云計算的關鍵技術及發展現狀論文
居巍杰
摘要：本文給出了云計算的定義，總結了云計算的關鍵技術，揭示了云計算是多種新技術的綜合發展產物，并詳細介紹了云計算的發展現狀。
關鍵詞：云計算；數據存儲；編程模型；云安全
1. 前言
云計算(Cloud Computing)是一種新近提出的計算模式。云計算將待處理的數據送到互聯網上的超級計算機集群中進行計算和處理，把互聯網變成一種全新的計算平臺，能夠在網絡上實現按需購買與按使用付費的業務模式。自從云計算的概念提出來以后，立刻引起業內各方極大的關注，現在已成為信息領域的研究熱點之一。云計算到底是什么？為什么需要云計算？云計算的關鍵技術有哪些？云計算的發展現狀如何？本文將就上述問題展開敘述。
2. 云計算定義
云計算（Cloud Computing）是由分布式計算（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）、網格計算（Grid Computing）發展而來的，是一種新興的商業計算模型。目前，對于云計算的認識在不斷地發展變化，云計算仍沒有普遍一致的定義。
IBM公司于2007年底宣布了云計算計劃，云計算的概念出現在大眾面前。在IBM的技術白皮書“Cloud Computing”[1]中的云計算定義：“云計算一詞用來同時描述一個系統平臺或者一種類型的應用程序。一個云計算的平臺按需進行動態地部署(provision)、配置(configuration)、重新配置(reconfigure)以及取消服務(deprovision)等。在云計算平臺中的服務器可以是物理的服務器或者虛擬的服務器。高級的計算云通常包含一些其他的計算資源，例如存儲區域網絡(SANs)。網絡設備，防火墻以及其他安全設備等。云計算在描述應用方面，它描述了一種可以通過互聯網Intemet進行訪問的可擴展的應用程序。“云應用”使用大規模的數據中心以及功能強勁的服務器來運行網絡應用程序與網絡服務。任何一個用戶可以通過合適的互聯嘲接入設備以及一個標準的瀏覽器就能夠訪問
一個云計算應用程序。”
云計算是基于互聯網的超級計算模式，包含互聯網上的應用服務及在數據中心提供這些服務的軟硬件設施，進行統一的管理和協同合作。云計算將IT 相關的能力以服務的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務的技術、沒有相關知識以及設備操作能力的情況下，通過Internet 獲取需要的服務。
通過對云計算的描述，可以看出云計算具有高可靠性、高擴展性、高可用性、支持虛擬技術、廉價以及服務多樣性的特點。現有的云計算實現使用的技術體現了以下3個方面的特征[2]：
（1）硬件基礎設施架構在大規模的廉價服務器集群之上．與傳統的性能強勁但價格昂貴的大型機不同，云計算的基礎架構大量使用了廉價的服務器集群，特別是x86架構的服務器．節點之間的巨聯網絡一般也使用普遍的千兆以太網．
（2）應用程序與底層服務協作開發，最大限度地利用資源．傳統的應用程序建立在完善的基礎結構，如操作系統之上，利用底層提供的服務來構造應用．而云計算為了更好地利用資源，采用了底層結構與上層應用共同設計的方法來完善應用程序的構建．
（3）通過多個廉價服務器之問的冗余，使用軟件獲得高可用性．由于使用了廉價的服務器集群，節點的失效將不可避免．并且會有節點同時失效的問題．為此，在軟件設計上需要考慮節點之間的容錯問題，使用冗余的節點獲得高可用性．
3. 云計算關鍵技術[3][4]
云計算是一種新興的計算模式，其發展離不開自身獨特的技術和所涉及的一系列其他傳統技術的支持，并借助SaaS/PaaS/IaaS 等先進的商業模式把這強大的計算能力分布到終端用戶手中。
（1）虛擬化技術
虛擬化是實現云計算的最重要的技術基礎，虛擬化技術實現了物理資源的邏輯抽象和統一表示，它是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實硬件的基礎上運行。通過虛擬化技術可以提高資源的利用率，并能夠根據用戶業務需求的變化，快速、靈活地進行資源部署，實現動態負載均衡；同時與硬件無關的特性帶來系統自愈功能，提升系統的可靠性。在云計算實現中，計算系統虛擬化是一切建立在“云”上的服務與應用的基礎。虛擬化技術目前主要應用在CPU、操作系統、
服務器等多個方面，是提高服務效率的最佳解決方案。
（2） 數據存儲技術
為保證高可用性、高可靠性和經濟性，云計算采用分布式存儲的方式來存儲數據，采用冗余存儲的方式來保證存儲數據的可靠性，即為同一份數據存儲多個副本。這樣用戶就無需考慮存儲容量、數據存儲位置以及數據的安全性和可靠性等問題。
另外，云計算系統需要同時滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務。因此，云計算的數據存儲技術必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點。云計算的數據存儲技術的主要代表有谷歌的GFS（Google File System）。IBM 的“藍云”采用的是HDFS（Hadoop Distributed File System）數據存儲技術。此外，一些IT 公司也提出了一些數據存儲的解決方案。例如：微軟公司提出的Skydrive，惠普公司的Upline 以及Sun 公司的Network.com。
云計算的數據存儲技術未來的發展將集中在超大規模的數據存儲、數據加密和安全性保證以及繼續提高I/O 速率等方面。
（3）數據管理技術
云計算系統對大數據集進行處理、分析，并向用戶提供高效的服務，因此，數據管理技術必須能夠高效地管理大量的數據。另外，如何在規模巨大的數據中找到特定的數據，也是云計算數據管理技術所必須解決的問題。云計算系統中的數據管理技術主要是Google 的BT（BigTable） 數據管理技術和Hadoop 團隊開發的開源數據管理模塊HBase。由于管理形式的不同造成傳統的SQL 數據庫接口無法直接移植到云管理系統中來，目前一些研究在關注為云數據管理提供RDBMS 和SQL 的接口，如基于Hadoop 子項目HBase 和Hive 等。
（4）編程模型
為了使用戶能更輕松地享受云計算帶來的服務，讓用戶能利用該編程模型編寫簡單的程序來實現特定的目的，云計算上的編程模型必須十分簡單，必須保證后臺復雜的并行執行和任務調度向用戶和編程人員透明。當前比較有代表性的是Google 和Hadoop 項目。Google開發了java、Python、C++ 編程工具Map/Reduce，它不僅僅是一種編程模型，同時也是一種高效的任務調度模型，主要用于數據集的并行運算和并行任務的調度處理。這種編程模型并不僅適用于云計算，在多核
和多處理器、cellprocessor 以及異構機群上同樣有良好的性能。
（5）云安全
云計算是一種基于互聯網的計算模式，提供服務的時候也就不可避免地出現像安全漏洞、信息泄露、惡意攻擊和病毒侵害等普遍存在于既有信息系統中的共性安全問題。云安全經過樣本收集和MD5 端匹配技術發展階段，目前已發展到了第三代的可信云安全。可信云安全的特點是網上自動安全檢測和防御，客戶端可以優化到很小，以提高性能、減少資源消耗。
4. 云計算發展現狀
目前，亞馬遜，微軟，谷歌，IBM，Intel等公司紛紛提出了“云計劃”。例如亞馬遜的AWS (Amazon Web Services)[5]、IBM和谷歌聯合進行的“藍云”計劃等。這對云計算的商業價值給予了巨大的肯定。同時學術界也紛紛對云計算進行深層次的研究。例如谷歌同華盛頓大學以及清華大學合作，啟動云計算學術合作計劃(Academic Cloud Computing Initiative)，推動云計算的普及，加緊對云計算的研究。美國卡耐基梅隴大學等提出對數據密集型的超級計算（DISC：Data Intensive SuperComputing）進行研究，本質上也是對云計算相關技術開展研究。
IDC的調查顯示，未來五年云計算服務將急速增長，預期2012年市場規模可達420億美元。目前企業導入云計算已逐漸普及，并且有逐年成長趨勢。估計在2012年，企業投入在云計算服務的支出將占整體IT成本的25%，甚至在2013年提高至IT總支出的三分之一。由此可見，在各大公司以及學術界的共同推動下，云計算技術將會持續發展。
目前中國云計算的討論多數集中在早期云計算的概念、技術和模式上。早期的云計算是一種動態的、易擴展的、通過互聯網提供虛擬化IT 資源和應用的一種計算模式。用戶不需要了解云技術內部的細節，也不必具有云內部的專業知識，更不需要直接參與、投入、建設、維護和控制就能直接按需使用并按用量付費。2008 年，IBM在無錫建立了中國第一個云計算中心，在北京IBM中國創新中心建立了第二個云計算中心—IBM大中華區云計算中心。2009 年初，在南京建立國內首個“電子商務云計算中心”。世紀互聯推出“CloudEx”產品線，包括完整的'互聯網主機服務“CloudExComputing Service”、基于在線存儲虛擬化的“CloudEx StorageService”等云計算服務。
隨著云計算的升溫，國內的電信運營商也都積極投入到云計算的研究中，以期通過云計算技術促進網絡結構的優化和整合，尋找到新的贏利機會和利潤增長點，以實現向信息服務企業的轉型。中國移動推出了“大云”（Big Cloud）云計算基礎服務平臺，中國電信推出了“e云”云計算平臺，中國聯通則是推出了“互聯云”平臺。我國企業創造了“云安全”概念，通過網狀的大量客戶端對網絡中軟件行為的異常監測，獲取互聯網中木馬、惡意程序的最新信息，在服務端進行自動分析和處理，再把解決方案分發到客戶端。瑞星、趨勢等企業都推出了云安全解決方案。
隨著云計算的發展，互聯網的功能越來越強大，用戶可以通過云計算在互聯網上處理龐大的數據和獲取所需的信息。從云計算的發展現狀來看，未來云計算的發展會向構建大規模的能夠與應用程序密切結合的底層基礎設施的方向發展。不斷創建新的云計算應用程序，為用戶提供更多更完善的互聯網服務也可作為云計算的一個發展方向。
5. 結束語
綜上所述，云計算是一種新型的計算模式。它的最主要特征是系統擁有大規模數據集、基于該數據集，向用戶提供服務。它使用大量的普通商用機來構建系統，通過冗余存儲的方式確保整個系統的可靠性和可用性。與傳統超級計算機在底層編程不同，數據密集計算的云系統上使用基于Map-Reduce的高級編程模式。這使得編程人員可以不用考慮底層的并行化方式，專心與程序的邏輯實現。普通用戶經過簡單的學習，可以編寫出滿足自身需要的簡單程序。
越來越多的IT廠商提出了自己的“云”計劃，并投入大量資金推動云計算的發展。這恰恰為云計算提供了良好的發展機遇。雖然現在的云計算并不能完美地解決所有的問題，但是在不久的將來，一定會有越來越多的云計算系統投入實用，云計算系統也會不斷地被完善，并推動其他科學技術的發展。
參考文獻：
[1] Boss G，Malladi P，Quan D，Legregni L，Hall H．Cloud computing．IBM White Paper，2007．http：
//download．boulder．ibm．corn/ibmdl/pub/soRware/dw/wes/hipods/Cloud_computing_wp_final_80ct．pdf
[2] 陳康, 鄭緯民. 云計算:系統實例與研究現狀[J]. 軟件學報, 2009, 20(5):
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