云计算体系结构和关键技术研究

摘要：云计算是一种通过互联网向用户提供弹性、按需服务的新兴技术，它既是一种技术，也是一种理念、一种商业模式，近年来的快速发展已受到学术界和产业界的极大关注。只有研究掌握了云计算的体系结构以及它使用的关键技术，才能深入地在云计算平台上进行业务承载研究。

关键词：云计算 体系架构 关键技术

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0083-02

1 引言

云计算借鉴了传统分布式计算和网格计算的思想，使用服务器集群构成数据中心来存储软硬件资源，以服务的形式交付给用户。用户可以通过“按使用付费”的模式使用这些服务，同时云计算可以根据所需服务动态分配资源，根据变化做出响应，通过资源池的持续分享，来提高资源的利用效率。

云计算是一种新兴的、最初由企业提出的商业模型，而与之相关的网格计算产生于科研机构，是为了完成某一个特定的任务需要，其目的是为了各科研机构能够进行数据资源共享，提高资源使用率。网格计算没能产生一种成功的商业模式，仅仅停留在理论的研究上，而云计算备受关注是因为技术创新为用户提供的服务。从某些方面讲，云计算不再一味追求高性能，而更加综合地考虑商业模式中的经济成本、可靠性和可用性。

2 云计算的体系架构及其特点

2.1 云计算的体系架构

从云的部署模式看，云计算可分为：公有云、私有云和混合云。公有云是由第三方公司提供的，通过互联网将服务器、存储数据等软硬件资源提供给用户使用的云计算环境；私有云是一些企业在内部网络中搭建和使用的云计算平台；混合云是公有云和私有云的混合，这种模式将成为企业的典型模式。

从服务类型上看，目前云计算服务主要可以分为IaaS（构架即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）。IaaS是向用户提供包括计算和存储在内的IT基础设施；PaaS是向用户提供包括数据处理模型和海量数据存储在内的平台环境开发；SaaS是向用户提供无需本地安装的软件（如图1所示）。不同用户群体可以使用不同云计算产品来满足自身的需要。

2.2 云计算的特点

云计算作为信息产业的一项创新，有着其自身突出的特点，主要表现在。

（1）动态服务模式，提供商可以根据需要动态的扩展和配置云，对闲置不用的资源进行管理，规避了风险，而用户是以自助计费的模式从云中（共享资源池）获取服务，这样大大提高了资源的整体利用率，为云服务商和用户都节省了开支。（2）资源虚拟化共享，通过引入虚拟化技术，云服务商在平台的部署、数据实时迁移、兼容性等方面具有较好表现云计算系统组成，而在用户使用资源尤其是软硬件资源时可以根据虚拟机内部资源使用情况灵活变更调整。（3）接入广泛，云服务支持各种终端的接入，用户可以使用除电脑外的其它异构终端（如智能手机）接入云，大大丰富了用户体验。

3 云计算的关键技术

3.1 数据中心网络技术

云计算往往需要部署大规模的数据中心以完成计算存储功能，传统的树型网络拓扑往往存在缺陷，一是若核心层的网络设备发生异常，网络性能将会大幅下降；二是网络设备端口有限，难以支持大规模网络的扩展；三是网络中节点之间的连通性和容错能力有待提高。为了弥补传统网络拓扑的缺陷，目前云计算中已研究出PortLand、

Dcell等新型的网络拓扑结构（如图2所示），这些结构更利于网络性能的提高和节点的扩展，降低成本。

PortLand结构由核心层、汇聚层和边缘层构成，汇聚层和边缘层可分解为若干个Pod，Pod中的交换机两两连接，若每个Pod中含有k台交换机，则可连接k2/4台核心交换机、k3/4个节点，这种结构可以保证计算机节点之间两两通信无阻塞，从而大大提高了网络的可靠性。

3.2 虚拟化技术

虚拟化技术在20世纪60年代就已经开始使用，目前硬件方面包括Intel和AMD等公司在硬件辅助虚拟化技术的研究，软件方面包括VMware、KVM等虚拟机技术的研究都有了成熟的发展。在云计算中使用虚拟化技术不仅可以降低IT成本，还可以增强系统的可靠性和安全性。这种技术的目标是为了对包括基础设施、系统软件、应用软件等资源的管理、使用进行简化，为这些资源提供标准的接口，从而隐藏了计算资源的物理特性。

从被虚拟化的资源看，虚拟化技术分成软件虚拟化、系统虚拟化和基础设施虚拟化，云计算中主要使用虚拟机技术和服务器虚拟化技术。

服务器虚拟化需要实现对服务器中CPU、内存、I/O等硬件设备虚拟化，其中CPU的虚拟化一般采用二进制代码翻译技术或者对虚拟化层进行超级调用来完成指令的运行[1]；内存虚拟化是将服务器的物理内存统一管理，为各个虚拟机提供互相间隔的、连续的虚拟内存空间，同时需要在虚拟机监视器中建立一个内存管理单元，用于存储和维护物理机器内存和虚拟机逻辑内存的映射关系。

3.3 编程模式

云计算需要业务公司根据特定服务需求来编写程序，因此它的编程模型必须透明、简单，并且尽可能地屏蔽底层硬件的细节处理，支持大规模扩展。目前云计算中主要使用的编程模式是Google公司提出的MapReduce模型[2]，程序员在Map函数中指定对各分块文件的处理过程，在Reduce函数中指定如何对分块数据的中间处理结果进行处理。这种编程模型指定程序分为文件输入、Map阶段、写中间文件、Reduce阶段、文件输出五个阶段（如图3），程序员不需要关心如何将文件分块、调度，系统同时给出了网络中节点通信以及节点失败的处理等，当某一个worker节点发生错误时，系统会将该worker节点屏蔽在系统外进行修复，并将该worker上执行的程序转到其他节点上执行，同时通过Master将迁移信息发送给需要该节点处理结果的节点上。

4 云计算中安全隐患

云计算的安全问题涉及很多，包括数据加密、数据完整、用户管理、应用程序安全、虚拟机安全等诸多方面，当使用云服务的个人或企业把数据交给云计算服务商后，云计算服务商往往比用户具有更高的数据优先访问权限，并且数据的大量长期储存，云服务商是否能长期稳定发展也会影响服务的稳定性；数据一直处于共享环境下，即时采用加密手段，也无法保证数据的机密性和完整性；云计算中有很多实时业务，这些可能隐藏着漏洞攻击的实时业务数据流，需要研究更加有效的主动防御策略加以应对。

5 结语

云计算是一种新兴的技术理念，其体系结构和技术上的优势使得使用云平台承载各种大规模服务已成为了信息产业的一大趋势。它涉及和融合了计算机领域中很多方面的技术研究，包括数据中心网络技术、虚拟机技术、编程模型等，本文仅仅研究了云计算体系结构和主要涉及到的技术，在数据存储、安全防护等方面还需要进一步研究。

参考文献

[1]薛静.《基于虚拟化的云计算平台中安全机制研究》[D].西北大学，2010.

[2]陈康，郑纬民.《云计算：系统实例与研究现状》[J].软件学报，2009（5）.

（编辑：源码门户网）

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