云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的研究

1、<p>　　云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的研究</p><p>　　摘要：本文重點(diǎn)討論了云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的工作原理、功能概述以及構(gòu)建核心技術(shù)，對(duì)于深度解析云計(jì)算服務(wù)架構(gòu)有重大意義。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：云計(jì)算 基礎(chǔ)設(shè)施層 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) </p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　目前國

2、外云計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生重大貢獻(xiàn)的有Google App Engine、甲骨文的Salesforce.Com和Amazon EC2等，對(duì)它們的云計(jì)算產(chǎn)品研究后都不難發(fā)現(xiàn)，他們?nèi)〉玫某删投嗍窃谄脚_(tái)及服務(wù)層和軟件即服務(wù)層，而在基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層的成就是相當(dāng)少的，基礎(chǔ)設(shè)施層的代表產(chǎn)品有Google的Google Storage、Amazon的Amazon S3等一些存儲(chǔ)服務(wù)，業(yè)界在基礎(chǔ)設(shè)施層的領(lǐng)袖當(dāng)首推IBM，IBM的“藍(lán)云”解決方案在虛擬化、數(shù)據(jù)優(yōu)

3、化和數(shù)據(jù)保護(hù)方面的技術(shù)貢獻(xiàn)是有目共睹的。云計(jì)算的服務(wù)模式按照由底向上層次分為三種：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺(tái)及服務(wù)和軟件即服務(wù)，上層服務(wù)依賴于下層服務(wù)的部分功能，同時(shí)又可以按需調(diào)用下層服務(wù)的部分功能，所以，云計(jì)算三層服務(wù)模式協(xié)調(diào)工作的實(shí)現(xiàn)與否取決于最底層即基礎(chǔ)設(shè)施層的構(gòu)建。 </p><p><b>　　2 云計(jì)算概述 </b></p><p>　　云計(jì)算一詞的最早出現(xiàn)是在

4、2006年的搜索引擎大會(huì)上，由Google首席執(zhí)行官Eric Schmidt首次提出，但云計(jì)算并非全新的技術(shù)，它是由分布式技術(shù)、虛擬化、HTML等技術(shù)整合而來的，縱然如此，它卻是公認(rèn)的繼個(gè)人計(jì)算機(jī)變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后的第三次IT浪潮，云計(jì)算風(fēng)靡全球的本質(zhì)原因在于云提供商能為用戶提供海量的（大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池）、隨心所欲（動(dòng)態(tài)可伸縮）、廉價(jià)（按需收費(fèi)）的計(jì)算能力，這種計(jì)算能力包括硬件、軟件，從而大大減少用戶在維護(hù)運(yùn)行環(huán)境、初期投資、規(guī)

5、模擴(kuò)展等的成本，也是“環(huán)?！盜T發(fā)展的一個(gè)方向。 </p><p>　　3 云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層概述 </p><p>　　云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的構(gòu)建關(guān)系到整個(gè)云計(jì)算架構(gòu)能否正常工作，所以說基礎(chǔ)設(shè)施層是云計(jì)算構(gòu)建的重中之重。 </p><p>　　3.1 云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層工作原理 基礎(chǔ)設(shè)施層將經(jīng)過虛擬化的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源以基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使

6、用和管理。 </p><p>　　3.2 云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層功能、核心技術(shù) 雖然不同云提供商的基礎(chǔ)設(shè)施層在所提供的服務(wù)上有所差異，但是作為提供底層基礎(chǔ)IT資源的服務(wù)，核層一般都具有以下基本功能[4]。 </p><p>　　3.2.1 資源虛擬化。由云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的工作原理可知，設(shè)計(jì)云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的首要工作便是將大量的基礎(chǔ)設(shè)施、操作系統(tǒng)等資源虛擬化，從而實(shí)現(xiàn)資源管理的高層次邏輯，達(dá)到簡化

7、硬件資源表示、訪問和管理，同時(shí)定義標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出接口達(dá)到資源的交互的目的。目前流行的虛擬化技術(shù)有內(nèi)存虛擬化、桌面虛擬化、系統(tǒng)虛擬化等，限于篇幅本文在此以內(nèi)存虛擬化為例探討虛擬化相關(guān)技術(shù)。內(nèi)存虛擬化技術(shù)的核心是在屏蔽硬件資源差異的基礎(chǔ)上，控制地址轉(zhuǎn)一致性，如分配內(nèi)存、頁表、管理TLB等，要讓VMM必須對(duì)物理內(nèi)存有最終的控制權(quán)，嚴(yán)格控制將客戶物理地址空間映射到主機(jī)物理地址空間的操作，保證順利實(shí)現(xiàn)內(nèi)存虛擬化，最終以統(tǒng)一的資源池方式對(duì)內(nèi)存資源

8、整合、管理。 </p><p>　　3.2.2 資源功效監(jiān)控。資源功效監(jiān)控又叫資源監(jiān)控，是保證硬件基礎(chǔ)資源工作效能的關(guān)鍵步驟。云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層要實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理的前提首先便是對(duì)資源進(jìn)行監(jiān)控，由于硬件資源參差不齊各有差異，針對(duì)不同資源監(jiān)控的指標(biāo)也不盡相同，比如，對(duì)內(nèi)存空間的監(jiān)控，則看中使用率，主要監(jiān)控內(nèi)存的讀寫頻率，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源監(jiān)控重在對(duì)輸入輸出流量、路由狀態(tài)等的監(jiān)控。資源監(jiān)控的核心在于要在資源虛擬化的基礎(chǔ)上建立一個(gè)

9、針對(duì)全局資源的監(jiān)控方案，即資源監(jiān)控模型，該資源監(jiān)控模型要能實(shí)現(xiàn)對(duì)資源監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控指標(biāo)的描述，而且，資源監(jiān)控模型隨不同虛擬化資源層次、虛擬化的粒度不同而體現(xiàn)隨機(jī)應(yīng)變的功能，能夠?qū)μ摂M化資源進(jìn)行整體和局部的有效監(jiān)控。 </p><p>　　3.2.3 節(jié)點(diǎn)負(fù)載管理。云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層就是一個(gè)大規(guī)模的硬件資源的集群環(huán)境，在這樣的集群環(huán)境中每一個(gè)硬件資源節(jié)點(diǎn)（虛擬資源節(jié)點(diǎn)）的負(fù)載并不相同，甚至是起伏不定不帶規(guī)律的，雖然不

10、能消除硬件資源節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載的差異，但是如果不能通過一定的機(jī)制實(shí)現(xiàn)“負(fù)載均衡”，將造成的危害是嚴(yán)重的也是必然的。負(fù)載過重會(huì)關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)效率低下、數(shù)據(jù)危機(jī)增高，負(fù)載過低又會(huì)導(dǎo)致寶貴的資源大大浪費(fèi)，節(jié)點(diǎn)資源管理便顯得尤為關(guān)鍵。云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層節(jié)點(diǎn)負(fù)載管理的核心就是將資源節(jié)點(diǎn)通過自動(dòng)化的平衡機(jī)制進(jìn)行合并，然后全局分?jǐn)傌?fù)載，進(jìn)而提高資源利用率保證本層及上層資源的服務(wù)性能維持在理想范圍之內(nèi)，使得基礎(chǔ)設(shè)施層資源負(fù)載能夠自動(dòng)化的轉(zhuǎn)移，整體資源負(fù)載和利用率

11、保持在一個(gè)平衡度上。比如理想的處理器負(fù)載應(yīng)該控制在60%至80%之間，才能很好得調(diào)節(jié)性能和利用率。 </p><p>　　3.2.4 資源存儲(chǔ)管理。基礎(chǔ)設(shè)施層資源存儲(chǔ)管理即存儲(chǔ)虛擬資源文件的存儲(chǔ)和管理，通常云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層會(huì)運(yùn)行上千個(gè)的虛擬機(jī)，怎樣合理存儲(chǔ)海量的虛擬機(jī)鏡像文件、保存在虛擬機(jī)內(nèi)的業(yè)務(wù)文件以及隨應(yīng)用程序運(yùn)行而帶來的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等資源和對(duì)這些資源的科學(xué)管理是一個(gè)關(guān)鍵問題。云中數(shù)據(jù)都是相當(dāng)重要但用途不盡相同的

12、，資源存儲(chǔ)管理的核心技術(shù)在于解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施層高可用性、負(fù)載均衡的矛盾，建立一個(gè)保證基礎(chǔ)設(shè)施層高可用性的存儲(chǔ)機(jī)制是很重要的。比如，應(yīng)用程序產(chǎn)生的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和虛擬機(jī)鏡像文件都是虛擬化資源的核心數(shù)據(jù)，鏡像文件內(nèi)存大且隨虛擬機(jī)運(yùn)行而逐漸增加，是虛擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行核心文件，而應(yīng)用程序運(yùn)行過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接關(guān)系到云應(yīng)用的可用于否。在這種兩難問題上，業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了很好的解決方案。將應(yīng)用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)保存到虛擬機(jī)外，一旦某臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障，便可迅速開

13、啟另一虛擬機(jī)并調(diào)用保存在特定位置的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，使得整個(gè)集群環(huán)境不會(huì)因?yàn)橐慌_(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障而整體癱瘓，系統(tǒng)高可用性能大大提高。 </p><p>　　3.2.5 資源自動(dòng)化部署。資源自動(dòng)化部署即基礎(chǔ)設(shè)施層通過一個(gè)部署流程將虛擬化資源自動(dòng)化分配給上層應(yīng)用，以使得基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)可用。資源自動(dòng)化部署并非一勞永逸的，通常當(dāng)資源虛擬化環(huán)境準(zhǔn)備就緒，應(yīng)用程序開始構(gòu)建的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行第一次資源自動(dòng)化部署，稱為資源部署初始化。隨著應(yīng)用

14、程序運(yùn)行對(duì)底層資源需求增多，會(huì)進(jìn)行多次自動(dòng)化部署，稱為動(dòng)態(tài)部署。如果系統(tǒng)能夠通過增加資源以滿足不斷增長的性能需求，或通過縮減資源以降低成本，則稱這種系統(tǒng)是可伸縮的。由云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層資源部署機(jī)制工作原理可知，資源部署的自動(dòng)化和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層的動(dòng)態(tài)可伸縮性息息相關(guān)。云應(yīng)用會(huì)隨用戶需求和服務(wù)狀態(tài)變化而調(diào)整，自動(dòng)化進(jìn)行資源部署，以解決應(yīng)用程序工作負(fù)載高、故障恢復(fù)和硬件維護(hù)等“緊急問題”。 　　3.2.6 資源安全管理。研究機(jī)構(gòu)Gartne

15、r發(fā)布的一份名為《云計(jì)算安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》報(bào)告，其中列出了云計(jì)算技術(shù)存在的七大風(fēng)險(xiǎn)。即特權(quán)用戶的接人、可審查性、數(shù)據(jù)位置、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)恢復(fù)、調(diào)查支持和長期生存性。云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層資源安全管理正是應(yīng)對(duì)以上風(fēng)險(xiǎn)而專門設(shè)計(jì)的功能，另外，為了合法保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施層的虛擬化資源不被惡意盜用、破壞，保護(hù)合法</p><p>　　3.2.7 收費(fèi)管理。云計(jì)算的收費(fèi)方式是按需收費(fèi)，雖在不同的層次和服務(wù)上，收費(fèi)選取的變量不同，本質(zhì)卻是一

16、致的――“按需收費(fèi)”。這種合理的收費(fèi)方式給用戶以極高的“性價(jià)比”，成為云計(jì)算蓬勃發(fā)展的一大因素。按需收費(fèi)即是針對(duì)用戶在一段時(shí)間內(nèi)所占用的存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等計(jì)價(jià)收費(fèi)，業(yè)界通用的收費(fèi)方式大致有兩種：①實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)，真正用多少資源就收多少費(fèi)；②為用戶預(yù)設(shè)幾種固定資源配置類型，每種類型都有單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，用戶選擇一種類型使用并根據(jù)使用時(shí)間長短進(jìn)行付費(fèi)。第一種方式對(duì)各種資源使用的監(jiān)控準(zhǔn)確度要求很高，因此很少被真正采用；而第二種是一個(gè)相對(duì)折中的

17、辦法，使用時(shí)間長短和所選擇的資源配置類型是計(jì)費(fèi)變量，實(shí)施起來比較容易，因此被廣泛采用[4]。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語 </b></p><p>　　由于云計(jì)算三個(gè)層次之間是相互依賴的，它的每個(gè)層次的設(shè)計(jì)都不是一獨(dú)立的過程；基礎(chǔ)設(shè)施層是以硬件資源為中心的，它的搭建關(guān)系到整個(gè)云計(jì)算架構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施層的功能復(fù)雜、工作量大，它由內(nèi)而外，直接面向硬件資

18、源（虛擬化），同時(shí)又直接向上層、應(yīng)用程序提供服務(wù)（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)），設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)靈活的基礎(chǔ)設(shè)施層在云計(jì)算架構(gòu)搭建過程中顯得尤為重要。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]云計(jì)算核心技術(shù)剖析[M].人民郵電出版社，2011.5. </p><p>　　[2]王鵬.走近云計(jì)算[M].北京：人民郵電出版社，2009

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