《信息技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第11章

第十一章云?計?算?技?術(shù)11.1云計算的基本概念11.2云計算的核心技術(shù)`如今，IT技術(shù)行業(yè)正處于一個重要的轉(zhuǎn)折階段，雖然這一轉(zhuǎn)折仍處于初期，但它將最終改變我們獲取信息、分享內(nèi)容和相互溝通的方式。這一全新的浪潮將由一種全新的計算模式所驅(qū)動：企業(yè)或個人將不再需要在電腦中安裝大量套裝軟件，而是通過Web瀏覽器接入到一種大范圍的、按需定制的服務(wù)——我們稱之為“云服務(wù)”。當這種轉(zhuǎn)變?nèi)遮吋铀贂r，IT行業(yè)將會在引領(lǐng)用戶體驗方面發(fā)生根本性的飛躍。什么是云計算呢？云計算(CloudComputing)是分布式計算技術(shù)的一種，其最基本的概念是，通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計算分析之后再將處理結(jié)果回傳給用戶。稍早之前的大規(guī)模分布式計算技術(shù)即為“云計算”的概念起源。

通過云計算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。最簡單的云計算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，例如搜尋引擎、網(wǎng)絡(luò)信箱等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息。11.1云計算的基本概念未來如手機、GPS等行動裝置都可以通過云計算技術(shù)，發(fā)展出更多的應(yīng)用服務(wù)。進一步的云計算不僅只做資料搜尋、分析的功能，未來如分析DNA結(jié)構(gòu)、基因圖譜定序、解析癌癥細胞等，都可以通過這項技術(shù)輕易達成。

如果僅僅如此，那么云計算和其他計算如網(wǎng)格計算、分布式計算有何不同呢？云計算的應(yīng)用并不止這些。網(wǎng)格計算是針對特定的需求，采用分布式計算的模式來處理用戶請求，在短時間內(nèi)做出響應(yīng)，且結(jié)果不依賴于單個參與計算的計算機。而云計算是用戶需要什么資源，在某個國家級的地點的云下經(jīng)過協(xié)商、付費之后，相應(yīng)地就能獲得什么資源，來解決用戶的“任何”請求，或者是公司的，或者是國家的。此時當請求數(shù)增多的時候，添加額外的付費即可獲得額外的資源來處理用戶的請求，即費用是和使用的資源成正比的。也就是說任何需要，云計算都可以為用戶解決，小到需要使用特定軟件，大到模擬衛(wèi)星的周期軌道，以及數(shù)據(jù)的存儲、公司的管理等。云計算所能提供的應(yīng)用對人們生活方式的影響可以說包含了用戶能想到的和想不到的。用戶獲得這些資源的方式很簡單，只需要提供合理的費用即可。這就是云計算的威力！11.1.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展概況

云計算技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的，是伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。由圖11.1可以看出，從1936年圖靈論文開始至2011年的75年間計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變革。1964年實現(xiàn)了包交換技術(shù)，1965年誕生了超文本技術(shù)，1969年美國軍方廣域網(wǎng)ARPANET誕生，1979年形成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP，1984年互聯(lián)網(wǎng)誕生，隨之1989年出現(xiàn)了萬維網(wǎng)，1993年互聯(lián)網(wǎng)歷史上第一個獲得普遍使用的網(wǎng)頁瀏覽器出現(xiàn)了，1995年IBM提出了電子商務(wù)，1999年首次提出語義Web，2000年出現(xiàn)了普適計算。之后2003年網(wǎng)格計算進入了人們的視線，到2007年云計算被正式提出。另外，在此期間網(wǎng)絡(luò)地址IP從IPv4到IPv6，從Web1.0到Web3.0，并形成了WebService(網(wǎng)絡(luò)服務(wù))的理念。

圖11.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展示意圖隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾室矎?970年的100kb/s發(fā)展到2010年的1Gb/s，如圖11.2所示。通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展也推動了FTTx系列技術(shù)的迅速發(fā)展，100Mb/s的端口速率能夠傳輸1500余路傳統(tǒng)話音(按照PCM編碼速率計算)，此外無線接入技術(shù)也同樣得到了迅速發(fā)展。如3G達2Mb/s，WiFi達11Mb/s，WiMax達34Mb/s，這些都為泛在的網(wǎng)絡(luò)計算提供了基本的接入條件。

圖11.2網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾拾l(fā)展示意圖通信(尤其是光通信和移動通信)和網(wǎng)絡(luò)科學(尤其是互聯(lián)網(wǎng))比可計算模型和軟件理論發(fā)展快，且很快滲透到了人類生活中，加快了從圖靈計算到網(wǎng)絡(luò)計算的轉(zhuǎn)變。通信發(fā)展的吉爾德速度是微電子發(fā)展的摩爾速度的2～3倍。11.1.2圖靈命題

圖靈(見圖11.3)是英國著名的數(shù)學家和邏輯學家，被稱為計算機科學之父、人工智能之父，是計算機邏輯的奠基者，提出了“圖靈機”和“圖靈測試”等重要概念。圖靈于1936年所寫的傳世論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》主要是回答德國大數(shù)學家希爾伯特在1900年提出的著名的“23個數(shù)學難題”之中的第10個，問題涉及邏輯的完備性，即是不是所有的數(shù)學問題在邏輯上都是可解的。這篇論文說，有些數(shù)學問題是不可解的。這篇論文還提出了自動計算機的理論模型，這種抽象模型可以把推理化作一系列簡單的機械動作，也就是被稱做圖靈機的模型，它有許多等價描述。

圖11.3圖靈20世紀60年代，圖靈機模型卻轉(zhuǎn)變成用來說明可計算能力的模型。為紀念該文發(fā)表30周年，1966年設(shè)立了“圖靈獎”，以紀念這位計算機科學理論的奠基人。

圖靈機模型(如圖11.4所示)就是指一個抽象的機器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個一個的小方格，每個方格有不同的顏色。有一個機器頭在紙帶上移來移去。機器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個時刻，機器頭都要從當前紙帶上讀入一個方格信息，然后結(jié)合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進行移動。

圖11.4圖靈機原型圖靈機的控制器具有有限個狀態(tài)。其中有兩類特殊狀態(tài)：開始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)(或結(jié)束狀態(tài)集合）。圖靈機的帶子分成格子，右端可無限延伸，每個格子上可以寫一個符號，圖靈機有有限個不同的符號。圖靈機的讀寫頭可以沿著帶子左右移動，既可掃描符號，也可寫下符號。

在計算過程的每一時刻，圖靈機處于某個狀態(tài)，通過讀寫頭注視帶子某一格子上的符號。根據(jù)當前時刻的狀態(tài)和注視的符號，機器執(zhí)行下列動作：轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)；把被注視的符號換成新的符號；讀寫頭向左或向右移動一格。這種由狀態(tài)和符號對偶決定的動作組合稱為指令。例如，指令q1ai│ajq2L表示當機器處在狀態(tài)q1下注視符號ai時，將ai換成符號aj，轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)q2，讀寫頭左移一格。決定機器動作的所有指令表稱為程序。結(jié)束狀態(tài)或指令表中沒有的狀態(tài)、符號對偶，將導(dǎo)致停機。在每一時刻，機器所處狀態(tài)、帶子上已被寫上符號的所有格子以及機器當前注視的格子位置，統(tǒng)稱為機器的格局。圖靈機從初始格局出發(fā)，按程序一步步把初始格局改造為格局的序列。此過程可能無限制繼續(xù)下去，也可能遇到指令表中沒有列出的狀態(tài)、符號組合或進入結(jié)束狀態(tài)而停機。在結(jié)束狀態(tài)下停機所達到的格局是最終格局，此最終格局(如果存在)就包含機器的計算結(jié)果。

圖靈論題：凡是可計算的函數(shù)都可以用圖靈機計算。11.1.3馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的計算機

馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的計算機組成與工作原理如下：

(1)基本組成：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。

(2)工作原理：程序輸入到計算機中后存儲在內(nèi)存儲器中(存儲原理)，在運行時，控制器按地址順序取出存放在內(nèi)存儲器中的指令(按地址順序訪問指令)，然后分析指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉(zhuǎn)移指令時，則轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移地址，再按地址順序訪問指令(程序控制)。控制器按照程序順序，逐條把指令和數(shù)據(jù)從存儲器中取出并加以執(zhí)行，自動完成由程序所描述的處理工作。11.1.4互聯(lián)網(wǎng)之父及相關(guān)發(fā)展

互聯(lián)網(wǎng)之父指的是RobertE.Kahn(1938—)和VintonG

.Cerf(1943—)(見圖11.5)。RobertE.Kahn擔任美國國家研究推進機構(gòu)CNRI董事長，而VintonG

.Cerf則是Google公司副總裁兼首席互聯(lián)網(wǎng)顧問。

RobertE.KahnVintonG.Cerf

圖11.5互聯(lián)網(wǎng)之父由于RobertE.Kahn和VintonG

.Cerf兩人在TCP/IP協(xié)議方面所取得的杰出成就，使他們在2004年榮膺“圖靈獎”，2005年獲得美國總統(tǒng)頒發(fā)的總統(tǒng)自由勛章。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展不僅推動了計算技術(shù)的發(fā)展，更改變了人類的生活方式。比如“圖靈獎”獲得者吉姆·格雷(JimGray)說，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下每18個月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量等于過去幾千年的數(shù)據(jù)量之和。

隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在近十年里計算機應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，計算機硬件和軟件也得到了迅猛的發(fā)展，但隨之而來的負面影響也不斷擴大。圖11.6給出了Windows操作系統(tǒng)的演化示意圖，由此可以看出Windows操作系統(tǒng)不僅面向公眾，還面向很多的企業(yè)，從而成為“千人一面”的計算機操作系統(tǒng)，軟件規(guī)模也越來越大。

圖11.6Windows操作系統(tǒng)演化的示意圖實際上，由于Windows操作系統(tǒng)綁定了大量與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的軟件，從而使得其規(guī)模越來越大，如圖11.7所示。

與此同時，軟件功能的拓展也加大了硬件的擴張，圖11.8給出了操作系統(tǒng)的升級而對硬件配置的要求變化的示意圖。

圖11.7Windows操作系統(tǒng)版本與系統(tǒng)功能增加的示意圖

圖11.8Windows操作系統(tǒng)的升級而對硬件配置的要求變化的示意圖其實，軟件功能提升造成的硬件配置升級，也是使電腦耗能提升，從而造成全球氣候變暖的禍首之一。

由此可見，計算機軟硬件發(fā)展過程中的不足催生和推動了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅促進了自身的發(fā)展，同時也推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的深化與進步。圖11.9給出了從電子郵件變遷看軟件由制造業(yè)到服務(wù)業(yè)的發(fā)展趨勢，這些發(fā)展趨勢與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。用戶不再關(guān)心郵件管理軟件自身，在同一個賬戶下，用戶可使用網(wǎng)絡(luò)日歷、文檔處理、照片存儲和協(xié)同等多種服務(wù)。想要實現(xiàn)這種新模式的所有潛能，IT技術(shù)行業(yè)就需要以云計算為平臺，在其基礎(chǔ)上去創(chuàng)造那些我們曾經(jīng)暢想過的新

圖11.9從電子郵件變遷看軟件由制造業(yè)到服務(wù)業(yè)的發(fā)展趨勢示意圖服務(wù)和新體驗。這就需要有一種新型的核心構(gòu)建模塊來交付這種新服務(wù)內(nèi)容。特別要指出的是，我們需要更先進的設(shè)備和更加智能化的網(wǎng)絡(luò)。軟件將會成為支持這些新型服務(wù)及決定用戶體驗品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

目前，很多人的注意力集中于一種模式——“軟件即服務(wù)”。這是一種業(yè)經(jīng)驗證的、通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)軟件按需應(yīng)用的模式。通過這種方式可以為用戶提供眾多的軟件產(chǎn)品，主要是因為這種模式免除了客戶在本地安裝、維護應(yīng)用的費用和麻煩。未來的趨勢是：從用戶的工作生活到娛樂再到不同的社區(qū)，無論在哪里，無論接觸到的是什么，一切事務(wù)都能以一種“服務(wù)”的形態(tài)展現(xiàn)在用戶面前。我們把這種模式稱為“一切皆服務(wù)(everythingasaservice)”，我們相信這將是世界科技發(fā)展的趨勢。個人用戶可以根據(jù)生活方式去尋求個性化的云服務(wù)；那些大型的跨國公司，也會不斷采用基于動態(tài)云服務(wù)的產(chǎn)品，以滿足他們最苛刻的按需計算的需求。

當用戶和用戶的智能手機、筆記本電腦、電視以及網(wǎng)絡(luò)進行持續(xù)互動的時候，云計算的真實能力將得以展現(xiàn)，所有這些設(shè)備將聯(lián)合起來共同為用戶提供服務(wù)。舉個簡單的例子：現(xiàn)在是下午2點，您的行程表上顯示您將在下午6點登上去往多倫多的班機，此時您的智能設(shè)備將分析出您本次旅行所需要的所有信息，并提前把它們匯總后匯報給您——多倫多地區(qū)的天氣預(yù)報、您所乘坐航班的最新情況、基于最新路況推薦的去機場的最佳路線，等等。顯然，這個例子說明，云服務(wù)的本質(zhì)就是廣泛、主動、高度個性化。這是一個巨大的進步。

很多人可能會說，他們在20世紀90年代，即互聯(lián)網(wǎng)泡沫時代曾聽過這樣的說法，但不同的是，那時的Internet速度慢得讓人痛苦，互聯(lián)網(wǎng)能帶給我們的僅限于靜態(tài)頁面。而今天，全球都進入了寬帶接入和移動化的時代，我們有機會實現(xiàn)從訪問靜態(tài)網(wǎng)頁到獲得動態(tài)服務(wù)的轉(zhuǎn)變。只有當IT完全準備好之后，這個轉(zhuǎn)變才能徹底實現(xiàn)。這個轉(zhuǎn)變的完成需要我們的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備以及軟件都達到更高的智能水平。云計算會大幅度減少信息技術(shù)的成本，但我們非常清楚——這個特殊轉(zhuǎn)變的意義將遠不止于成本節(jié)省。未來幾年中最大的挑戰(zhàn)是，能否徹底、大幅提升用戶體驗，只有做到這點，我們才能為技術(shù)行業(yè)創(chuàng)造新的增長點。11.1.5互聯(lián)網(wǎng)與社區(qū)

互聯(lián)網(wǎng)成為人感知和認知不可或缺的裝備，使得人的感知能力和認知能力掙脫了時間和距離的束縛，從而得到了極大的延伸；互聯(lián)網(wǎng)成為人與人之間溝通的不可或缺的裝備，使得人與人之間、人與社會之間的溝通質(zhì)量和效率得到極大的提升；同時，互聯(lián)網(wǎng)正在向物聯(lián)網(wǎng)滲透?；ヂ?lián)網(wǎng)突破了圖靈機的范疇，互聯(lián)網(wǎng)上的計算以交互為中心，此計算機可以影響彼計算機的運行狀態(tài)，和物理距離幾乎無關(guān)；CPU只是網(wǎng)絡(luò)上一個個自治節(jié)點中的可計算部分；節(jié)點可以是異構(gòu)的；節(jié)點之間可存在弱耦合的關(guān)系；集中統(tǒng)一的調(diào)度，順序的、確定的輸入。這些都不能描述互聯(lián)網(wǎng)的工作機理和交互機理?；ヂ?lián)網(wǎng)不等同于一臺虛擬的圖靈機模型。

互聯(lián)網(wǎng)所提供的一系列平臺使許多人成功實現(xiàn)了自我價值，例如：

·博客(Blog)成為面向公眾的個人信息發(fā)布系統(tǒng)，還衍生出移動博客、圖片博客、微博客等。

·播客(Podcast)成為個人網(wǎng)絡(luò)廣播站；閃客指用Flash軟件做動畫的人；拍客在攝影論壇張貼自己的作品，加入攝影討論；黑客(Hacker)進入別人的系統(tǒng)，尋找漏洞，利用漏洞。

·威客(Witkey)是網(wǎng)上“我?guī)腿巳?、人人幫我”的一群人，威客在網(wǎng)站上公開自己的知識、經(jīng)驗、能力及能夠提供的服務(wù)，或者提出問題，尋求服務(wù)。

社區(qū)成為了網(wǎng)上從事某種專項事物的人群，或者從事某種專項服務(wù)的領(lǐng)域的代名詞。社區(qū)規(guī)模可大可小，社區(qū)主題可粗可細，社區(qū)門檻可高可低，社區(qū)劃分無窮無盡。社區(qū)的出現(xiàn)巧妙地解決了人工智能中無法解決的常識知識的界定和表達問題。在信息時代，人人都在社區(qū)之中，人人都在有差異的多個社區(qū)之中。11.1.6對互聯(lián)網(wǎng)新的認識

互聯(lián)網(wǎng)不是交響樂，沒有總指揮，沒有人為它規(guī)定開始、中間和結(jié)尾，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中有協(xié)議或規(guī)范來定義它的架構(gòu)，但這一架構(gòu)從來沒有完整的規(guī)劃，沒有所謂的頂層設(shè)計，要有那就是演化。網(wǎng)絡(luò)科學告訴我們，互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)等現(xiàn)實世界中的網(wǎng)絡(luò)具有下列特性：

·小世界現(xiàn)象；

·無標度：二八定律和長尾分布；

·不均勻性(高集聚性)；

·脆弱性和魯棒性并存；

·級聯(lián)失效和連鎖崩潰。

任何人，作為網(wǎng)絡(luò)的端用戶，其端機上的資源(計算資源、存儲資源、軟件資源和信息資源等)和網(wǎng)絡(luò)上的資源相比，都變得微不足道。無論用戶是在進行網(wǎng)格計算、對等計算還是信息搜索，哪些事情由端機承擔、哪些事情由邊緣網(wǎng)絡(luò)承擔、哪些事情由核心網(wǎng)絡(luò)承擔，這是一個資源規(guī)劃問題。網(wǎng)絡(luò)資源對一個特定的在線端用戶而言如何表示？整個網(wǎng)絡(luò)資源分可為三個層次，由圖11.10可見，最上面的是計算資源，即分布在世界各地的大大小小的計算機；中間是網(wǎng)絡(luò)的傳輸與交換層，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?；最下面一層是?shù)據(jù)存儲層，即各地的數(shù)據(jù)庫，它存儲著大量我們需要的信息資源。所以，我們需要解決的核心問題就是為信息柵格上的用戶提供如何發(fā)現(xiàn)自己和快速索取所需信息資源的支撐環(huán)境和平臺組件。

圖11.10資源規(guī)劃示意圖在網(wǎng)絡(luò)上存在以下兩個極端狀況：

(1)網(wǎng)絡(luò)上沒有任何信息資源，網(wǎng)絡(luò)僅僅實現(xiàn)即時的交換，回到傳統(tǒng)通信的交換時代。所有信息資源都在主計算機(虛擬機)上，端機僅僅是人機即時交互，回到傳統(tǒng)的主機/終端模式。

(2)網(wǎng)格計算：依托專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，將處于不同地域、不同領(lǐng)域的多個閑散計算機資源組織起來，統(tǒng)一調(diào)度，組成一臺虛擬的“超級計算機”，完成一個共同的任務(wù)，如一個需要大量計算處理周期和大量數(shù)據(jù)的科學計算問題。

網(wǎng)格計算的結(jié)構(gòu)如圖11.11所示。由該圖可以看出，網(wǎng)格系統(tǒng)主要分為四大部分。第一部分稱為系統(tǒng)用戶，它主要是由科學家、工程師、技術(shù)人員和普通應(yīng)用人員構(gòu)成的，其實就是網(wǎng)格計算用戶，如圖中左側(cè)像電腦的部分。第二部分是智能接口部分，它是連接用戶和網(wǎng)格之間的橋梁，如圖中左側(cè)的“喇叭”部分。第三部分我們稱之為“中間件”，中間件是軟件工具的一種，它主要完成用戶、應(yīng)用商和系統(tǒng)資源之間的信息交換，如圖中管道部分。之所以稱為信息交換，主要是有索取信息的用戶，也有提供各種信息的供應(yīng)商和資源管理者。最后一個部分就是圖中右側(cè)的“喇叭”所包括的部分，有超級計算資源群、網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境和海量存儲系統(tǒng)。

圖11.11網(wǎng)格計算結(jié)構(gòu)示意圖實際上，網(wǎng)格計算就像平常所說的一句話“大家為一人”，而云計算則是互聯(lián)網(wǎng)上某些節(jié)點強大的信息資源(包括存儲資源、計算資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源和管理資源)通過云互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)方式，變成廣大用戶所能利用的動態(tài)、可伸縮的虛擬資源。云計算強調(diào)需求驅(qū)動、用戶主導(dǎo)、按需服務(wù)、即用即付、用完即散、不對用戶集中控制，用戶不關(guān)心服務(wù)者在什么地方。網(wǎng)格計算和云計算有兩個共同點：資源共享和虛擬計算。當然，網(wǎng)格計算和云計算也有很多不同之處，如表11.1所示。有了云計算，廣大用戶無需自購軟、硬件，無需將自己的軟、硬件系統(tǒng)交給它人托管，甚至無需知道是誰提供的服務(wù)，只關(guān)注自己真正需要什么樣的資源或者得到什么樣的服務(wù)。對于大量的中小型企業(yè)，不再需要一開始就花費大量的投資來購買部署計算機軟、硬件設(shè)備和聘用維護人員；不必擔心因為高估自身業(yè)務(wù)受歡迎的程度而過度部署造成資源浪費，或由于對廣受歡迎的業(yè)務(wù)部署不足而錯失潛在的客戶。這種不需要額外代價就能獲得信息資源使用上的柔性、按需獲取，在IT歷史上前所未有。所以，中小型企業(yè)是云計算的最大受益者，用戶應(yīng)用成本的降低以及應(yīng)用自由度的增加是云計算帶來的基本驅(qū)動力。表11.1網(wǎng)格計算和云計算的異同網(wǎng)格計算強調(diào)把電腦嵌入到網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境或日常工具中，讓電腦消失，人們注意的中心回歸到要完成的任務(wù)本身。1991年施樂公司前首席科學家MarkWeiser提出普適計算思想。例如，他在辦公室門前建造了一個噴水池，用噴水量和水柱高度來模擬顯示網(wǎng)絡(luò)上當前全球股價的走勢。網(wǎng)絡(luò)建立起一個人與人可以充分溝通的公用計算環(huán)境，把群體智能融入網(wǎng)絡(luò)。

由圖11.12所示的軟件理念變化過程示意圖可以清楚地看出，軟件發(fā)展從軟件定制到云計算經(jīng)歷了軟件定制、軟件產(chǎn)品、企業(yè)解決方案、面向大眾的成套軟件、網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)和云計算等幾個階段，從理念上發(fā)生了根本的變化，即從“以產(chǎn)品帶服務(wù)”向“以服務(wù)帶產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)化。

圖11.12軟件理念變化過程示意圖網(wǎng)絡(luò)可以建立人與人之間充分溝通的公用計算環(huán)境，把群體智能融入其中。類似于圖片識別等任務(wù)要轉(zhuǎn)化為圖靈可計算問題的難度是很大的，因此網(wǎng)絡(luò)環(huán)境出現(xiàn)了可信計算和可信軟件的研究。又如目前應(yīng)用于搜索引擎上的爬蟲程序搜索的主要是文字資料，還難以真正實現(xiàn)圖片內(nèi)容搜索。而如果能夠讓用戶參與這種搜索，網(wǎng)絡(luò)連接的就不(只)是計算機，還有人。

目前的搜索引擎軟件要判斷圖片內(nèi)容很難，公司不得不雇傭一些人來整理圖片，為其貼上標簽。Luis開發(fā)了一個游戲：網(wǎng)上玩家共同看一張圖，玩家必須給出一個關(guān)鍵字，另一個玩家要與之配對，一旦兩邊輸入的關(guān)鍵字一樣就得分，進入下一關(guān)。這樣，游戲運行一段時間之后將會產(chǎn)生大量基本圖片標簽。而如果網(wǎng)絡(luò)游戲者都能為這樣的圖片標簽系統(tǒng)作貢獻，那么就可以漸漸將整個圖片的資料庫建立起來。圖11.13給出了一個圖片標簽的樣例，圖左側(cè)是圖片，而右側(cè)則是給出的一組標簽。我們可以看出圖片中包括海邊(BEACH)、海(SEA)、人(PEOPLE)、談話(TALKING)、天空(SKY)等。

圖11.13圖片標簽的樣例下面我們舉一個群體智能即通過表示對圖片進行分類的例子，要求是根據(jù)圖片內(nèi)容將狗與人相似的兩張圖片分成一類。待分圖片組如圖11.14所示。

圖11.14人與狗待分圖片組

圖11.15人與狗分類圖

圖11.16人狗分類示意圖由圖11.14～圖11.6可以得知，通過群體標注，圖片可以如此分類，社區(qū)常識決定不同社區(qū)有不同標注。

那么對文本進行群體標注會如何?對視頻圖像進行群體標注又會如何?通過標注可否實現(xiàn)跨媒體檢索？這些問題一一呈現(xiàn)在我們的面前，期待著我們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q。這種需求激發(fā)了科學家創(chuàng)新的動力。維基百科的創(chuàng)始人吉米·威爾士(JimmyWales)構(gòu)建了一種新的理念，即大眾既是軟件的使用者，也是軟件的開發(fā)者，既是服務(wù)的消費者，也是服務(wù)的提供者，而圖靈沒有考慮過這樣的群體智能產(chǎn)生模式。云計算正是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計算模式，其計算資源(包括計算能力、存儲能力、交互能力等)是動態(tài)、可伸縮、被虛擬化的，而且以服務(wù)的方式提供。

為什么大家都喜歡云？為什么喜歡用云來比喻呢？因為天空中大量云滴構(gòu)成的云，遠觀有形、近觀無邊、千姿百態(tài)、飄逸不定，有時如朵朵棉花、有時一瀉千里，或淡或濃、或卷或舒、自在灑脫，在長空中飄浮著、聚散著、變幻著，引發(fā)人類諸多遐想，造就了許多不朽的詩句。在量子物理中關(guān)于電子云(ElectronCloud)的定義是，在原子核周圍運動的電子，沒有一個確定的軌道，而是以彌漫在空間中的云狀存在，形成一個概率分布的密度函數(shù)，可用薛定諤波動方程來描述。電子云具有概然性、彌漫性、同時性等特點。

從生態(tài)學來描述互聯(lián)網(wǎng)：我們把水庫看成云數(shù)據(jù)中心；陽光比作用戶需求；水汽蒸發(fā)看成服務(wù)的發(fā)布；把云滴比做服務(wù)，因為水汽凝結(jié)形成云滴；云可看做服務(wù)的聚合，因為云滴聚集形成云；降水可以看成用戶的按需索取。這樣就形成了一張互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)示意圖，如圖11.17所示。

圖11.17互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)示意圖云計算的提出有可能導(dǎo)致軟件工程的重大變革，突破圖靈機模型的束縛——不在于單臺圖靈機上的軟件，而在于網(wǎng)絡(luò)上軟件之間的相互作用，從而引發(fā)對計算機CPU核、操作系統(tǒng)、交互這三者關(guān)系的再認識。11.1.7未來軟件的三個新理念

1．軟件——永遠的beta版

軟件將沒有版本的概念，采用永遠在用的軟件開發(fā)模式(the“foreverbeta”approachtosoftware)，這種模式已被谷歌公司的Gmail、Gdoc所采用。云計算淡化了軟件產(chǎn)品的生命周期，服務(wù)商可以無數(shù)次在線更新軟件，而用戶與軟件的互動使得軟件向貼近用戶需求的方向演化。

2．軟件即服務(wù)(SaaS)

SaaS改變了操作系統(tǒng)、中間件等作為產(chǎn)品配置在客戶端的傳統(tǒng)，使軟件可以租用；用戶端可以零安裝、零維護、零剩余；出現(xiàn)同一個應(yīng)用軟件系統(tǒng)(如CRM)同時租給許多不同用戶使用(multi-tenance)的情況。

3．軟件、平臺和信息基礎(chǔ)設(shè)施都是服務(wù)(PaaS)

PaaS是亞馬遜(Amazon)的一個虛擬計算單元(相當于1.2GHz的IntelXeon的32位處理器、1.7GB內(nèi)存、160GB存儲器)，付費為每小時0.1美元，在S3上存儲1GB的數(shù)據(jù)每個月只需0.16美元。

云計算的核心技術(shù)主要包括兩個方面，一是虛擬化技術(shù)，二是資源共享。11.2云計算的核心技術(shù)11.2.1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)早就存在。虛擬內(nèi)存管理使得應(yīng)用程序自認為擁有連續(xù)足夠的存儲空間，而無需關(guān)心實際使用的磁盤、閃存等物理存儲設(shè)備的容量、組合、調(diào)用和管理細節(jié)，虛擬內(nèi)存是物理內(nèi)存的抽象。分時操作系統(tǒng)利用時間片輪轉(zhuǎn)分別處理多個不同的任務(wù)，使得一臺物理計算機可以虛擬為多臺獨立的虛擬機，為不同用戶服務(wù)。

在計算機硬件和操作系統(tǒng)上，通過一個中間件(虛擬機監(jiān)視軟件)支撐其上面的多個不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序同時運行，形成若干表面獨立的虛擬機器。虛擬專用網(wǎng)(VPN)是在公共電信設(shè)施(如互聯(lián)網(wǎng))上，建立企業(yè)或團體內(nèi)部通信與網(wǎng)絡(luò)的方法，封裝了多個不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端的傳輸差異性。計算資源的虛擬化在互聯(lián)網(wǎng)時代得到了迅速的發(fā)展，用戶以更自然的交互方式、呈現(xiàn)出個性化服務(wù)的強勁需求：①無需關(guān)心特定應(yīng)用軟件的服務(wù)方式，如是否被他人同時租用，即云計算中的SaaS；②無需關(guān)心計算平臺的操作系統(tǒng)以及軟件環(huán)境等底層資源的物理配置與管理，即云計算中的PaaS；③無需關(guān)心計算中心的地理位置，即云計算中的IaaS。云計算中心具有彈性伸縮、資源動態(tài)調(diào)配、弱化不同層面資源間的依賴、自容錯、自管理等功能。由此可見，計算資源的虛擬化組織、分配和使用模式，有利于資源合理配置并提高利用率，促進節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色計算。

互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下用戶從數(shù)據(jù)共享、信息共享走向服務(wù)共享，服務(wù)共享主要包括三個方面，即共享計算能力為主的服務(wù)、共享存儲能力為主的服務(wù)和共享交互能力為主的服務(wù)。在未來云計算將依托互聯(lián)網(wǎng)，通過端設(shè)備，隨時隨地獲得個性化服務(wù)；用戶只需買計算、買存儲、買帶寬，而不必再自建自己的數(shù)據(jù)中心。在端產(chǎn)品方面，擺脫了傳統(tǒng)配置帶來的系統(tǒng)升級開銷，端產(chǎn)品更加簡潔、靈活、多樣、個性化。手機、游戲機、數(shù)碼相機、電視機、上網(wǎng)本、筆記本電腦等功能交叉，差別細微，將出現(xiàn)更多“四不像”的產(chǎn)品。對于端設(shè)備制造商而言，通過I/O接口連接網(wǎng)絡(luò)的端設(shè)備必須解決廣義的“最后一公里”問題，并要能夠方便地進行功能的柔性重組。同一個端設(shè)備享受網(wǎng)絡(luò)上不同的服務(wù)，不同端設(shè)備享受網(wǎng)絡(luò)上同一種服務(wù)，端設(shè)備通過聯(lián)網(wǎng)服務(wù)定制實現(xiàn)個性化服務(wù)，不同端設(shè)備可以享受集群服務(wù)。

目前，云計算的核心理念就是在普通機器上提供高性能可靠服務(wù)。11.2.2云計算中心的架構(gòu)

云計算促進了互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演化，初期的互聯(lián)網(wǎng)支持盡力而為的服務(wù)，“核心簡單，邊緣豐富”。云計算要求云計算中心支持社會化、集約化和專業(yè)化的信息服務(wù)，“網(wǎng)絡(luò)豐富，邊緣簡單，交互智能”。圖11.18所示為云計算層次結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出，云計算可分為軟件即服務(wù)層(SaaS)、平臺即服務(wù)層(PaaS)和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層(IaaS)。

圖11.18云計算層次結(jié)構(gòu)圖云計算是全新的基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算理念和模式，實現(xiàn)云計算需要多種技術(shù)結(jié)合，并需要用軟件實現(xiàn)硬件資源的虛擬化管理和調(diào)度，形成一個巨大的虛擬化資源池，把存儲于個人電腦、移動設(shè)備和其他設(shè)備上的大量信息和處理器資源集中在一起，協(xié)同工作。按照最大眾化、最通俗的理解，云計算就是把計算資源都放到互聯(lián)網(wǎng)上，互聯(lián)網(wǎng)即是云計算時代的云。計算資源則包括了計算機硬件資源(如計算機設(shè)備、存儲設(shè)備、服務(wù)器集群和硬件服務(wù)等)和軟件資源(如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境和軟件服務(wù))。云計算平臺是一個強大的云網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計算和服務(wù)，利用虛擬化技術(shù)擴展每一個服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計算平臺結(jié)合起來，提供超級計算和存儲能力?，F(xiàn)行云計算中心的通用架構(gòu)就是服務(wù)器累積形成服務(wù)器農(nóng)場，不過這只是暫時現(xiàn)象，高端服務(wù)器研制和虛擬集群將是云計算發(fā)展的重要方向，新的高端服務(wù)器產(chǎn)業(yè)鏈、專業(yè)化的計算中心必然導(dǎo)致云計算架構(gòu)的多樣化。圖11.19給出了云計算技術(shù)體系層次結(jié)構(gòu)。

圖11.19云計算技術(shù)體系層次結(jié)構(gòu)11.2.3云計算中心承載部分與業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)

1．云計算中心承載部分的關(guān)鍵技術(shù)

云計算中心承載部分的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)彈性(可伸縮)計算：通過調(diào)整資源配置(如服務(wù)器數(shù)目、內(nèi)存和硬盤容量等)和資源調(diào)度方式(如并行化程度)，滿足承載部分的性能隨服務(wù)任務(wù)負載的增加而平滑變化的計算能力。

(2)動態(tài)重組：在運行過程中，改變軟件的組成模塊、結(jié)構(gòu)和配置參數(shù)等，由監(jiān)測、在線故障診斷、重構(gòu)策略執(zhí)行、系統(tǒng)回歸測試等活動構(gòu)成。

2．云計算中心業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)

云計算中心業(yè)務(wù)部分的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)社區(qū)和虛擬社區(qū)的發(fā)現(xiàn)。

(2)服務(wù)挖掘和服務(wù)聚合。

(3)語義計算：粒計算和可變粒計算。

圖11.20所示為云計算中心內(nèi)部的生態(tài)鏈示意圖，由圖中可以看出知名軟件服務(wù)商同時也可以成為其他SaaS供應(yīng)商的基礎(chǔ)平臺。

圖11.20云計算中心內(nèi)部的生態(tài)鏈示意圖11.2