云计算IaaS实例研究综述

张力

摘 要：对比传统基础架构，分析了云计算IaaS的组件和工作原理，研究了IBM的PowerLinux架构、思科的HyperFlex架构以及华为的Openstack架构的各自特点及服务，以期为用户选择IaaS服务提供参考。

关键词：云计算；IaaS；Hadoop；云基础架构

DOIDOI：10.11907/rjdk.171372

中图分类号：TP301

文獻标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0208-03

0 引言

随着2006年谷歌推出“101计划”，云计算开始进入人们视野。如今，云计算已在人们的工作、生活中得到了广泛应用。云计算能给用户带来更少的支出、更高的效率、更灵活的扩展性，都是源于云计算是基于对整个IT领域的变革，其技术和应用涉及硬件与软件系统、运维管理、服务模式等各个方面。

云计算的服务形式主要有3种：SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）、IaaS（基础即服务）。IaaS作为云计算最基础的服务，将基础架构进行云化，为应用系统的安装、部署和运行维护提供支撑，以提升应用系统工作效率，降低总成本。IaaS由于包含各种软硬件系统，因此在向云迁移过程中也面临前所未有的挑战。本文首先分析IaaS的各种组件和工作原理，然后研究IBM的PowerLinux架构、思科的Cisco HyperFlex架构、华为的OpenStack架构，分析相关产品特点，最后对3种服务进行比较，以期为用户选择合适的基础架构服务提供借鉴。

1 传统基础架构

传统的IT基础架构如图1所示，属于专机专用系统。只要有新应用系统上线，就要分析该应用系统的资源需求，确定基础架构所需的计算、存储、网络等设备规格和数量。传统模式主要存在以下问题[1]：

（1）硬件资料高配低用。出于对未来业务发展的考虑，在选择计算、存储、网络等硬件设备配置时通常留有余量，但余量一般使用较少，从而使高配置的硬件设备利用率不高。

（2）整合困难。用户需要上线新的应用系统时，会优先考虑部署在既有的基础架构上。但由于不同应用系统所需的运行环境等有很大差异，而且考虑到可靠性、稳定性、运维管理等问题，将新、旧应用系统整合在一套基础架构上的难度非常大，更多用户往往选择新增与应用系统配套的计算、存储和网络等硬件设备。

综上述，传统的基础架构使得整体资源利用率不高，而且占用过多的机房空间和能源。随着应用系统的增多，IT资源的效率、扩展性、可管理性等都面临很大的挑战。

2 云计算基础架构

云基础架构在传统基础架构计算、存储、网络硬件层的基础上，增加了虚拟化层与云层，使得计算、存储、网络以及对应的虚拟化单个产品和技术本身不再是核心，重要的是通过资源整合，形成一个有机的、可灵活调度和扩展的资源池，面向云应用实现自动化的部署、监控、管理和运维功能。

在云基础架构模式下，服务器、网络、存储、安全采用虚拟化技术，资源池使得产品及对应的计算、存储、网络以及虚拟化策略是动态变化的。云基础架构融合的关键在于网络，目前计算虚拟化、存储虚拟化技术已相对成熟并自成体系，但就整个IT基础架构而言，网络是将计算资源池、存储资源池、用户连接在一起的纽带，只有网络能够充分感知到计算资源池、存储资源池和用户访问的动态变化，才能进行动态响应，在维护网络连通性的同时，保障网络策略的一致性。否则，通过人工干预和手工配置，将大大降低云基础架构的灵活性、可扩展性和可管理性。

3 基础架构技术

云计算基础架构主要使用Hadoop分布式系统平台，如图2所示。Hadoop由HDFS、MapReduce、HBase、Hive和ZooKeeper等组成，HDFS（Hadoop Distributed File System）是最基础与重要的元素，它作为底层分布式文件系统，用于存储集群中的所有存储节点，执行使用的是MapReduce引擎。

（1）Pig可加载数据、表达转换数据以及存储最终结果。Pig内置的操作使半结构化数据变得有意义（如日志文件）。同时Pig可扩展使用Java中添加的自定义数据类型并支持数据转换。

（2）Hive是基于Hadoop的一个工具，提供完整的SQL查询，可以将sql语句转换为MapReduce任务运行。

（3）ZooKeeper是一个分布式、开放源码的分布式应用程序协调服务，为分布式应用提供一致性服务，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。

（4）HBase是一个开源的、基于列存储模型的分布式数据库。

（5）HDFS是一个适合运行在通用硬件（Commodity Hardware）上的分布式文件系统，有着高容错性的特点，适合超大数据集的应用程序。

（6）MapReduce是一种计算框架，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。

4 各大运营商的云计算基础架构

4.1 IBM的PowerLinux架构

定位：适合中型企业、经济实惠的端到端基础架构应用程序解决方案。

PowerLinux架构具体特点如下：

（1）可靠性。PowerLinux开源基础架构服务在高度安全、极具弹性的 Linux 优化系统PowerLinux 7R2 服务器上运行，可以实现更快的交付速度。PowerLinux 7R2 服务器是一款密集的、仅运行 Linux 的双插槽机架外形服务器，配备 16 个 POWER7 处理器内核。PowerLinux 7R2 服务器中的智能线程和 Active Memory Sharing 等 POWER7 技术还可以提高工作负载性能与服务器投资回报[2]。endprint

（2）更高的硬件利用率。PowerLinux开源基础架构服务利用行业领先的PowerVM技术，可以充分发挥系统的强大功能。适用于PowerLinux的PowerVM是为PowerLinux机架式服务器提供的独家产品。此产品为新版本的PowerVM，以与 x86 虚拟化解决方案相当的价格提供企业级的功能。适用于PowerLinux的PowerVM提供的功能可以根据工作负载要求动态调整分配给分区的系统资源，以及允许虚拟机（VM）访问服务器中可用的最多数量的内存与 CPU 内核。多个共享处理器池、共享专用容量和 Active Memory Sharing 等PowerVM功能使无论是在预期或非预期的工作负载高峰，都可以通过系统资源高效地进行数据处理，其结果是更高的服务器吞吐量。适用于PowerLinux的PowerVM卓越的虚拟化效率支持横向扩展环境下更少服务器的单一工作负载服务器整合，从而减少服务器数量，简化服务器管理，并降低IT成本。

4.2 CISCO的HyperFlex架构

定位：一个易于使用的简化平台，它集计算、存储和网络功能于一体。该平台将云的“随增长，随投资”消费模式套用到内部基础设施上，从而提供敏捷性、效率和适应能力。

HyperFlex架构具体特点如下：

（1）全面的端到端解决方案。该平台集各种软件定义的功能于一体[3]，通过基于Intel Xeon处理器的思科统一计算系统（思科 UCS）服务器实现软件定义的计算；通过强大的新HyperFlex HX 数据平台软件实现软件定义的存储；思科统一交换矩阵能够与思科的基础设施（思科ACI）轻松集成，通过思科统一交换矩阵可实现软件定义网络（SDN）。网络功能是超融合系统中的关键要素，因为它是保障存储平台性能、轻松实现自动化，以及保护网络安全的基础。通过这种集成可提供支持单点管理的预集成集群，不仅订购方便，而且能够在一个小时之内投入使用并可靠运行。

（2）采用下一代数据技术。HyperFlex HX 数据平台控制器将整个集群的固态磁盘 （SSD） 驱动器和机械磁盘整合到一个基于对象的分布式多层Datastore中。此环境可通过冗余实现高可用性，并通过内嵌式重复数据删除和压缩功能实现出色的存储利用率。不仅如此，它还具备企业级存储系统应具备的其它功能，如HyperFlex系统能够在FCS时支持通过VMwarevSphere虚拟化及容器化的裸机环境。

4.3 华为的OpenStack架构

定位：开放、异构、支持不同业务特征的架构。

OpenStack架构具体特点如下：

（1）开放兼容。OpenStack架构具有很好的兼容性，广泛支持第3方厂商的计算、存储、网络和安全物理硬件和虚拟化软件产品，有效利旧且能支持长期演进，可为客户提供更加充分的自主选择权[4]。在云服务层面，在OpenStack基础上提供备份与容灾、热迁移、跨数据中心资源调度、电信云定制化扩展、业务弹性调度、智能管道调度、分布式引擎、物理资源池等扩展服务，可满足企业随需部署云业务。

（2）性能领先。采用裸金属架构的虚拟化引擎，对物理CPU资源的损耗小于5%，显著提升服务器资源利用率高达80%，减少IT部署成本30%以上。同时，能满足运营商业务中基站控制器对虚拟化引入时延小于20us的要求，远低于业界主流虚拟化引入的时延平均水平；分布式存储虚拟化软件性能业界领先，1TB数据重构时间小于30min，多盘并发能力可带来IOPS性能的十倍提升；采用FusionCompute虚拟化平台，具有业界最大的系统容量，支持4 096个节点，最大可管理8万个虚拟机；采用高性能分布式存储虚拟化软件，帮助系统提升性能的3倍以上。

5 结语

各厂商的云基础架构服务均具有敏捷、高效、适应性强等特点，在政府及公共事业、能源、金融、交通、医疗、教育、制造等各行业获得了广泛应用。但各产品又各有千秋，IBM PowerLinux集成PowerSystems的强大特性在分析大数据方面独领风骚，CISCO的HyperFlex在超融合方面别具一格，华为基础架构的FusionCompute虚拟化平台在系统容量方面独占鳌头。因此，在实际应用中可根据机构本身的数据存储需求、安全需求与计算需求，选择适合自己的基础架构服务。

参考文献：

[1] 云计算基础架构的解决方案[EB/OL].http：//cloud.51cto.com/art/201411/456798.htm.

[2] PowerLinux[EB/OL].http：//powerlinux.csdn.net/.

[3] 思科 HyperFlex HX 系列[EB/OL]. http：//www.cisco.com/c/zh_cn/products/hyperconverged-infrastructure/hyperflex-hx-series/index.html.

[4] OpenStack [EB/OL]. https：//docs.openstack.org/.

[5] 李阿妮，張晓，赵晓南，等.面向IaaS的云计算系统可用性评估[J].计算机科学，2016（10）：33-39.

[6] 叶雪琳，胡忠望.基于云计算技术的高校实验室信息化应用研究[J].中国现代教育装备，2016（13）：25-28.

[7] 葛磊，吴建军.高校云平台建设的研究与探索[J].软件工程，2016（1）：50-52.endprint