第六章云計(jì)算ZZ2003版

1、目錄213 36.1 6.1 云計(jì)算簡(jiǎn)介云計(jì)算簡(jiǎn)介 2006年8月9日，Google首席執(zhí)行官埃里克施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大會(huì)首次提出云計(jì)算(Cloud Computing)的概念 云計(jì)算是信息技術(shù)發(fā)展和信息社會(huì)需求到達(dá)一定階段的必然結(jié)果。它的出現(xiàn)，有技術(shù)上的原因，也有市場(chǎng)方面的推動(dòng) 傳統(tǒng)的圖靈計(jì)算模型已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算需求，需要一種新的計(jì)算模型出現(xiàn) 圖靈模型 圖靈機(jī)M是一個(gè)七元組M = ，其中 Q 有限的狀態(tài)集合； 有限的帶字符集合； B 空白符號(hào)，B ; 下一次動(dòng)作函數(shù)，是從Q 到 Q L,R(L表示左移，R表示右移)的映射 q0 初始狀態(tài)，q0

2、Q； 圖靈機(jī)是計(jì)算機(jī)的一個(gè)很簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，雖然簡(jiǎn)單，卻能模擬通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力 6.1.1 6.1.1 云計(jì)算的起源云計(jì)算的起源圖靈機(jī)由一條雙向的、可無(wú)限延長(zhǎng)的磁帶(被分成一個(gè)個(gè)的方格，方格里面寫有符號(hào))、一個(gè)有限狀態(tài)控制器和一個(gè)讀寫磁頭構(gòu)成 圖靈機(jī)的一次動(dòng)作將引起：(1)控制器改變狀態(tài)(2)在當(dāng)前掃描到的單元上，重寫一個(gè)字符取代原來(lái)的字符(3)讀寫頭左移或者右移一個(gè)單元 圖靈模型存在一定的局限性，表現(xiàn)在： (1)(1)圖靈模型只能解決確定性問題，無(wú)法解決不確定性問題圖靈模型只能解決確定性問題，無(wú)法解決不確定性問題 (2)(2)圖靈機(jī)通過時(shí)鐘頻率把模擬量近似為數(shù)值量，并且決定讀寫磁頭圖靈機(jī)

3、通過時(shí)鐘頻率把模擬量近似為數(shù)值量，并且決定讀寫磁頭讀寫的速度，這種等粒度的細(xì)分決定了數(shù)字化精確程度，而該模型并沒讀寫的速度，這種等粒度的細(xì)分決定了數(shù)字化精確程度，而該模型并沒有考慮到這樣近似是否可行，以及數(shù)值量應(yīng)該如何返回模擬量等問題有考慮到這樣近似是否可行，以及數(shù)值量應(yīng)該如何返回模擬量等問題 (3)(3)圖靈模型沒有考慮輸入輸出的形式化方法和人機(jī)交互的需求圖靈模型沒有考慮輸入輸出的形式化方法和人機(jī)交互的需求 6.1.1 6.1.1 云計(jì)算的起源云計(jì)算的起源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人與人之間溝通不可或缺的手段，互聯(lián)網(wǎng)正在向物聯(lián)網(wǎng)滲互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人與人之間溝通不可或缺的手段，互聯(lián)網(wǎng)正在向物聯(lián)網(wǎng)滲透，人的感

4、知能力和認(rèn)知能力掙脫了時(shí)間和距離的束縛透，人的感知能力和認(rèn)知能力掙脫了時(shí)間和距離的束縛互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算以交互為中心，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以影響其它計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算以交互為中心，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以影響其它計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)突破了圖靈模型的描述范疇的運(yùn)行狀態(tài)，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)突破了圖靈模型的描述范疇圖靈模型集中統(tǒng)一的調(diào)度，順序的、確定的輸入，已經(jīng)不能描述互聯(lián)網(wǎng)和圖靈模型集中統(tǒng)一的調(diào)度，順序的、確定的輸入，已經(jīng)不能描述互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的工作機(jī)理及交互機(jī)理。因此，圖靈模型在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)不物聯(lián)網(wǎng)的工作機(jī)理及交互機(jī)理。因此，圖靈模型在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)不再適用再適用硬件為中心硬件

5、為中心軟件為中心軟件為中心 服務(wù)為中心服務(wù)為中心 PCC/S云計(jì)算6.1.1 6.1.1 云計(jì)算的起源云計(jì)算的起源云計(jì)算擺脫了傳統(tǒng)圖靈計(jì)算模型的束縛，適應(yīng)了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求 云計(jì)算的出現(xiàn)也是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果 云計(jì)算使得人的感知能力和認(rèn)知能力真正進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，掙脫了時(shí)間和距離的束縛降低固定資產(chǎn)的投入降低運(yùn)行費(fèi)用大公司推動(dòng)、政府政策導(dǎo)向6.1.1 6.1.1 云計(jì)算的起源云計(jì)算的起源Amazon 彈性計(jì)算云使用模式 6.1.1 6.1.1 云計(jì)算的起源云計(jì)算的起源 6.1.2 6.1.2 云計(jì)算的基本概念云計(jì)算的基本概念 6.1.2 6.1.2 云計(jì)算的基本概念云計(jì)算的基本概念 6.1

6、.2 6.1.2 云計(jì)算的基本概念云計(jì)算的基本概念 “云”具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，Google云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。企業(yè)級(jí)的私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器。因此，“云”能賦予用戶前所未有的計(jì)算能力云計(jì)算支持用戶在任意位置，使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請(qǐng)求的資源來(lái)自“云”，而不是固定的有形實(shí)體。應(yīng)用在“云”中某處運(yùn)行，但實(shí)際上用戶無(wú)需了解，也不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺(tái)筆記本或者一個(gè)手機(jī)，就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的一切，甚至包括超級(jí)計(jì)算這樣的任務(wù)“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(lái)保障服務(wù)的

7、高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠云計(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，同一個(gè)“云”可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行“云”的規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要“云”是一個(gè)龐大資源池，按需購(gòu)買，可以象自來(lái)水、電、煤氣那樣計(jì)費(fèi)由于“云”的特殊容錯(cuò)措施可以采用極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成云，“云”的自動(dòng)化集中式管理使大量企業(yè)無(wú)需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，“云”的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升6.1.3 6.1.3 云計(jì)算的特點(diǎn)云計(jì)算的特點(diǎn) 就云計(jì)算的本質(zhì)而言，云計(jì)算的主要特征應(yīng)該包括：虛擬化：虛擬化：即把軟件、硬件等IT資源進(jìn)行虛擬化，抽象成標(biāo)準(zhǔn)化的虛

8、擬資源，放在云計(jì)算平臺(tái)中統(tǒng)一管理，保證資源的無(wú)縫擴(kuò)展多粒度和多尺度：多粒度和多尺度：即靈活的面對(duì)需求，提供不同的服務(wù)不確定性：不確定性：因?yàn)樵朴?jì)算是一個(gè)人參與的計(jì)算，是群體智能的體現(xiàn)，表現(xiàn)出自然界不確定性特征軟計(jì)算：軟計(jì)算：即如何讓網(wǎng)絡(luò)明白一些定量、定性的轉(zhuǎn)換，如一些大約的量詞等目前云計(jì)算還處于起步階段，所以對(duì)于云計(jì)算的特點(diǎn)也會(huì)慢慢的隨著研究的深入發(fā)展 6.1.3 6.1.3 云計(jì)算的特點(diǎn)云計(jì)算的特點(diǎn) 1更低成本的用戶電腦更低成本的用戶電腦2更高的性能更高的性能3更低的更低的ITIT基礎(chǔ)設(shè)施成本基礎(chǔ)設(shè)施成本4更少的維護(hù)問題更少的維護(hù)問題5更低的軟件成本更低的軟件成本6即時(shí)軟件更新即時(shí)軟件更新7

9、增強(qiáng)的計(jì)算能力增強(qiáng)的計(jì)算能力見下6.1.3 6.1.3 云計(jì)算的特點(diǎn)云計(jì)算的特點(diǎn) 8無(wú)限的存儲(chǔ)容量無(wú)限的存儲(chǔ)容量9增強(qiáng)的數(shù)據(jù)安全增強(qiáng)的數(shù)據(jù)安全10改進(jìn)操作系統(tǒng)之間的兼改進(jìn)操作系統(tǒng)之間的兼容性容性11改進(jìn)文件格式的兼容性改進(jìn)文件格式的兼容性12更容易的群組協(xié)作更容易的群組協(xié)作13對(duì)文檔的普適訪問對(duì)文檔的普適訪問14最新版本的可用性最新版本的可用性15消除對(duì)特定設(shè)備的依賴消除對(duì)特定設(shè)備的依賴6.1.3 6.1.3 云計(jì)算的特點(diǎn)云計(jì)算的特點(diǎn) 云計(jì)算的萌芽 并行計(jì)算并行計(jì)算:強(qiáng)大的并行計(jì)算能力需要巨額的投資并且，傳統(tǒng)的并行計(jì)算機(jī)的使用是一個(gè)相當(dāng)專業(yè)的工作，需要使用者具有較高的計(jì)算機(jī)專業(yè)素質(zhì)云計(jì)算:將服

10、務(wù)器等設(shè)施集中起來(lái)，最大程度地做到資源共享能夠動(dòng)態(tài)地為用戶提供計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，隨時(shí)滿足用戶的需求 6.1.4 6.1.4 云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系 時(shí)間上的并行指流水線技術(shù) 空間上的并行指用多個(gè)處理器并發(fā)的執(zhí)行計(jì)算 分布式計(jì)算研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)得到最終的結(jié)果 分布式計(jì)算是一個(gè)很大的范疇。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，不是分布式計(jì)算的應(yīng)用已經(jīng)很少了 云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算，都只是分布式計(jì)算的一種 6.1.4 6.1.4 云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系 Proxy

11、：代理服務(wù)器 效用計(jì)算：隨著主機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)，考慮到主機(jī)的購(gòu)買成本高昂，一些用戶就通過租用而不是購(gòu)買的方式使用主機(jī) 效用計(jì)算的目標(biāo)就是把服務(wù)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)打包給用戶使用，按照用戶實(shí)際使用的資源量對(duì)用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi) 可以說，效用計(jì)算是云計(jì)算的前身 6.1.4 6.1.4 云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系 云計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈 網(wǎng)格（Grid）是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來(lái)的下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，其開創(chuàng)者Ian Foster將之定義為“在動(dòng)態(tài)、多機(jī)構(gòu)參與的虛擬組織中協(xié)同共享資源和求解問題” 網(wǎng)格計(jì)算可以分為三種類型：計(jì)算網(wǎng)格、信息網(wǎng)格和知識(shí)網(wǎng)格 網(wǎng)格計(jì)算與云計(jì)算的關(guān)系，就像是OSI與TCP/IP之間的

12、關(guān)系，可以說，云計(jì)算是網(wǎng)格計(jì)算的一種簡(jiǎn)化實(shí)用版本 6.1.4 6.1.4 云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系 目標(biāo)目標(biāo)資源來(lái)源資源來(lái)源資源類型資源類型資源節(jié)點(diǎn)資源節(jié)點(diǎn)虛擬化視圖虛擬化視圖計(jì)算類型計(jì)算類型應(yīng)用類型應(yīng)用類型任務(wù)類型任務(wù)類型用戶類型用戶類型交互方式交互方式付費(fèi)方式付費(fèi)方式標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化6.1.4 6.1.4 云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系云計(jì)算與相關(guān)技術(shù)的關(guān)系 云計(jì)算解決了物聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的不可靠性問題，最大限度地降低服務(wù)器的出錯(cuò)率容錯(cuò)云計(jì)算可以解決物聯(lián)網(wǎng)中訪問服務(wù)器資源受限的問題無(wú)限資源云計(jì)算讓物聯(lián)網(wǎng)在更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行信息資源共享節(jié)點(diǎn)交互云計(jì)算增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理能力，并提

13、高了智能化處理程度群體智能 6.2 6.2 云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng) 云計(jì)算工作示意圖 6.3 6.3 云計(jì)算實(shí)現(xiàn)技術(shù)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)技術(shù) 6.3.2 6.3.2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)云計(jì)算體系結(jié)構(gòu) 資源池化資源池化應(yīng)用接口應(yīng)用接口6.3.3 6.3.3 云計(jì)算服務(wù)層次云計(jì)算服務(wù)層次 軟件即服務(wù)(Software as a service，簡(jiǎn)稱SaaS)平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service ，簡(jiǎn)稱PaaS)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service，簡(jiǎn)稱IaaS)也有人提出加一層：數(shù)據(jù)即服務(wù)(Data as a service，簡(jiǎn)稱DaaS)第三方云平臺(tái)第

14、三方云平臺(tái) 云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù):Google的非開源的GFS（Google File System，Google文件系統(tǒng)）Apache ppt t 基金會(huì)Hadoop開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源HDFS（Hadoop Distributed File System，Hadoop分布式文件系統(tǒng)） 6.3.4 6.3.4 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù) GFS：由一個(gè)Master和大量塊服務(wù)器構(gòu)成Master：存放文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)塊服務(wù)器：每64MB為一塊，每份數(shù)據(jù)保留三個(gè)以上副本，更新時(shí)所有副本同時(shí)操作左圖為寫操作云計(jì)算的數(shù)據(jù)管理技術(shù)：Google的BigTable數(shù)據(jù)管理技術(shù)Hadoop開發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)

15、BigTable的開源數(shù)據(jù)管理模塊=HBase 6.3.4 6.3.4 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù) BigTable存儲(chǔ)記錄位置信息結(jié)構(gòu) BigTable采用三級(jí)的層次化方式存儲(chǔ)位置信息第一級(jí)Chubby file：包含根表單的位置信息第二級(jí)根表單：包含所有元數(shù)據(jù)表單的位置信息 第三級(jí)元數(shù)據(jù)表單：包含用戶表的位置信息MapReduce是Google提出的一種處理和產(chǎn)生大規(guī)模數(shù)據(jù)集的編程模型，Hadoop開發(fā)團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了MapReduce的開源實(shí)現(xiàn)6.3.4 6.3.4 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù) Map函數(shù)指定對(duì)各分塊數(shù)據(jù)的處理過程Reduce函數(shù)指定如何對(duì)分塊數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果進(jìn)行歸納程

16、序員只需指定Map和Reduce函數(shù)，就可以編寫分布式并行處理程序程序運(yùn)行時(shí)，程序員不需要關(guān)心如何將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊、分類和調(diào)度MapReduce執(zhí)行流程圖 6.3.4 6.3.4 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù) 輸入文件 將文件分配給多個(gè)Worker并行執(zhí)行（Map階段） 寫中間文件（本地寫） 多個(gè)Worker并行運(yùn)行（Reduce階段） 輸出最終結(jié)果1. 1. 云存儲(chǔ)云存儲(chǔ) (Cloud Storage)(Cloud Storage) 6.3.5 6.3.5 云計(jì)算的派生技術(shù)云計(jì)算的派生技術(shù) 集團(tuán)企業(yè)集團(tuán)企業(yè)云存儲(chǔ)架構(gòu)云存儲(chǔ)架構(gòu)云存儲(chǔ)系統(tǒng)分層模型 6.3.5 6.3.5 云計(jì)算的派生技術(shù)云

17、計(jì)算的派生技術(shù) NASNAS（Network Network Attached Attached StorageStorage）網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)附著存儲(chǔ)附著存儲(chǔ) SANSAN（Storage Storage Area NetworkArea Network）存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)FCFC（Fiber Fiber ChannelChannel）光纖）光纖通道通道iSCSI(iSCSI(Internet Small Computer System Internet Small Computer System InterfaceInterface)Internet)Internet小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口2. 2. 云連接云連接 （Cloud ConnectionCloud Connection） 6.3.5 6.3.5 云計(jì)算的派生技術(shù)云計(jì)算的派生技術(shù) 云連接兩個(gè)特點(diǎn)：隨時(shí)隨地獲取所需資源：只要建立連接通道，用戶就可以通過一個(gè)唯一的通行證在任何時(shí)候、在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下按需獲取資源卓越的連接性能：即采用超級(jí)節(jié)點(diǎn)技術(shù)，用戶獲取所需應(yīng)用的安全