軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu) 秦航 14.ppt

清華大學(xué)出版社 1 第14章云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu) 清華大學(xué)出版社 2 內(nèi)容提要 14 1云計(jì)算的背景14 1 1云計(jì)算的定義和技術(shù)特點(diǎn)14 1 2云計(jì)算的分類14 1 3云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算14 2云計(jì)算服務(wù)模型14 2 1云設(shè)計(jì)目標(biāo)14 2 2基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS14 2 3平臺(tái)層PaaS和應(yīng)用程序?qū)覵aaS14 3云計(jì)算主要平臺(tái)14 3 1谷歌應(yīng)用引擎 GAE 14 3 2亞馬遜的彈性計(jì)算云14 3 3IBM的藍(lán)云系統(tǒng)14 3 4微軟的Azure14 3 5我國云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展14 4新興云軟件環(huán)境14 5云計(jì)算的機(jī)遇與挑戰(zhàn)14 6小結(jié) 14 1云計(jì)算的背景 Gartner 高德納 公司 全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司 14 1 1云計(jì)算的定義和技術(shù)特點(diǎn) 像盲人摸象一樣 大家給出各自對(duì)云計(jì)算的理解 數(shù)據(jù)中心的虛擬化資源形成互聯(lián)網(wǎng)云 將桌面計(jì)算移到面向服務(wù)的平臺(tái)上 來使用數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器集群和大數(shù)據(jù)庫 清華大學(xué)出版社 6 云服務(wù)與水 電服務(wù) 云服務(wù)與水 電等服務(wù)相比 有著更豐富 復(fù)雜的內(nèi)涵 邊際成本 指為增加一單位的產(chǎn)量隨即而產(chǎn)生的成本增加量 清華大學(xué)出版社 8 14 1 1云計(jì)算的定義和技術(shù)特點(diǎn) 從技術(shù)背景上看 云計(jì)算是并行計(jì)算 ParallelComputing 分布式計(jì)算 DistributedComputing 和網(wǎng)格計(jì)算 GridComputing 的發(fā)展 或者說 是這些計(jì)算科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn) 云計(jì)算也是虛擬化 Virtualization 效用計(jì)算 UtilityComputing 將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)IaaS InfrastructureasaService 將平臺(tái)作為服務(wù)PaaS PlatformasaService 將軟件作為服務(wù)SaaS SoftwareasaService 等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果 清華大學(xué)出版社 9 云計(jì)算的特點(diǎn) 從研究現(xiàn)狀上看 云計(jì)算具有以下特點(diǎn) 超大規(guī)模 云具有相當(dāng)規(guī)模 谷歌云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬臺(tái)服務(wù)器 亞馬遜 IBM 微軟 雅虎等公司的云 均擁有幾十萬臺(tái)服務(wù)器 云能賦予用戶前所未有的計(jì)算能力 虛擬化 云計(jì)算支持用戶在任意位置 使用各種終端獲取服務(wù) 所請(qǐng)求的資源來自云 而不是固定的有形的實(shí)體 應(yīng)用 在云中某處運(yùn)行 但實(shí)際上 用戶無需了解應(yīng)用運(yùn)行的具體位置 只需要一臺(tái)筆記本或PDA 就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 來獲取各種能力超強(qiáng)的服務(wù) 高可靠性 云使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施 來保障服務(wù)的高可靠性 使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)更加可靠 通用性 云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用 在云的支撐下 可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用 同一片云 可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行 高可擴(kuò)展性 云的規(guī)模 可以動(dòng)態(tài)伸縮 滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要 按需服務(wù) 云是一個(gè)龐大的資源池 用戶按需購買 像自來水 電 煤氣那樣計(jì)費(fèi) 極其廉價(jià) 云的特殊容錯(cuò)措施 使得能采用極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成云 云的自動(dòng)化管理 使數(shù)據(jù)中心管理成本大幅降低 云的公用性和通用性 使資源的利用率大幅提升 云設(shè)施 可以建在電力資源豐富的地區(qū) 從而大幅降低能源成本 云具有前所未有的性能價(jià)格比 現(xiàn)代軟件系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)效用愿景 推動(dòng)分布式系統(tǒng)及其應(yīng)用的主要計(jì)算范式 清華大學(xué)出版社 11 14 1 2云計(jì)算的分類 1 根據(jù)部署模式分類公共云私有云混合云 云將用戶解放了出來 使他們專注于應(yīng)用程序的開發(fā) 并通過將作業(yè)外包 給云提供商創(chuàng)造了商業(yè)價(jià)值 公共云 私有云 混合云的功能結(jié)構(gòu) 云將用戶解放了出來 使他們專注于應(yīng)用程序的開發(fā) 并通過將作業(yè)外包 給云提供商創(chuàng)造了商業(yè)價(jià)值 清華大學(xué)出版社 13 2 根據(jù)服務(wù)類型分類 基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) InfrastructureasaService IaaS 平臺(tái)即服務(wù) PlatformasaService PaaS 軟件即服務(wù) SoftwareasaService SaaS 云計(jì)算的層次分類 這些云層逐層建立 沒有云平臺(tái)就沒有SaaS應(yīng)用 如果計(jì)算和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)設(shè)施不存在 就不能構(gòu)建云平臺(tái) 清華大學(xué)出版社 15 14 1 3云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算 從歷史上看 網(wǎng)格計(jì)算的出現(xiàn)過程與云計(jì)算很相似 并且也都是有關(guān)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的概念 清華大學(xué)出版社 16 14 2云計(jì)算服務(wù)模型 14 2 1云設(shè)計(jì)目標(biāo)將計(jì)算從桌面移向數(shù)據(jù)中心 計(jì)算處理 存儲(chǔ) 軟件發(fā)布從桌面和本地服務(wù)器移向互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 服務(wù)配置和云效益 提供商供應(yīng)云服務(wù) 必須與消費(fèi)者和終端用戶簽署服務(wù)等級(jí)協(xié)議 SLA 服務(wù)在計(jì)算 存儲(chǔ) 功耗方面必須有效 定價(jià)基于按需付費(fèi)的策略 性能可擴(kuò)展性 云平臺(tái) 軟件和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) 必須能夠根據(jù)用戶數(shù)的增長而相應(yīng)擴(kuò)容 數(shù)據(jù)隱私保護(hù) 能否信任數(shù)據(jù)中心處理個(gè)人數(shù)據(jù)和記錄 云要成為可信服務(wù)必須妥善解決該問題 高質(zhì)量的云服務(wù) 云計(jì)算的服務(wù)質(zhì)量必須標(biāo)準(zhǔn)化 才能使得云可以在多個(gè)提供商之間進(jìn)行互操作 新標(biāo)準(zhǔn)和接口 主要解決與數(shù)據(jù)中心 云提供商相關(guān)的數(shù)據(jù)鎖定問題 清華大學(xué)出版社 17 14 2 2基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS IaaS層是云計(jì)算的基礎(chǔ) 通過大規(guī)模數(shù)據(jù)中心 IaaS層為上層云計(jì)算服務(wù)提供海量硬件資源 同時(shí) 在虛擬化技術(shù)的支持下 IaaS層可以實(shí)現(xiàn)硬件資源的按需配置 并提供個(gè)性化的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) 根據(jù)上面兩點(diǎn) IaaS層主要研究2個(gè)問題 如何建設(shè)低成本 高效能的數(shù)據(jù)中心 如何拓展虛擬化技術(shù) 實(shí)現(xiàn)彈性 可靠的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 谷歌在Dalles數(shù)據(jù)中心鳥瞰圖 胖樹互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)可以由5k2 4個(gè)k口交換機(jī)連接k3 4個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn) 胖樹互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 由邊緣層 匯聚層 核心層構(gòu)成 其中 邊緣層和匯聚層 可分解為若干Pod 每一個(gè)Pod含k臺(tái)交換機(jī) 分屬邊界層和匯聚層 每層k 2臺(tái)交換機(jī) 清華大學(xué)出版社 20 虛擬機(jī)的配置 虛擬化開發(fā) 主要關(guān)注高可用性 備份服務(wù) 負(fù)載均衡 客戶群的深入增長 并具備以下特點(diǎn) 資源分享 通過虛擬機(jī)封裝用戶各自的運(yùn)行環(huán)境 來有效實(shí)現(xiàn)多用戶分享數(shù)據(jù)中心資源 資源定制 利用虛擬化技術(shù) 用戶配置私有服務(wù)器 指定所需的CPU數(shù)量 內(nèi)存容量 磁盤空間 來實(shí)現(xiàn)資源的按需分配 細(xì)粒度資源管理 把物理服務(wù)器拆分成若干虛擬機(jī) 可以提高服務(wù)器的資源利用率 減少浪費(fèi) 而且有助于服務(wù)器的負(fù)載均衡和節(jié)能 計(jì)算 存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)云中的虛擬化資源 當(dāng)前 虛擬機(jī)安裝在云計(jì)算平臺(tái)上 主要用于托管第三方程序 同時(shí) 虛擬機(jī)提供了靈活的運(yùn)行時(shí)服務(wù) 用戶獲得解放 就不需要再擔(dān)心系統(tǒng)環(huán)境 清華大學(xué)出版社 22 典型的IaaS層平臺(tái) 亞馬遜彈性計(jì)算云 ElasticComputingCloud EC2 為公眾提供基于Xen虛擬機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) EC2的虛擬機(jī) 分為標(biāo)準(zhǔn)型 高內(nèi)存型 高性能型等多種類型 每一種類型的價(jià)格各不相同 Eucalyptus 是加州大學(xué)圣巴巴拉分校開發(fā)的開源IaaS平臺(tái) 和EC2等商業(yè)IaaS平臺(tái)不同 Eucalyptus的設(shè)計(jì)目標(biāo) 是為了研究 發(fā)展云計(jì)算的基礎(chǔ)平臺(tái) 清華大學(xué)出版社 23 14 2 3平臺(tái)層PaaS和應(yīng)用程序?qū)覵aaS PaaS層作為3層核心服務(wù)的中間層既為上層應(yīng)用提供簡(jiǎn)單 可靠的分布式編程框架 又需要基于底層的資源信息調(diào)度作業(yè) 管理數(shù)據(jù) 并屏蔽底層系統(tǒng)的復(fù)雜性 隨著數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的普及和數(shù)據(jù)規(guī)模的日益龐大PaaS層需要具備存儲(chǔ) 處理海量數(shù)據(jù)的能力 大數(shù)據(jù)的4V特性 并行和分布式編程模型和工具集 MapReduce Hadoop和微軟的Dryad是最近提出的三種并行和分布式編程模型 PaaS的公有云 這些平臺(tái) 都用海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)搭建 各具代表性 清華大學(xué)出版社 27 14 3云計(jì)算主要平臺(tái) 14 3 1谷歌應(yīng)用引擎 GAE 1998年 斯坦福大學(xué)的博士生LarryPage和SergreyBrin 在車庫里創(chuàng)建了谷歌公司 其網(wǎng)頁分級(jí) PageRank 技術(shù) 大大增加了搜索結(jié)果的相關(guān)性 2001年 谷歌已經(jīng)索引了近30億個(gè)網(wǎng)頁 2004年 谷歌發(fā)布Gmail 提供聞所未聞的1GB免費(fèi)郵箱 大家都還以為是個(gè)愚人節(jié)玩笑 緊接著 谷歌又發(fā)布了GoogleMap 被稱為 上帝之眼 的GoogleEarth 等等 目前 已成為全世界訪問量最高的站點(diǎn) GFS體系結(jié)構(gòu) GFS將整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分為三類角色 Client 客戶端 Master 主服務(wù)器 和ChunkServer 數(shù)據(jù)塊服務(wù)器 MapReduce框架 MapReduce通過 Map 映射 Reduce 化簡(jiǎn) 這兩個(gè)簡(jiǎn)單的概念來構(gòu)成運(yùn)算基本單元 用戶只需提供自己的Map函數(shù)和Reduce函數(shù) 就能并行處理海量數(shù)據(jù) 分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable 14 3 2亞馬遜的彈性計(jì)算云 2002年開放了電子商務(wù)平臺(tái)亞馬遜的Web服務(wù) AmazonWebService AWS 迄今為止 包括四種主要服務(wù) 簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù) SimpleStorageService S3 彈性計(jì)算云 ElasticComputeCloud EC2 簡(jiǎn)單隊(duì)列服務(wù) SimpleQueuingService SQS 簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫管理 SimpleDB 14 3 3IBM的藍(lán)云系統(tǒng) 藍(lán)云 基于IBMAlmaden研究中心的云基礎(chǔ)架構(gòu) 采用了Xen和PowerVM虛擬化軟件 Linux操作系統(tǒng)映像 Hadoop軟件 14 3 4微軟的Azure 該平臺(tái)支持傳統(tǒng)的微軟編程語言和開發(fā)平臺(tái)如C NET平臺(tái) 還支持PHP Python Java等多種非微軟編程語言和架構(gòu) 清華大學(xué)出版社 34 14 4新興云軟件環(huán)境 Eucalyptus具備以下特性 提供和亞馬遜彈性計(jì)算云兼容的接口 包括WWW服務(wù) 查詢接口兩方面 使用簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議 SimpleObjectAccessProtocol SOAP 和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)安全 WS security 內(nèi)部通信 提供用于系統(tǒng)管理和計(jì)費(fèi)的 云管理員 基本工具 可以在一個(gè)云內(nèi) 為多個(gè)集群配置私有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址 EUCALYPTUS組件 一個(gè)由加州大學(xué)圣巴巴拉分校研發(fā)的在集群或工作站上 實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的開源基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)框架 Nimbus 芝加哥大學(xué)研究的云基礎(chǔ)設(shè)施開源工具集 RESERVOIR 無障礙資源和服務(wù)虛擬化 是IBM與17個(gè)歐洲組織正合作開展的云計(jì)算項(xiàng)目 旨在提供運(yùn)用虛擬化技術(shù)的面向服務(wù)的在線平臺(tái) 其中按透明方式提供 管理資源和服務(wù) 并以按需方式實(shí)現(xiàn)低開銷和高服務(wù)質(zhì)量 清華大學(xué)出版社 38 14 5云計(jì)算的機(jī)遇與挑戰(zhàn) 亞當(dāng) 斯密在 國富論 中 對(duì)生產(chǎn)資源的社會(huì)化配置曾有過如下定義 在生產(chǎn)資源配置的初期 由于運(yùn)輸能力的限制 資源配置的方式 沿河流 隨后的工業(yè)革命的財(cái)富傳遞 則是建立在鐵路 公路連接的物流中 而現(xiàn)在和未來 社會(huì)資源分配 沿互聯(lián)網(wǎng) 其具體實(shí)現(xiàn)途徑 則是云計(jì)算 云計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算的結(jié)合云計(jì)算與科學(xué)計(jì)算的結(jié)合云計(jì)算的海量數(shù)據(jù)傳輸大規(guī)模應(yīng)用的部署與調(diào)試 清華大學(xué)出版社 39 14 6小結(jié) 云計(jì)算既代表著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步 又孕育了一種全新的商業(yè)服務(wù)模式 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)下