云計算原理及應(yīng)用

云計算原理及應(yīng)用

0云計算的應(yīng)用目前，工程計算軟件的更新周期基本上為一年。軟件的不斷更新,對計算工作站的硬件的要求越來越高。這使得各高校的實驗室在更新軟件的同時,還需要花費大量的資金來購置新的計算能力更強的工作站以滿足工程計算的需求。同時,淘汰下來的舊設(shè)備,由于配置落后,將會被閑置處理,從而造成了不必要的浪費。這種前期的巨額投入和后期的快速更新,不僅使本以捉襟見肘的資金力不從心,也與綠色、低碳的環(huán)保理念背道而馳。同時,教師、學(xué)生等科研人員大量使用U盤、移動硬盤等儲存設(shè)備從計算工作站上傳、下載數(shù)據(jù),極大增加了工作站感染病毒的幾率,從而對工作站的系統(tǒng)穩(wěn)定性造成安全隱患。云計算利用虛擬化技術(shù),將若干個工作站和終端客戶機組成一個虛擬計算實驗室((VirtualComputerLab,VCL)。通過云計算構(gòu)架來建設(shè)實驗室的工作站平臺,只需配置為數(shù)不多幾臺高性能計算工作站組成計算服務(wù)器,以普通的計算機作為客戶端,通過遠程訪問的方式調(diào)用服務(wù)器上的資源,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、下載以及在云端的計算。這樣能實現(xiàn)硬件資源的最大化利用,杜絕資源的浪費。工程計算中使用的大型軟件也不必安裝在本地計算機上,只需通過客戶端計算機的遠程訪問,即可隨時調(diào)用服務(wù)器上的軟件。由于客戶端計算機只是為遠程訪問提供一個平臺,因此不需要有很強的計算能力。服務(wù)器進行升級的時候,淘汰下來的舊的工作站可以繼續(xù)作為客戶端計算機使用,而不至于閑置處理,造成資源的浪費。1傳統(tǒng)計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合發(fā)展云計算(CloudComputing)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的計算方式,是網(wǎng)格計算(GridComputing)、并行計算(ParallelComputing)、分布式計算(DistributedComputing)、效用計算(UtilityComputing)等傳統(tǒng)計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。1983年,SUN公司提出“網(wǎng)絡(luò)式電腦”的概念。直至2006年3月,亞馬遜公司推出了彈性計算云(ElasticComputeCloud;EC2)服務(wù)。2006年8月9日,Google首席執(zhí)行官埃里克·施密特在搜索引擎大會(SESSanJose2006)首次提出“云計算”(CloudComputing)的概念。在這之后,全球各大IT巨頭爭相進入云計算領(lǐng)域,從不同領(lǐng)域和角度開始云計算的布局,包括:MicrosoftAzure、GoogleAppEngine、AmazonCloudDrive和IBM公司的“藍云”計算平臺等。2方案的對比分析由于提供云計算服務(wù)的公司較多,各個公司的解決方案都不盡相同。結(jié)合當(dāng)前云計算的應(yīng)用與研究,云計算的體系構(gòu)架可分為:核心服務(wù)層、服務(wù)管理層、終端用戶訪問接口的三層構(gòu)架。如圖1所示。2.1提供使用者之單位,在一般的行業(yè)內(nèi),各有核心服務(wù)層可以將硬件設(shè)施、運行環(huán)境、應(yīng)用程序以服務(wù)的方式提供給使用者。按照云計算提供的服務(wù)類型,云計算可以分為IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))和SaaS(軟件即服務(wù))三層服務(wù)體系。(1)部署系統(tǒng)、運行各種應(yīng)用程序它位于三層架構(gòu)的底層。為上層的服務(wù)提供服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等基本硬件資源。用戶在此基礎(chǔ)上部署操作系統(tǒng)、運行各種應(yīng)用程序。另外,為了優(yōu)化硬件資源的分配,IaaS層引入了虛擬化技術(shù)。借助于Xen、KVM、VMware、Hyper-v等虛擬化工具,可以提供可靠性高、可定制性強、規(guī)模可擴展的IaaS層服務(wù)。(2)it資源服務(wù)模式它為云計算的應(yīng)用程序提供一個運行的平臺。將應(yīng)用運行所需的IT資源和基礎(chǔ)設(shè)施作為一種服務(wù)提供給用戶。在這種服務(wù)模式下,用戶只需要利用該平臺,就能夠創(chuàng)建、測試、部署和管理自己的應(yīng)用及服務(wù)。但是,用戶不能管理和控制底層的基礎(chǔ)設(shè)施。(3)軟件服務(wù)模式是基于云計算基礎(chǔ)平臺所開發(fā)的應(yīng)用程序。應(yīng)用開發(fā)商將軟件部署在自己的服務(wù)器上,用戶可以根據(jù)自己的需求,通過Web瀏覽器或者APP客戶端,從服務(wù)提供商獲取所需的軟件服務(wù)。在這種服務(wù)模式下,用戶不能管理應(yīng)用軟件運行的基礎(chǔ)設(shè)施和平臺,只能對所調(diào)用的應(yīng)用程序做有限的設(shè)置。用戶不用在自己的主機中安裝各種軟件,而是通過Internet來使用軟件。2.2技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用管理服務(wù)管理層對核心服務(wù)層的可用性、可靠性和安全性提供保障。服務(wù)管理層服務(wù)管理包括用戶管理、應(yīng)用管理、資源管理、安全管理、服務(wù)質(zhì)量管理等。用戶管理負責(zé)對當(dāng)前登陸的用戶進行管理,包括監(jiān)控當(dāng)前登陸的用戶狀態(tài)以及各用戶之間的負載分配、任務(wù)調(diào)度、進程遷移;應(yīng)用管理負責(zé)對當(dāng)前平臺的應(yīng)用程序的更新、維護,包括應(yīng)用程序質(zhì)量的好壞、應(yīng)用程序的穩(wěn)定性等等;資源管理負責(zé)對虛擬資源層的各種虛擬資源的管理,包括監(jiān)控資源狀態(tài)、分配、更新、添加、維護與刪除資源等;安全管理包括:訪問安全管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理、數(shù)據(jù)安全管理以及用戶身份驗證和用戶的訪問控制權(quán)等。2.3使用互聯(lián)網(wǎng)的程序和數(shù)據(jù)用戶訪問接口能實現(xiàn)從終端到云端的訪問。用戶使用PC機、筆記本、平板電腦、手持設(shè)備等,通過網(wǎng)絡(luò)的接入,可以隨時隨地訪問云,使用云中的程序和數(shù)據(jù)。通過Web服務(wù),可以將云端的操作界面以GUI的形式映射到本地的客戶端的顯示器上,使得用戶在客戶機上就能輕松調(diào)用云端的數(shù)據(jù)和資源。3服務(wù)器虛擬應(yīng)用虛擬化技術(shù)是云計算的一個核心技術(shù),也是云計算區(qū)別于一般并行計算的一個根本性的特點。通過虛擬化技術(shù)可將單個物理資源劃分成多個虛擬資源。操作系統(tǒng)運行于虛擬機上,虛擬服務(wù)器跟物理服務(wù)器一樣,可以安裝任何的應(yīng)用。目前,服務(wù)器虛擬化軟件有VMWare、Xen、KVM以及微軟的Hyper-V等,其中Hyper-V2.0集成于Windows2008Server及其之后服務(wù)器操作系統(tǒng)上,具有較強的通用性。通過虛擬機的封裝,用戶各自擁有獨立的運行環(huán)境,有效實現(xiàn)多用戶共享服務(wù)器中心資源。用戶可以利用虛擬化技術(shù),配置私有的虛擬機,指定所需的CPU數(shù)目、內(nèi)存容量、磁盤空間等,實現(xiàn)物理資源的按需分配。通過虛擬化技術(shù),可以提高服務(wù)器的資源利用率,減少浪費,而且有助于服務(wù)器的負載均衡和節(jié)能。4主機的虛擬應(yīng)用組建一個基于云計算的虛擬實驗室的試驗平臺。試驗平臺以一臺高性能的工作站作為物理服務(wù)器平臺;在物理服務(wù)器上建立多個虛擬機,組成一個虛擬化資源池;虛擬機的操作界面以GUI的形式發(fā)送到客戶機上,用戶在本地即可對云端的虛擬機進行操作,如圖2所示。物理服務(wù)器與客戶機通過交換機接入同一個局域網(wǎng)內(nèi),形成一個私有云,圖3為VCL平臺的拓撲圖。4.1系統(tǒng)存儲及配置試驗平臺的硬件配置包括:一顆至強四核CPU、兩臺16GBRAM組成的雙通道內(nèi)存、一塊256GB固態(tài)硬盤以及由4塊2TB硬盤組成的RAID5儲存陣列。并安裝WindowsServer2008R2作為服務(wù)器操作系統(tǒng)。從操作系統(tǒng)中打開工作站中的本地用戶和組,建立遠程登錄用戶信息,并將該用戶添加至管理員組中。配置終端服務(wù)器,使之支持多用戶同時遠程登陸。4.2創(chuàng)建模擬平臺的vhd通過Hyper-V2.0創(chuàng)建一個系統(tǒng)為Windows7X64的虛擬機平臺。并在此平臺上安裝一些常用的工程軟件,比如:MATLAB、ANSYS、ABAQUS、LabVIEW、CATIA等。通過sysprep操作,將創(chuàng)建好的虛擬機平臺封裝為VHD母盤文件。此后,可以通過復(fù)制母盤或者差分磁盤的方式,創(chuàng)建新的虛擬機平臺。多臺虛擬機同時工作在物理服務(wù)器上,形成一個虛擬的資源池。4.3利用目的及程序,實現(xiàn)主機與主機的互聯(lián)利用Hyper-V2.0管理器,可以實時監(jiān)控各虛擬機的運行狀態(tài),并可實現(xiàn)對各虛擬機CPU數(shù)目和內(nèi)存容量的動態(tài)分配?？蛻魴C對云端的訪問,實行預(yù)約訪問機制。需要使用云端工作站的用戶,可以提前通過Web瀏覽器的方式,向管理員提出預(yù)約申請,申請時需提交計算所需的CPU數(shù)目、內(nèi)存容量以及客戶機的MAC地址。管理員根據(jù)用戶提出的需求,激活一臺虛擬機,并開放接口。用戶通過遠程桌面連接后,驗證MAC地址,驗證通過用戶方可調(diào)用虛擬資源用以計算;驗證不通過,系統(tǒng)直接回收虛擬機資源。用戶訪問結(jié)束,系統(tǒng)回收虛擬機資源。其訪問流程圖如圖4所示。5系統(tǒng)評估(1)計算機的登錄實驗室只需要將少量的高性能工作站組成一個服務(wù)器集群。普通的計算機通過遠程訪問的方式登錄到云系統(tǒng)中,然后直接使用云中的高性能資源。這樣學(xué)校就不需要花費巨額資金來購買大量高性能設(shè)備,從而以較低投入獲得高性能。(2)由于缺乏高級資源存儲能力，可以依靠全球能源在實際應(yīng)用中,高容量的物理服務(wù)器可以容納海量的數(shù)據(jù),并可以根據(jù)需要適時增加存儲空間,以滿足海量信息增長對存儲空間的需求。(3)對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的影響所有的服務(wù)都運行于云端?？蛻魴C突然斷電或者死機,不會對云端的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。而且數(shù)據(jù)的上傳和下載完全基于Web傳輸,杜絕了U盤、移動硬盤的使用,從而減少了病毒對服務(wù)器的入侵,保證用戶數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4)通過開展大規(guī)模的資源共享，可以解決資源和分布不均的問題通過云計算技術(shù),各個院系之間可以共同構(gòu)建一個虛擬資源池,從而實現(xiàn)資源的共享,同時大幅度提高資源的利用率。6云計算實驗室的設(shè)計云計算的出現(xiàn),給高校計算工作站的建設(shè)帶來了機遇。它不僅大大地提高了工作站的利用率、減少的日常維護的工作量,而且?guī)椭咝[脫資金不足的困境