云计算综述

戴丽荣，戴 舒

（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津市中德职业技术学院 机械与材料学院，天津 300350）

1 云计算起源

云计算是在分布式计算、并行计算和网格计算等技术的基础上发展起来的，是一种新兴的共享基础架构的方法。它可以自我维护和管理庞大的虚拟计算资源，提供各种IT服务。用户在使用云计算提供的服务时按需付费，不仅降低了使用门槛，也极大地节省了开销。

2006年以前谷歌就已经有了成熟的云计算硬件架构，软件方面也开发了操作系统、文件系统、并行编程模型、并行计算数据库等云计算系统关键部件。

国内华东师大周傲英教授的科研团队在“数据密集型计算”领域的研究；清华大学张尧学院士的科研团队于1998年提出的“透明计算”等都可以看作云计算的前身，都在云计算的关键技术——虚拟化技术中做了大量研究。

在以上研究的基础上，2006年Google首席执行官埃里克在搜索引擎大会上首次提出云计算概念。随后IBM和Google宣布在云计算领域的合作，并迅速成为产业界和学术界研究的热点。目前，Google、IBM、Amazon、Sun、苹果等公司在云计算领域都已经取得了显著的成果，并在基础设施、平台、软件等服务中越来越完善。

2011年以来，我国云计算已经从前期的起步阶段开始进入实质性发展阶段。互联网公司、基础运营商、软硬件IT企业及各地政府等多方力量都在积极推动云计算发展。很多行业也都在试图应用云计算减少设备投资和运营成本。

2 云计算概念

云计算不是一个单纯的产品，也不是一项全新的技术，而是一种产生和获取计算能力的新的方式。

（1）Google认为：云计算是拥有开放标准和基于互联网服务的，可以提供安全、快捷和便利的数据存储和网络计算服务的系统。

（2）美国国家标准技术研究所认为：云计算是一种应用资源模式，它可以根据需要用一种很简单的方法通过网络访问已配置的计算资源。这些资源由服务提供商以最小的代价或专业的运作快速的配置和发布。

3 云计算的特点

（1）超大规模。Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。企业私有云一般拥有数百上千台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。

（2）虚拟化。云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，用户无需了解、不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一部手机，就可以通过网络服务来实现需要的一切，甚至包括超级计算。

（3）高可靠性。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。

（4）通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。

（5）高可扩展性。“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。

（6）按需服务。“云”是一个庞大的资源池，按需购买。云可以像自来水、电、煤气那样计费。

（7）极其廉价。a.由于“云”的特殊容错措施，云由极其廉价的节点来构成；b.“云”的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本；c.“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升。

缺点是潜在的危险性：云计算除了提供计算服务外，还提供了存储服务。但是云计算服务当前垄断在私人机构手中，而他们仅仅能够提供商业信用。数据的安全性保障目前还是个大问题。

4 与分布式计算、网格计算的区别

分布式计算是一种把需要进行大量计算的工程数据分解成小块，由多台计算机分别计算，然后将结果统一合并得出数据结论的科学。

云计算和网格计算都属分布式计算的范畴。

由于云计算和网格计算都具有分布式、并行处理等特点。但云计算并不是网格计算的“升级版”，它与网格计算存在巨大的差异。网格的构建大多为完成某一个特定的任务需要或者支持挑战性的应用，云计算一般来说都是为了通用应用而设计的，支持Web应用等，普适性更强。网格计算作为一种面向特殊应用的解决方案将会继续在某些领域存在，而云计算作为一场IT变革，则会深刻影响整个IT产业和人类社会。

云计算是一种“生产者—消费者”模型，用户通过因特网获取云计算系统提供的各种服务。网格系统是一种“资源共享”模型，资源提供者亦可成为资源消费者。云计算采用集群来存储和管理数据资源，运行的任务以数据为中心。而网格计算则是以计算为中心，计算资源和存储资源分布在因特网的各个角落。网格将数据和计算资源虚拟化，而云计算则进一步将硬件资源虚拟化。网格内各节点采用统一的操作系统，而云计算在各种操作系统的虚拟机上提供各种服务。

5 有代表性的云计算厂商

（1）Google最早提出云计算概念，正在运营的云计算商用平台称为Google应用引擎。平台上开发完善了操作系统Chrome OS、MapReduce编程模型、GFS文件系统和BigTable数据管理。Google推出了许多新的应用，从文档Google docs，图片Google Picasa，邮件 Gmail，到日程 Google Calendar，地图Google map，翻译Google translate等等，其应用涵盖桌面电脑日常应用的方方面面。

（2）亚马逊在2011年全美评选十大“云计算”供应商中排名第一。其云计算主要是提供底层的数据存储、计算机处理、信息排队和数据库管理系统等服务，不包括应用层面的服务。亚马逊的云计算名为AWS（亚马逊网络服务），包括四部分：S3（简单的存储服务）；EC2（弹性计算云）；SQS（简单排列服务）；分布式数据存储Simple DB。

（3）IBM推出的“蓝云计划”在全球建立了数十家云计算中心，在中国选择了北京和无锡作为其基地。IBM的蓝云平台由数据中心、管理软件、监控软件、应用服务器、数据库以及一些虚拟化组件共同组成，是一个企业级的解决方案。

（4）微软云计算包括三种运营模式：第一种模式是公司自己为客户提供公有云服务；第二种是和合作伙伴一起开发应用为客户服务；第三种是客户建立自己的私有云，微软提供平台、产品、技术等支持。微软在部署模式上全面覆盖了私有云、公有云和混合云的构建。提供的服务包括基础设施服务（IaaS）、平台服务（PaaS）和软件服务（SaaS）。

（5）SUN最早提出“网络就是计算机”。为了让云计算更容易使用，SUN做两件事情：一个是Network.com，集中了许多基于网格的在线应用，用户按照使用量来付费；另一个是Caroline项目，目的是让需要WEB应用和服务的开发人员可以很容易获得基于云的资源。SUN云计算是一个开放式平台，用户可以在平台上构建或者部署自己的应用程序，可以把自己的应用程序共享出来，作为服务提供给其他用户。

（6）国内阿里（Alisoft）中小企业管理软件平台也产生了很大的影响。2009年，阿里巴巴集团成立子公司“阿里云”，并专注于云计算领域的研究和开发。2012年阿里云为CSDN量身打造的基础云平台的第一个服务云邮箱正式上线运营，紧接着开放了存储业务。同年，阿里云联手天语打造的新一代云智能手机。

6 云计算数据存储和数据管理技术

6.1 云数据存储

与传统的存储设备相比，云存储不仅仅是一个硬件，而是一个网络设备、存储设备、服务器、应用软件等多个部分组成的复杂系统。各部分以存储设备为核心，通过应用软件来对外提供数据存储和业务访问服务。

云计算的数据存储技术主要有Google的非开源的GFS（Google File System）和 Hadoop开发团队开发的GFS的开源实现HDFS（Hadoop Distributed File System）。

6.2 云数据管理

云计算数据管理技术中最著名的是Google提出的BigTable数据管理技术。BigTable是管理结构化数据的分布式存储系统。它可以处理PB级数据，可以布署数以千计的普通计算机。

7 编程模型技术

当前IT厂商提出的“云”计划编程工具，均基于MapReduce和Dryad的编程模型。MapReduce是提出的一个软件架构，用于大规模数据集的并行运算。“Map（映射）”和“Reduce（归约）”及基本思想来自于函数式编程语言。MapReduce的主要思想是将要执行的问题分解成Map和Reduce两个过程：先通过Map函数将问题分解成不相关的区块，分配给服务器并行处理；再通过Reduce函数将结果归约汇总输出。微软发布的分布式并行计算平台Dryad，可以使开发人员在Windows或者.Net平台上编写大规模的并行应用程序，并能够方便地将单机上编写的程序运行在分布式并行计算平台上。

8 云安全

8.1 云计算的主要安全风险

a.来自云计算服务提供商的安全风险。

b.来自网络的安全风险。

c.虚拟化的安全风险。

d.边界安全模型失效带来的安全风险。

8.2 目前关于云计算安全性的研究

安全性研究集中在云计算安全标准的建立、可信访问控制、数据隐私保护、虚拟安全技术等方面。目前这些技术都未十分成熟，对于普通用户来说，还不能完全依赖服务商和安全技术来保障自己的数据安全。

8.3 降低云计算的安全风险

a.选择相对可靠的云计算服务提供商；

b.经常备份数据；

c.增强安全防范意识，不将敏感或核心数据放在云端；

d.增强访问控制，明确谁可以访问企业的数据。

9 云计算需解决的问题

云计算概念已提出六年，云计算研究时间更长，但云计算系统还是有很多问题没有解决。

（1）标准化问题：现有的云计算系统的部署相对分散，各自内部能够实现虚拟资源的自动分配、管理和容错等，但云计算系统之间的交互还没有统一的标准。关于云计算系统的标准化工作还需要更进一步的研究，还有一系列亟待解决的问题。

（2）数据安全问题：在云计算系统中，用户数据存储在云端，如何保证用户的数据不被非法访问和泄露是系统必须解决的两个重要问题，即数据的安全和隐私问题。

（3）网络稳定性问题：云服务要求网络连接具有持续性，Web应用程序的效率在带宽不足或不良的网络连接环境下会大大缩减。即使是网络相当快，由于数据资源在用户端和服务器集群间不断传递，也会导致Web应用程序比桌面应用程序反应慢。此外，网络有时会受到一些外力因素的影响而出现故障。如何应对这些突发情况，云计算中心如何快速恢复故障，也是必须考虑的问题。

（4）法律法规和监管问题：目前尚没有相关的国家或国际法律法规来支持和规范云计算，缺乏一个监管机构来监督管理云计算。云计算服务商和用户之间的责任及纠纷问题该如何规定，都没有明确统一的法律依据。

（5）市场调节问题：云计算的影响力正在逐渐向软件、硬件和服务等领域漫延。它的出现对于传统软件是一个变革，传统软件需要云化，才能改善其服务能力。也改变了传统硬件模式，对硬件供应商造成一定的冲击。同时，服务的模式也在发生变化。由于现有软件、硬件制造商的利益受到威胁，必会导致市场的激烈竞争，这就需要对市场进行正确的引导和调节。

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