部署在一个平台上。政府、企业和个人可以根据不同的需求部署成不同的应用，形成个性化的交付模式，形成一种云服务。在此基础上，可以构建一般通用的云应用系统的服务架构层次，如图5。

图5 通用的云应用系统服务架构

物理资源层将计算、存储和网络等组织为资源池的方式进行统一管理， 以获得最大资源利用率。虚拟化平台层利用虚拟化技术将硬件资源划分为虚拟硬件，从而提供虚拟CPU 、虚拟存储、虚拟网络等资源。IaaS资源服务提供层主要包括计算资源和存储资源，整个基础设施也可以作为一种服务向用户提供，不仅包括虚拟化的计算资源、存储，同时还要保证用户访问时的网络带宽等。平台资源PaaS层是整个云计算系统的核心层,提供应用程序运行及维护所需要的一切平台资源。主要包括并行程序设计和开发环境、分布式存储管理系统、分布式文件系统以及实现云计算的其它系统管理工具（数据库、中间件等），开发者不用担心应用运行时所需要的资源。应用资源SaaS层是面向用户提供简单的软件应用服务以及用户交互接口等。SOA构建层主要负责将信息服务组件按照 Web服务标准进行封装，并能通过工作流引擎直接使用系统提供的服务，也可以通过资源目录和交换体系进行服务注册、发布、查找和调用。

3 SaaS架构设计

SaaS软件架构设计可划分为5个层次，如图6。

目标层的驱动因素是要实现系统的各种相关角色，配置层的驱动因素是目标层中的各种目标，业务逻辑层的驱动因素是目标层和配置层，实现层的驱动因素是配置层中的各种可配置要求和业务逻辑层，采用相映的架构技术，满足高性能、可扩展的多租户系统。部署层的驱动因素是新的价值链角色服务提供商。

4 结束语

本文研究了云计算体系结构中的多层次应用，包括云存储架构层次、云网络参考架构层次等，提出了云应用系统的服务架构层次和5层驱动模型的SaaS架构设计等，可为云计算相关研究提供参考。

[1]陈 全，邓倩妮. 云计算及其关键技术[J]. 计算机应用，2009，29（9）：2564-2565.

[2]王佳隽， 吕智慧，吴 杰，等. 云计算技术发展分析及其应用探讨[J]. 计算机工程与设计，2010，31（20）：4406-4408.

[3]雷万云. 云计算—技术、平台及应用案例[M]. 北京：清华大学出版社，2011，6.

[4]Tao Feng, Jun Bi, Hongyu Hu, Hui Cao. Networking as a Service: a Cloud-based Network Architecture[J]. JOURNAL OF NETWORKS, 2011, 6(7):1084-1088.

[5]张建勋，古志民，郑 超. 云计算研究进展综述[J]. 计算机应用研究，2010，27（2）.

[6]Wassim Itani, Ayman Kayssi, Ali Chehab.Privacy as a Service: Privacy-Aware Data Storage and Processing in Cloud Computing Architectures [C].2009 Eighth IEEEInternational Conference on Dependable, Autonomic and SecureComputing:713-714.

[7]Aobing Sun,ngkai Ji , Qiang Yue, Song Yang.IaaS Public Cloud Computing Platform Scheduling Modeland Optimization Analyzation[C]. 2010 Third International Conference on Education Technology and Training(ETT): 586-587.

[8]鲁小亿，林 健，查 礼. 凌云体系结构及关键技术研究[J]. 计算机研究与发展，2011，48（7）：1112-1113.

[9]Ivona Brandic, Schahram Dustdar,Tobias Anstett.Compliant Cloud Computing (C3): Architecture and Language Support for Userdriven Compliance Management in Clouds [C]. 2010 IEEE 3rd Interna tional Conference on Cloud Computing:244-247.

[10]肖云鹏，刘宴兵，杨莎莎，徐光侠. 基于云计算的OMS即时通讯系统设计与实现[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2010（4）.

[11]刘士军，张 勇，杨成伟. 基于SaaS 服务的中小企业业务协同系统[J]. 东南大学学报（自然科学版），2011，41（3）：459.

[12]王 磊，陈 刚，陆忠华. 基于云计算的高效科学计算应用软件框架[J]. 华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（增刊 I）：167.

[13]史佩昌，王怀民，蒋 杰，等. 面向云计算的网络化平台研究与实现[J]. 计算机工程与科学，2011，31（A1）249-251.