云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)分析研究

摘要：針對(duì)云計(jì)算概念的多種技術(shù)組合特征，對(duì)其框架模型進(jìn)行分析，研究面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)的主要功能，服務(wù)抽象是面向服務(wù)模式中的主要設(shè)計(jì)原則；研究平臺(tái)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、數(shù)據(jù)庫虛擬化的不同特征和作用，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)中心虛擬化是所有虛擬化技術(shù)的整合；研究Web關(guān)鍵技術(shù)在云計(jì)算中的作用特征。明確了結(jié)論，即云計(jì)算中面向服務(wù)的體系架構(gòu)使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以滿足按需獲取，虛擬化使應(yīng)用與底層的基礎(chǔ)設(shè)施相互分離，Web技術(shù)使云計(jì)算中信息內(nèi)容的合作成為可能，在線社區(qū)交互簡(jiǎn)單易行。
關(guān)鍵詞：云計(jì)算；SOA；虛擬化；Web技術(shù)

    云計(jì)算是基于因特網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式，云代表了網(wǎng)絡(luò)和組網(wǎng)，計(jì)算代表了與計(jì)算機(jī)相關(guān)的資源、應(yīng)用和服務(wù)。云計(jì)算牽涉到人、應(yīng)用、硬件、軟件、服務(wù)供應(yīng)商等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了純技術(shù)的范疇。從云中的軟件到平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施，計(jì)算產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展它的領(lǐng)域，云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域不斷凸顯出來。

1 云計(jì)算主要應(yīng)用
    谷歌應(yīng)用程序引擎(Google App Engine)允許用戶運(yùn)行、創(chuàng)建、維護(hù)和擴(kuò)展其基礎(chǔ)設(shè)施上的任意Web應(yīng)用程序，其Datastore數(shù)據(jù)庫支持獨(dú)特屬性的數(shù)據(jù)對(duì)象和實(shí)體，可進(jìn)行更有效的數(shù)據(jù)查詢，同時(shí)允許互不影響地完成多個(gè)事務(wù)，最終提高資源利用率。亞馬遜提供的遠(yuǎn)程計(jì)算服務(wù)AWS，主要包括簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)(Simple Storage Services，S3)和彈性計(jì)算云(Elastic Compute Cloud，EC2)。AWS S3使用最小組進(jìn)行開發(fā)，不設(shè)定最低消費(fèi)，按使用量收費(fèi)。AWS EC2允許客戶訪問和控制虛擬計(jì)算機(jī)，通過Web服務(wù)界面運(yùn)行需要的應(yīng)用程序。微軟Office Live允許對(duì)在線云文檔和傳統(tǒng)離線桌面版本文檔進(jìn)行同步或者異步的集成。Windows Azure Platform平臺(tái)解決方案包括：操作系統(tǒng)Windows Azure，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Azure，Azure AppFabric是一種簡(jiǎn)化連接云應(yīng)用或客戶端內(nèi)部應(yīng)用程序的高效方法。VMware每個(gè)VMware工作站允許一臺(tái)物理機(jī)器同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，VMware已經(jīng)與數(shù)百臺(tái)主機(jī)及云計(jì)算賣方取得合作，使在通用VMware平臺(tái)上靈活傳送成為可能，并允許在不同供應(yīng)商之間輕松遷移。VMware vSphere使用戶在使用基于云的管理和監(jiān)控特征時(shí)，能夠獲得高度的應(yīng)用保證。
    云計(jì)算的應(yīng)用發(fā)展驅(qū)策標(biāo)準(zhǔn)制定團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建所需的通用指南和規(guī)范，推動(dòng)多種解決方案的實(shí)現(xiàn)，例如，電信管理論壇(TM Forum)組建了企業(yè)云購買者委員會(huì)ECBC，旨在服務(wù)調(diào)度和流程獲??；分布式管理任務(wù)組DMTF開發(fā)了開放虛擬化格式OVF，用于打包和分發(fā)在虛擬機(jī)VM上運(yùn)行的軟件；開放網(wǎng)格論壇OGF創(chuàng)建開放云計(jì)算接口工作組OCCI，來定義可操作的解決方案，以實(shí)現(xiàn)與IaaS的接口；存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)SNIA創(chuàng)建了云存儲(chǔ)技術(shù)工作組，開發(fā)與云存儲(chǔ)技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的SNIA架構(gòu)。

2 云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)
    如圖1所示，云模型由5個(gè)關(guān)鍵特征、3個(gè)服務(wù)模型和4種部署模型組成。

    在云的關(guān)鍵技術(shù)中，面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以按需獲取，虛擬化使得應(yīng)用與底層的基礎(chǔ)設(shè)施相分離，Web技術(shù)使得信息內(nèi)容的合作成為可能，同時(shí)使在線社區(qū)交互簡(jiǎn)單易行。
2．1 向服務(wù)的體系架構(gòu)SOA
    面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)分層架構(gòu)，如圖2描繪，其中垂直切分和水平層次適合企業(yè)服務(wù)架構(gòu)。

2．1．1 SOA
    SOA分層架構(gòu)被廣泛作為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的計(jì)算模式和標(biāo)準(zhǔn)，主要功能如下：
    業(yè)務(wù)應(yīng)用層  包含2個(gè)主要的區(qū)域，即服務(wù)編排和業(yè)務(wù)展示。服務(wù)通過編排被捆綁為流，因此作為一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用行動(dòng)。每一個(gè)應(yīng)用組支持特定的應(yīng)用案例和業(yè)務(wù)流程。業(yè)務(wù)展示區(qū)將用戶接口(UI)橋接到成組的應(yīng)用程序，以便構(gòu)建端對(duì)端的解決方案。
    支持應(yīng)用層  應(yīng)用資源和數(shù)據(jù)可以動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)或靜態(tài)綁定，然后被調(diào)用，也可被設(shè)計(jì)為一個(gè)集成服務(wù)。服務(wù)資源通過企業(yè)服務(wù)總線(Enterp rise ServiceBuses，ESB)進(jìn)行交換。
    計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層  為企業(yè)層資產(chǎn)，負(fù)責(zé)通過架構(gòu)最佳實(shí)踐來確保與服務(wù)等級(jí)協(xié)議(SIAs)保持一致。
    計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)框架層  由應(yīng)用程序包、計(jì)算硬件和通信設(shè)備等組成。SOA的集成分層架構(gòu)能推動(dòng)現(xiàn)有系統(tǒng)，并通過使用面向服務(wù)的集成技術(shù)來集成它們。
    信息保證部分  提供監(jiān)控、管理和維護(hù)服務(wù)的完整性和安全性的能力。通過感知和反應(yīng)機(jī)制，這一后臺(tái)進(jìn)程和工具在事務(wù)處理和會(huì)話層確保了端對(duì)端的保護(hù)。
    系統(tǒng)管理部分  使服務(wù)集成成為可能，涉及服務(wù)計(jì)劃、配置、監(jiān)控、測(cè)試和重新配置。包括Web服務(wù)管理以及其他相關(guān)的通信和應(yīng)用管理，支持SOA中指定的所有功能。
2．1．2 服務(wù)抽象
    為了支持真正的分布式計(jì)算環(huán)境，對(duì)所提供的服務(wù)進(jìn)行抽象是SOA和云計(jì)算解決方案的基本特征。從實(shí)現(xiàn)的視角看，服務(wù)抽象是面向服務(wù)模式中的主要設(shè)計(jì)原則之一，強(qiáng)調(diào)隱藏盡可能多的服務(wù)底層細(xì)節(jié)。抽象實(shí)現(xiàn)了對(duì)暴露在外部世界的底層服務(wù)邏輯的控制，確保把服務(wù)實(shí)例設(shè)計(jì)為通用模式，可以使集成服務(wù)更加靈活地完成大量潛在服務(wù)請(qǐng)求。因此，這樣的服務(wù)能夠更好的定位成可重用的IT資產(chǎn)。
2．2 虛擬化
    虛擬化將應(yīng)用程序與它的底層資源相分離，允許多個(gè)客戶不受地理位置或資源的限制共享應(yīng)用程序：平臺(tái)虛擬化使得依賴于操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序更具可移植性和可擴(kuò)展性；網(wǎng)絡(luò)虛擬化確保更好的通信共享和服務(wù)質(zhì)量保證；數(shù)據(jù)庫虛擬化提高了數(shù)據(jù)的完整性和信息共享；平臺(tái)虛擬化簡(jiǎn)化了軟件的開發(fā)和發(fā)行；數(shù)據(jù)中心虛擬化整合了所有的虛擬化技術(shù)，以提供一個(gè)綜合的IT操作環(huán)境；所有這些都是成功實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的關(guān)鍵。
2．2．1 虛擬平臺(tái)
    平臺(tái)虛擬化可以為多個(gè)客戶端軟件實(shí)例創(chuàng)建一個(gè)模擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境，就好像各自都運(yùn)行在一個(gè)專用的物理硬件單元上。虛擬化主機(jī)軟件為客戶端軟件決定、執(zhí)行和實(shí)施硬件訪問策略。因此，在這樣的模擬環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，客戶端軟件實(shí)例訪問系統(tǒng)物理資源沒有任何限制。虛擬平臺(tái)是較好的聯(lián)合服務(wù)器的解決方案，許多小的服務(wù)器被一個(gè)大的物理服務(wù)器替代，從而節(jié)約了成本、提高了利用率。使用虛擬平臺(tái)，單個(gè)的操作系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化為不同的操作系統(tǒng)實(shí)例，并且能獨(dú)立存在于公共虛擬機(jī)上，即物理到虛擬(Physical to Virtual，P2V)的遷移。
    虛擬平臺(tái)使IT人員能夠通過虛擬平臺(tái)對(duì)一個(gè)公共平臺(tái)上運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行集中配置、管理和監(jiān)控，從而提高操作效率、降低空間消耗。虛擬平臺(tái)提供了高級(jí)別的可移植性，使得虛擬機(jī)能夠被重新部署成不同規(guī)模的計(jì)算資源，可擴(kuò)展性更好。
2．2．2 虛擬網(wǎng)絡(luò)
    網(wǎng)絡(luò)虛擬化通過一個(gè)共享的基礎(chǔ)設(shè)施支持多種并發(fā)網(wǎng)絡(luò)，然后每一個(gè)實(shí)例都被定制，以滿足不同的業(yè)務(wù)需求。在虛擬網(wǎng)絡(luò)中，組合帶寬為目標(biāo)用戶、服務(wù)器或者設(shè)備服務(wù)，被分為多個(gè)獨(dú)立、可靠的虛擬通道。有2種常見的虛擬網(wǎng)絡(luò)形式：基于協(xié)議的虛擬網(wǎng)絡(luò)和基于設(shè)備的虛擬網(wǎng)絡(luò)?；趨f(xié)議的虛擬網(wǎng)絡(luò)的例子包括虛擬局域網(wǎng)VLAN、虛擬專用網(wǎng)VPN、虛擬專用局域網(wǎng)服務(wù)VPLS。
    網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)提供了一種有效的解決方案，來處理使用中經(jīng)常遭遇突然、巨大和未知的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜性。
2．2．3 虛擬數(shù)據(jù)庫
    虛擬數(shù)據(jù)庫或者聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫使用邏輯數(shù)據(jù)庫索引，訪問和管理異構(gòu)的物理數(shù)據(jù)庫。無論本地還是遠(yuǎn)程，物理數(shù)據(jù)庫組通過一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部互聯(lián)，虛擬數(shù)據(jù)庫以對(duì)比和聯(lián)邦的方式聚集，消減物理上合并異構(gòu)數(shù)據(jù)庫所需的人力、花費(fèi)。使用虛擬數(shù)據(jù)庫解決方案的一個(gè)最顯著的好處，就是免去物理資源限制的能力，即使構(gòu)成聯(lián)邦的數(shù)據(jù)庫是異構(gòu)的，也可通過統(tǒng)一前端用戶接口，使用戶存儲(chǔ)和獲取他們的信息。
2．2．4 虛擬應(yīng)用
    虛擬應(yīng)用(Virtual Applications，VApps)指的是在虛擬機(jī)上執(zhí)行的軟件映像，這個(gè)概念建立在虛擬機(jī)、虛擬平臺(tái)和虛擬網(wǎng)絡(luò)成熟的基礎(chǔ)上，允許虛擬基礎(chǔ)設(shè)施上軟件實(shí)例的存在。利用必需操作系統(tǒng)，虛擬應(yīng)用技術(shù)幫助開發(fā)者在虛擬環(huán)境中輕松設(shè)計(jì)、完成、部署和維護(hù)他們基于服務(wù)器的應(yīng)用。

2．3 Web技術(shù)
    圖3描繪了三代Web技術(shù)和操作上的不同。Web 1．0時(shí)代，信息是由擁有相關(guān)知識(shí)的個(gè)人和組織所專有，信息主要是只讀的內(nèi)容，并且以靜態(tài)超文本標(biāo)記語言HTML網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)，信息用戶通過鏈接目錄導(dǎo)航網(wǎng)頁，供應(yīng)商以每一次點(diǎn)擊的消費(fèi)作為主要的商業(yè)收入。如圖3所示，雖然服務(wù)器可以位于因特網(wǎng)上的任意位置，服務(wù)供應(yīng)商主要以單一C／S模式使用網(wǎng)頁技術(shù)，Web 1．0在客戶交互作用和服務(wù)可擴(kuò)展性上缺乏靈活性。

    傳統(tǒng)的Web 1．0商業(yè)模型創(chuàng)建了眾多的站點(diǎn)，同時(shí)希望人們能夠?yàn)g覽它。在Web 2．0中，網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)作是一個(gè)商業(yè)平臺(tái)，用戶能夠在網(wǎng)頁上定制內(nèi)容。Web2．0強(qiáng)調(diào)和提升了創(chuàng)新性、全球信息共享，建立了一個(gè)更加全面的體系結(jié)構(gòu)，包含客戶端應(yīng)用、同步、商業(yè)服務(wù)、綜合和資源層，及其貫穿其中的開發(fā)和管理工具。使用這一體系結(jié)構(gòu)，許多服務(wù)供應(yīng)商能夠一起工作，通過更高的綜合和交互技術(shù)，為社區(qū)相關(guān)的客戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提供、連接、共享和協(xié)作。Web 2．0中使用的虛擬化概念，消除了信息的邊界，模糊了數(shù)據(jù)所有者。在這種模型下基礎(chǔ)的應(yīng)用和服務(wù)是免費(fèi)的，為了鼓勵(lì)更多的人參與到信息的創(chuàng)建中，創(chuàng)建工具必須更加簡(jiǎn)單、更友好和更易交互。
    發(fā)展中的Web 3．0將擁有語義網(wǎng)頁、跨瀏覽器、超瀏覽器的內(nèi)容投遞和請(qǐng)求機(jī)制、智能搜索、地理映射網(wǎng)、運(yùn)用3D技術(shù)搭建網(wǎng)站甚至虛擬世界等其他新的特征，Web 3．0在信息的組合、組織和提供等方面都有別于Web 2．0。Web 3．0的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)概念，使數(shù)據(jù)像網(wǎng)頁一樣容易訪問和鏈接。語義網(wǎng)頁拓寬語義范圍，使結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化甚至零散的數(shù)據(jù)內(nèi)容(比如傳統(tǒng)的網(wǎng)頁、文檔等)都能以資源描述框架(Resource Description Framework，RDF)和網(wǎng)頁控制語言(Web Ontology Language，OWL)語義格式的形式普遍存在。Web 3．0的人工智能特征能自動(dòng)執(zhí)行信息抓取和定制網(wǎng)頁內(nèi)容，使它的外觀和感受與用戶喜好保持一致，最終能以類似人類的方式思辯網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語
    云計(jì)算被視為科技業(yè)的下一次革命，它將帶來工作方式和商業(yè)模式的根本性改變。云計(jì)算在IT市場(chǎng)上的雛形正在逐步形成，它提供了全新的機(jī)遇，并催生傳統(tǒng)IT產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。隨著智能移動(dòng)設(shè)備、高速無線連接以及基于瀏覽器的Web 2．0接口的不斷增加，使得基于網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算模型不僅切實(shí)可行，而且還有助于降低IT資源的復(fù)雜性。