1 引言

    任何一項新技術(shù)或者新的服務(wù)模式的成功，往往是因為其出現(xiàn)在恰當?shù)臅r間，并且有合適的外因和內(nèi)因來推動(例如:殺手級的應(yīng)用)，就像WWW的成功應(yīng)用推動了互聯(lián)網(wǎng)的普及一樣，云計算也不例外。

    2001年，Google在搜索引擎大會上首次提出云計算的概念，2007年年底，Google的一名工程師再次提出了云計算，自此，云計算開始得到工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、和各國政府的廣泛響應(yīng)．但云計算的歷史淵源可以追溯到元計算(Metacomputing)、普適計算(pervasive computing)、按需計算(On demand computing)、效用計算(Utility computing)、自主計算(Autonomiccomputing)、網(wǎng)格計算(Grid computing)等等，嚴格意義上講，云計算并不是一種完全意義上的新技術(shù)，而是一種新的服務(wù)模式，云計算將應(yīng)用和計算機資源包括硬件和系統(tǒng)軟件虛擬化之后包裝成服務(wù)，通過按需付費(pay-as-you-go)的方式穿越Internet來滿足用戶各種不同的需求，用戶可以不再需要購買昂貴的計算機系統(tǒng)，不再因為需要短時間使用某個軟件而不得不購買該軟件的使用版權(quán)，這種服務(wù)模式在過去的十多年中有過充分的探討，這兩年的的重新興起并以一個新的技術(shù)名詞出現(xiàn)，并不是因為產(chǎn)生了某種技術(shù)上的突破，而是由于信息數(shù)字化導(dǎo)致數(shù)據(jù)的爆炸性增長所帶來的一系列問題讓我們不得不重新思考計算機系統(tǒng)發(fā)展的新走向，另外，由于技術(shù)進步所帶來的部分老技術(shù)的重新復(fù)蘇也對云計算的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。

    本文介紹云計算發(fā)展的背景和主要動力，探討云計算的特點和優(yōu)勢，并從云體系結(jié)構(gòu)的角度，探討了云基礎(chǔ)設(shè)施下的云計算、云存儲和云傳輸所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

2 云計算的背景和推動力

    來自IDC的報告顯示，在2011年將有1800EB(Exabyte)的數(shù)據(jù)被產(chǎn)生，數(shù)據(jù)年增長率達到60%，在這些數(shù)據(jù)中，很大一部分是由個人產(chǎn)生的，這些數(shù)據(jù)中的絕大部分將存儲在世界各地的大型數(shù)據(jù)中心，然而，能耗和地板空間(floorspace)成為當前設(shè)計和管理大型數(shù)據(jù)中心所面臨的重要挑戰(zhàn)，例如，2005年美國新建立的數(shù)據(jù)中心需要消耗的能量相當于加利福尼亞州所消耗能量的10%(大約5GW)，需要花費大約40億美金，英國的1500個數(shù)據(jù)中心每年消耗的能量和英國第十大城市萊卡斯特所需要的能量相當，2010年，英國單個數(shù)據(jù)中心每年在能量上的花費達到大約740萬英鎊。

圖1 數(shù)據(jù)中心的熱密度趨勢

    另外，消耗的能量除了供各種計算機組件工作外，還產(chǎn)生大量的熱量，由于大部分計算機組件只能在一定的溫度環(huán)境下才能保證足夠的可靠性，因此，還需要額外的能量驅(qū)動制冷設(shè)備，Netapp的調(diào)查表明大型數(shù)據(jù)中心中制冷系統(tǒng)的能耗僅次于服務(wù)器，圖1列出了數(shù)據(jù)中心主要設(shè)備的熱密度趨勢．可以認為，數(shù)據(jù)中心的能耗問題處于一個惡性循環(huán)的狀態(tài)。

    再者，由于數(shù)據(jù)的增長導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心對新設(shè)備需求的不斷增加，但是數(shù)據(jù)中心的可擴展性完全受限于其地板空間，在數(shù)據(jù)中心的空間未擴展的情況下，隨著單位地板面積內(nèi)計算機設(shè)備的不斷增加，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的設(shè)備容量必將達到極限。

    然而，與以上數(shù)據(jù)形成鮮明對比的是，許多大型企業(yè)的IT基礎(chǔ)設(shè)施的利用率大約只有35%，在某些企業(yè)中可能會低至15%，Google也報告稱其服務(wù)器的利用率往往在10%到15%之間，一方面是由于數(shù)據(jù)增漲導(dǎo)致現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正面臨著能耗、地板空間、和可擴展性等問題的嚴峻挑戰(zhàn);另一方面則是IT基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率的極度低下，這使得工業(yè)界不得不重新思考所面臨的問題，并努力尋求解決的方法。

    虛擬機技術(shù)的重新復(fù)蘇也為云計算的的發(fā)展起到了推波助瀾的作用，虛擬機技術(shù)出現(xiàn)在上世紀70年代，并主要用在IBM360的大型機中，計算機硬件技術(shù)的發(fā)展基本上遵循摩爾定律，現(xiàn)在采用商用化的組件組成的桌面電腦其性能已足以支持多個操作系統(tǒng)的并行運行，由于虛擬機技術(shù)可以實現(xiàn)計算資源的按需分配，因此，完全可以利用商用化的計算機組件來構(gòu)造云環(huán)境，在這樣一個大的背景下，云計算在經(jīng)歷了數(shù)輪技術(shù)的洗禮之后被重新提上議程。

3 云體系結(jié)構(gòu)

    計算機從誕生到今天，經(jīng)歷了幾次大的體系結(jié)構(gòu)上的變遷，從上世紀50年代到70年代初期，基本上是獨立專用的大型機系統(tǒng)一統(tǒng)天下;70年代初期到80年代中期，開始有些小型機系統(tǒng)與自有網(wǎng)絡(luò);80年代中期到90年代初期，開始出現(xiàn)服務(wù)器與PC客戶機通過局域網(wǎng)互連;90年代初期至今，服務(wù)器與PC客戶機通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或Internet相連;當前正在推動的云計算則意味著從PC機時代重返大型機時代，但現(xiàn)在的大型機(即云)不再是定制的專用超級計算機，而是由地理上分布的、異構(gòu)的資源通過虛擬化技術(shù)聚合在一起，并能夠?qū)τ脩籼峁┌葱璧馁Y源分配，以提高IT基礎(chǔ)設(shè)施的資源利用率。

圖2 云環(huán)境的解析圖

    圖2表示了云環(huán)境的解析圖，正如引言中提到的云計算是一種服務(wù)模式，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)達成共識的是按服務(wù)類型大致可將云計算分為三類:將軟件作為服務(wù)(Softwareas a service，SaaS)、將平臺作為服務(wù)(Platform as a service，PaaS)、和將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS)，SaaS是指將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在云環(huán)境下，用戶可以根據(jù)實際需要通過定制或租用的方式使用基于Web的軟件來完成所需的工作，PaaS則將開發(fā)環(huán)境、硬件資源等組合成平臺并以服務(wù)的方式提供給用戶，用戶則可以在該平臺上開發(fā)應(yīng)用程序并通過互聯(lián)網(wǎng)供其他用戶使用，IaaS主要是指以服務(wù)方式提供各種IT資源，可以包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)．

圖3 云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)圖

    圖靈在1936年通過一個讀寫磁頭、一個有限狀態(tài)控制器、和一條雙向可無限延長的、被分成一個個方格的磁帶(方格里寫有符號)構(gòu)造了自動計算機的理論模型，即圖靈機，此后，馮·諾伊曼基于圖靈機進一步提出存儲程序的概念，指出計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成．自此，馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計算機的基本架構(gòu)，即，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究基本上可以簡單歸類于3個問題:計算、存儲與傳輸，三者相互影響．

    那么到底該如何來構(gòu)造云基礎(chǔ)設(shè)施的體系結(jié)構(gòu)?我們認為現(xiàn)在廣泛談?wù)摰脑朴嬎闶且粋�相對廣義的名詞，嚴格意義上來講，現(xiàn)在的云計算確切的名字應(yīng)該叫云環(huán)境，作為云環(huán)境最核心的部分，云基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該遵循馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，將其可以劃分為云計算、云存儲和云傳輸，上頁圖3表示了云基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)圖，硬件資源包括服務(wù)器/集群、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲系統(tǒng)經(jīng)過虛擬化之后對外提供按需的計算、數(shù)據(jù)存儲和傳輸。

    云在體系結(jié)構(gòu)上一個重要的特點是將地理上分布、大規(guī)模、異構(gòu)的資源進行虛擬化，并能夠?qū)τ脩籼峁┌葱璺��?wù)。

    很多針對計算機相關(guān)的資源的訪問往往都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的行為，其主要表現(xiàn)為在短時間內(nèi)有大量的事件發(fā)生．例如郵件服務(wù)器往往在早上9點至10點相對繁忙，這是因為絕大部分人上班的第一件事情往往是處理昨天的郵件，而在晚上0點左右最空閑，因為大部分的人這時候都休息了，這種突發(fā)性訪問的直接后果就是導(dǎo)致短時間內(nèi)的資源竟爭，從而造成擁塞和響應(yīng)時間的延遲，甚至有可能產(chǎn)生拒絕服務(wù)，一個簡單的例子如下:假設(shè)某個電子郵件服務(wù)器由集群系統(tǒng)構(gòu)成，大部分時間只需要處理3000個請求每秒，但在突發(fā)時段必須要處理10000個I/O請求每秒，如果每個集群節(jié)點磁盤的處理能力為1000個I/O請求每秒，則意味該系統(tǒng)在一般情況下只需要3個集群節(jié)點并行處理就可以滿足要求(理想情況)．然而，在突發(fā)時段必須要10個集群節(jié)點并行工作才能保證服務(wù)質(zhì)量，否則就會產(chǎn)生巨大的訪問延遲，甚至數(shù)據(jù)丟失，這表示在非突發(fā)時段，我們不得不提供大量的資源以保證突發(fā)時段服務(wù)器系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

    在云環(huán)境下，如果能夠較為準確的預(yù)測負載的情況，進行合適的負載遷移和資源調(diào)度，可以很大程度上解決這個問題．例如，由于時差，中國時間早上9點在英國則是下午5點，云環(huán)境下，在兩個不同國家的網(wǎng)絡(luò)用戶在不同的時間段會表現(xiàn)一種完全不同的行為，此時，可以將英國境內(nèi)的部分云資源調(diào)度給中國使用，來解決在中國出現(xiàn)的數(shù)據(jù)的突發(fā)性訪問，也可以將英國的部分負載遷移到中國境內(nèi)的云資源上，從而讓在較長一段時間內(nèi)不被訪問的部分資源轉(zhuǎn)入低能耗狀態(tài)以節(jié)省能量，因此，和通用的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是，云的成功在很大程度上決定于云的規(guī)模效應(yīng)，同時，一個設(shè)計良好的云基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該能夠合理地安排計算、存儲和傳輸，使得其規(guī)模和性能能夠同步擴展，下面我們來探討云計算、云存儲、云傳輸各自面臨的問題以及可能的解決方法。

4 云計算

    云計算系統(tǒng)被認為是可以替代超級計算機和專用的計算集群，而且更可靠、可擴展，其中一個很重要的賣點就是scaleby credit card，就是說在經(jīng)濟許可的情況下，可以立即進行擴展或者進行臨時的擴展，此外，網(wǎng)格計算的一種基本工作模式是用戶向網(wǎng)格提交作業(yè)，然后由調(diào)度器在網(wǎng)格環(huán)境下尋找合適的資源來處理相應(yīng)的作業(yè)，待作業(yè)處理完成之后再將結(jié)果返還給用戶，網(wǎng)格環(huán)境下的作業(yè)可以分成兩種:批處理的作業(yè)和交互式處理的作業(yè)，網(wǎng)格環(huán)境下的作業(yè)處理方式可以較好地應(yīng)對大計算量、批處理的作業(yè)，但是，對于交互式的作業(yè)卻顯得有些力不從心，同時，網(wǎng)格的這種處理模式也很單一，缺乏靈活性，如果能夠?qū)⒂嬎阗Y源按需地分配給用戶，由用戶自主地管理和使用資源，則可以極大的簡化系統(tǒng)的管理，同時賦予用戶極大地靈活性，但是，在網(wǎng)格環(huán)境下實現(xiàn)計算資源的按需分配一直是一個旋而未解的問題，對于云計算而言，最關(guān)鍵的問題是如何對用戶申請的計算資源實行按需分配，并能進行有效的擴展和管理。

    4.1 云計算實例分析

    近年來，由于計算機硬件性能的大幅提升(根據(jù)Moore定律，CPU性能和內(nèi)存容量每18個月就可翻一番)，使得虛擬機技術(shù)獲得了良好的發(fā)展基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用前景，虛擬機通過軟件來模擬具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)，虛擬機具有很多優(yōu)點:

    1)可以充分共享計算機資源以提高資源的利用率，多個操作系統(tǒng)可以同時存在和運行于同一臺計算機上(在單個服務(wù)器上有可能同時運行數(shù)百個虛擬機器)，操作系統(tǒng)的部署靈活方便，并且能夠有效隔離操作系統(tǒng)和資源;

    2)虛擬機中的操作系統(tǒng)崩潰后恢復(fù)比較容易，并不會對同一個物理平臺上的其它操作系統(tǒng)造成影響，而且比較容易實現(xiàn)操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)重放和回滾。

    由于虛擬機技術(shù)可以在同一個計算機硬件平臺上運行多個操作系統(tǒng)和相應(yīng)的應(yīng)用程序，并且有效地保證彼此之間的隔離和安全，因此，如果在同一個硬件平臺上運行多個虛擬機，將可以極大地提高硬件資源的利用率，例如，一個典型的數(shù)據(jù)中心往往有郵件服務(wù)器、FTP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等．為了保證服務(wù)的連續(xù)性和隔離單個服務(wù)器的失效對其它服務(wù)器的影響，通常將每個應(yīng)用運行在一個獨立的計算機平臺上．利用虛擬機技術(shù)，在硬件資源許可的條件下，完全可以在同一個平臺上運行多個應(yīng)用，另外非常重要的一點是，虛擬機技術(shù)提供了按需使用計算資源的一種手段和方式。

圖4 亞馬遜的EC2提供的5個實例

    云計算服務(wù)商亞馬遜的EC2(Elastic Computing Cloud)，GoGrid都是通過虛擬機技術(shù)來提供按需計算服務(wù)，用戶只需要給出具體的參數(shù)要求，云計算平臺就能分配一個相應(yīng)的虛擬計算機，圖4表示亞馬遜的EC2所提供的實例類型，其中ECU是亞馬遜自己定義的一個CPU的性能單位，一個ECU相當于1，0-1，2 GHz 2007 Opteron or Xeon 的性能，用戶可以使用圖4中5個實例中的任何一個來構(gòu)造自己的系統(tǒng)，同時用戶還可以根據(jù)需要向已有的系統(tǒng)中增加或者刪減實例，以實現(xiàn)系統(tǒng)的彈性擴展。

    EC2作為最有代表性的云計算平臺之一，2008年，Walker分別利用macrobenchmark和microbenchmark對利用EC2構(gòu)造的虛擬集群和已有的高性能集群進行了性能的測試比較。

    他利用NAS并行Benchmark測試了在不同的集群上運行科學(xué)計算應(yīng)用的性能，也利用了mpptest microbenchmark測試了在不同的集群上運行MPI的性能，他的測試結(jié)果表明在傳統(tǒng)的高性能計算集群和利用EC2構(gòu)造的集群之間還存在著較大的性能差距，因此，他認為利用商用化的云計算平臺來構(gòu)造高性能的集群計算環(huán)境還有很長的路需要走。

    2009年，Ostermann等人再次利用亞馬遜的EC2來進行了科學(xué)計算方面的測試，在利用Benchmark測試過程中，好幾次由于亞馬遜云計算平臺方面的原因?qū)е聹y試未能完成，這時只能進行手工的干預(yù)，他們的測試結(jié)果表明在云計算平臺上來進行計算密集型的科學(xué)計算，其性能和可靠性方面都還有待進一步地提高，盡管該平臺為科學(xué)家提供了一種臨時、短時間內(nèi)的計算資源的解決方案。

    個人認為，現(xiàn)有的云計算平臺應(yīng)該能滿足個人用戶的需求，但是，對于大規(guī)模的計算密集型的應(yīng)用，還有很多問題有待解決。

    4.2 云計算系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

    虛擬機技術(shù)也帶來了一系列的問題，正如前面提到的，虛擬機技術(shù)最初使用在IBM360的大型機中，大型機中往往采用專門的通道來來保證外部設(shè)備的訪問和性能，但是，將該技術(shù)移植到基于商用組件的X86環(huán)境下，由于缺乏專用的通道和通道處理機來應(yīng)對I/O訪問，虛擬機環(huán)境下的I/O問題已經(jīng)成為當前虛擬機系統(tǒng)中面臨的最大問題，在傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生異步I/O操作后直接返回，待I/O操作完成后會產(chǎn)生中斷給操作系統(tǒng)，并將I/O操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序，然而在虛擬機環(huán)境下，該過程被極大地復(fù)雜化了，以圖5為例，在第二個域中的應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生異步I/O，該I/O指令會進入虛擬機管理程序(Hypervisor)，該管理程序?qū)⒃揑/O操作轉(zhuǎn)給第零個域，然后返回到第二個域的操作系統(tǒng)(因為是異步I/O)和上層的應(yīng)用程序，此時第零個域的操作系統(tǒng)將進行實際的I/O操作，待I/O完成后，會產(chǎn)生一個虛擬中斷給第零個域的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)給虛擬化軟件發(fā)出相應(yīng)的虛擬中斷，待虛擬化軟件完成I/O后，會給第零個域的操作系統(tǒng)返回一個系統(tǒng)調(diào)用來喚醒第二個域的操作系統(tǒng)，然后虛擬機管理程序?qū)�I/O完成的中斷交給第二個域的操作系統(tǒng)，最后將I/O操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)交給第二個域中的應(yīng)用程序，由此可見，在虛擬機環(huán)境下的I/O操作必將成為整個系統(tǒng)的瓶頸。

圖5 基于XEN的一個典型的虛擬機環(huán)境

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本文標題：云基礎(chǔ)設(shè)施下的體系結(jié)構(gòu)、挑戰(zhàn)與機遇(上)

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