軟件設(shè)計與體系結(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云計算的背景14 1 1云計算的定義和技術(shù)特點14 1 2云計算的分類14 1 3云計算與網(wǎng)格計算14 2云計算服務(wù)模型14 2 1云設(shè)計目標(biāo)14 2 2基礎(chǔ)設(shè)施層IaaS14 2 3平臺層PaaS和應(yīng)用程序?qū)覵aaS14 3云計算主要平臺14 3 1谷歌應(yīng)用引擎 GAE 14 3 2亞馬遜的彈性計算云14 3 3IBM的藍(lán)云系統(tǒng)14 3 4微軟的Azure14 3 5我國云計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展14 4新興云軟件環(huán)境14 5云計算的機(jī)遇與挑戰(zhàn)14 6小結(jié) 14 1云計算的背景 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云計算的定義和技術(shù)特點 像盲人摸象一樣 大家給出各自對云計算的理解 數(shù)據(jù)中心的虛擬化資源形成互聯(lián)網(wǎng)云 將桌面計算移到面向服務(wù)的平臺上 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云計算的定義和技術(shù)特點 從技術(shù)背景上看 云計算是并行計算 ParallelComputing 分布式計算 DistributedComputing 和網(wǎng)格計算 GridComputing 的發(fā)展 或者說 是這些計算科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn) 云計算也是虛擬化 Virtualization 效用計算 UtilityComputing 將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)IaaS InfrastructureasaService 將平臺作為服務(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 云計算的特點 從研究現(xiàn)狀上看 云計算具有以下特點 超大規(guī)模 云具有相當(dāng)規(guī)模 谷歌云計算已經(jīng)擁有100多萬臺服務(wù)器 亞馬遜 IBM 微軟 雅虎等公司的云 均擁有幾十萬臺服務(wù)器 云能賦予用戶前所未有的計算能力 虛擬化 云計算支持用戶在任意位置 使用各種終端獲取服務(wù) 所請求的資源來自云 而不是固定的有形的實體 應(yīng)用 在云中某處運(yùn)行 但實際上 用戶無需了解應(yīng)用運(yùn)行的具體位置 只需要一臺筆記本或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 計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施 來保障服務(wù)的高可靠性 使用云計算比使用本地計算機(jī)更加可靠 通用性 云計算不針對特定的應(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) 云是一個龐大的資源池 用戶按需購買 像自來水 電 煤氣那樣計費(fèi) 極其廉價 云的特殊容錯措施 使得能采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云 云的自動化管理 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格比 現(xiàn)代軟件系統(tǒng)中的計算機(jī)效用愿景 推動分布式系統(tǒng)及其應(yīng)用的主要計算范式 清華大學(xué)出版社 11 14 1 2云計算的分類 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 平臺即服務(wù) PlatformasaService PaaS 軟件即服務(wù) SoftwareasaService SaaS 云計算的層次分類 這些云層逐層建立 沒有云平臺就沒有SaaS應(yīng)用 如果計算和存儲的基礎(chǔ)設(shè)施不存在 就不能構(gòu)建云平臺 清華大學(xué)出版社 15 14 1 3云計算與網(wǎng)格計算 從歷史上看 網(wǎng)格計算的出現(xiàn)過程與云計算很相似 并且也都是有關(guān)計算和網(wǎng)絡(luò)的概念 清華大學(xué)出版社 16 14 2云計算服務(wù)模型 14 2 1云設(shè)計目標(biāo)將計算從桌面移向數(shù)據(jù)中心 計算處理 存儲 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)等級協(xié)議 SLA 服務(wù)在計算 存儲 功耗方面必須有效 定價基于按需付費(fèi)的策略 性能可擴(kuò)展性 云平臺 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層是云計算的基礎(chǔ) 通過大規(guī)模數(shù)據(jù)中心 IaaS層為上層云計算服務(wù)提供海量硬件資源 同時 在虛擬化技術(shù)的支持下 IaaS層可以實現(xiàn)硬件資源的按需配置 并提供個性化的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) 根據(jù)上面兩點 IaaS層主要研究2個問題 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k口交換機(jī)連接k3 4個計算節(jié)點 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Pod含k臺交換機(jī) 分屬邊界層和匯聚層 每層k 2臺交換機(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 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 計算 存儲和網(wǎng)絡(luò)云中的虛擬化資源 當(dāng)前 虛擬機(jī)安裝在云計算平臺上 主要用于托管第三方程序 同時 虛擬機(jī)提供了靈活的運(yùn)行時服務(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 亞馬遜彈性計算云 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 和EC2等商業(yè)IaaS平臺不同 Eucalyptus的設(shè)計目標(biāo) 是為了研究 發(fā)展云計算的基礎(chǔ)平臺 清華大學(xué)出版社 23 14 2 3平臺層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 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 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云計算主要平臺 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 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 GFS體系結(jié)構(gòu) GFS將整個系統(tǒng)的節(jié)點分為三類角色 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 這兩個簡單的概念來構(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亞馬遜的彈性計算云 2002年開放了電子商務(wù)平臺亞馬遜的Web服務(wù) AmazonWebService AWS 迄今為止 包括四種主要服務(wù) 簡單存儲服務(wù) SimpleStorageService S3 彈性計算云 ElasticComputeCloud EC2 簡單隊列服務(wù) SimpleQueuingService SQS 簡單的數(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 該平臺支持傳統(tǒng)的微軟編程語言和開發(fā)平臺如C NET平臺 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算云兼容的接口 包括WWW服務(wù) 查詢接口兩方面 使用簡單對象訪問協(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)管理和計費(fèi)的 云管理員 基本工具 可以在一個云內(nèi) 為多個集群配置私有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址 EUCALYPTUS組件 一個由加州大學(xué)圣巴巴拉分校研發(fā)的在集群或工作站上 實現(xiàn)云計算的開源基礎(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個歐洲組織正合作開展的云計算項目 旨在提供運(yùn)用虛擬化技術(shù)的面向服務(wù)的在線平臺 其中按透明方式提供 管理資源和服務(wù) 并以按需方式實現(xiàn)低開銷和高服務(wù)質(zhì)量 清華大學(xué)出版社 38 14 5云計算的機(jī)遇與挑戰(zhàn) 亞當(dāng) 斯密在 國富論 中 對生產(chǎn)資源的社會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 社會資源分配 沿互聯(lián)網(wǎng) 其具體實現(xiàn)途徑 則是云計算 云計算和移動計算的結(jié)合云計算與科學(xué)計算的結(jié)合云計算的海量數(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 云計算體系結(jié)構(gòu)下