云计算综述【文献综述】

《云计算综述【文献综述】》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

毕业论文文献综述通信工程云计算综述摘要：云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。本文介绍了云计算的发展概况、基本定义，对云计算的特点进行归纳分析，通过云计算的两种分类方式介绍了公共云、私有云和混合云，以及云计算的三个服务层次：IaaS、PaaS、SaaS。从存储、计算、管理三方面总结了云计算的关键技术，最后主要针对标准化和安全性两方面讨论了云计算所面临的问题。关键词：云计算，IaaS，PaaS,SaaS,关键技术前言有人将2008年称为云计算应用元年。从这一年起，几乎所有的主流IT厂商都开始谈论云计算。在Google敲入“CloudComputing”关键字，会出来2千多万条搜索结果，其它的与云计算相关的一些技术如“GridComputing（网格技术）”、“Virtualization（虚拟化）”等也分别有8百多万条，1千6百多万条，当今世界云计算的影响力由此可见一斑。如图1是云计算、网格计算和虚拟化在Google的搜索趋势，云计算俨然已经取代网格计算成为最热门的IT技术词汇，而它的发展也几乎可以用“一夜爆红”来形容。图1.云计算、网格计算和虚拟化在Google的全球搜索趋势我国也紧跟世界科技步伐，从2008年中旬开始，对云计算的研究也如火如荼地进行起来，关注度日益上升。中国电子学会还专门成立了云计算专家委员会，并相继举办中国云计算大会和中国云计算学术会议，中国互联网大会也专门召开了云计算产业峰会。前不久，2010年5月，第二届中国云计算大会 在北京刚刚落幕，有超过2000位政府官员、专家、CIO、CTO、科研人员、软件工程师、系统运维人员、产品与采购经理参加了这次大会，会议现场座无虚席，再次证明了云计算的火热程度。中国期刊网上关于云计算的文献记录就有2429条，表1统计了其在各学科领域发表的文章数量，从中我们可以看出云计算遍地开花，聚焦了IT、互联网、通信等各行各业的目光。表1.云计算在各学科领域的发表数量学科领域计算机应用工业经济信息经济互联网技术企业经济电信技术其它文献数量10468172019863341701.云计算发展背景与契机数字技术和互联网的发展，特别是Web2.0的发展导致数据量高速增长，因此对数据的处理能力提出了更高的要求，当计算能力的需求远远超出自身IT架构的计算能力，这时就需要不断加大系统硬件投入来实现系统的可扩展性；另外计算资源的利用率处于一种不平衡的状态，一些应用需要大量的计算资源和存储资源而得不到充足供给，同时大量的计算设备和存储资源却没有得到充分利用。为了节省成本、提高资源利用率和实现系统的可扩放性，云计算应运而生。[1][2]云计算是继1980年代大型计算到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。用户不再需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制。[3]早在60年代麦卡锡（JohnMcCarthy）就提出把计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户。[4]2006年8月，谷歌首席执行官埃里克·施密特（EricSchmidt）在搜索引擎大会（SESSanJose2006）首次提出“云计算”（CloudComputing）的概念。[3]随着IBM和Google与2007年10月宣布在云计算领域的合作后，云计算迅速成为产业界和学术界研究的热点。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner在其发布的2010年IT行业十大战略技术报告中将云计算列为首位，还预测，今年全球云端服务营收将增长16%至683亿美元，未来营收将持续强劲增长，2014年全球营收将达1488亿美元。[5]著名信息技术咨询公司IDC预计，到2013年云计算服务开支将占整个IT开支增长幅度的1/3。[6]2.云计算的定义云计算是一个概念，而不是指某项具体的技术或标准，不同的人从不同的角度出发就会有不同的理解。业界关于云计算定义的争论从未停止过，并不存在一个权威的定义。IBM技术白皮书定义云计算为一个系统平台或者一种类型的应用程序。平台按需部署，应用通过互联网进行访问。任何一个用户可以通过合适的互联网接入设备以及一个标准的浏览器就能访问一个云计算应用程序。[7]来自著名的伯克利（Berkeley）大学的一篇技术报告则指出，云计算既是指透过互联网交付的应用，也是指在数据中心中提供这些服务的硬件和系统软件。前半部分即是SaaS，而后半部分即是Cloud。简单地说，Berkeley认为云计算就是“SaaS+效用计算（UtilityComputing）”。[8] 网格计算之父伊安·福斯特（IanFoster）认为，云计算是一种大规模分布式计算的模式，其推动力来自规模化所带来的经济性。在这种模式下，一些抽象的、虚拟化的、可动态扩展和被管理的计算能力、存储、平台和服务汇聚成资源池，通过互联网按需交付给外部用户。[9]中国云计算领头人刘鹏则认为：云计算是一种商业计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算力、存储空间和信息服务。[10]其实仔细观察，我们不难发现，大家对于云计算基本上还是有个一致的看法，只是在某些范围的划定上有所区别。我觉得从用户的角度看，云计算大体可以认为是“终端+互联网”，任何一台与云所连接的终端将能解决以前只有超级计算机才能完成的任务，实现任何用户所需要的应用。3.云计算的特点之所以称为“云”，是因为云计算的鼻祖之一亚马逊公司将大家曾经称为网格计算的东西，取了一个新名词“弹性计算云”（ElasticComputingCloud），并取得了商业上的成功。之所以称为“云”，还因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊地；云在空中飘忽不定，无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在某处。[10]具体归纳分析，从研究现状看，云计算具有以下特点（如表2所示）：1.超大规模。Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软和Yahoo等公司的“云”均拥有几十万台服务器。企业私有云一般也拥有数百上千台服务器。2.虚拟化。所请求的资源分布在各个地方，而不是固定的某个有形的实体。应用在“云”中某处运行，用户无法，也无需了解应用运行的具体位置。用户可以在任意时间、任意位置、使用各种终端获取服务。3.弹性伸缩。可以根据需求量的多少，增减相应的IT资源（包括CPU、存储、带宽和中间件应用等），以适应应用和用户规模的变化。4.快速部署。提供者可以根据用户的需要及时部署资源，最终用户也可按需选择。5.通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一片“云”可以同时支撑不同的应用程序。6.高可靠性。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更加可靠。7.廉价性。“云”的特殊容错措施使得可以采用极其廉价的节点来构成云。8.按用量收费。“云”是一个庞大的资源池，像自来水、电和煤气那样，用户按照即付即用（pay-as-you-go）的方式付费，计费单位可以用时间（小时）、流量（字节）等。[6,10] 1．超大规模“云”须具相当的规模，否则不可称其为“云”。2．虚拟化资源抽象，与位置无关。3．弹性伸缩有很强的扩展性，IT资源的规模可以动态伸缩。4．快速部署模式多变，有极大地灵活性，快速响应负载。5．通用性质可承载多种应用，且能并行运行。6．高可靠性冗余度高，不存在单点故障。7．廉价性成本低，把各地闲置的计算力聚集起来形成一个超级计算机8．按用量收费用户按实际使用量付费表2.云计算的特点4.云计算的分类4.1根据云的部署模式和云的使用范围进行分类根据云计算服务的部署方式和服务对象范围可以将云分为3类：公共云，私有云和混合云。三者之间的关系如图2。公共云：当云以服务方式提供给大众时，称为“公共云”，公共云由云提供商运行，为用户提供从应用程序、软件运行环境，到物理基础设施等方方面面的IT资源的安装、管理、部署和维护。用户选择不同的服务模式获得自己想要的IT资源，且按照即付即用（pay-as-you-go）的方式付费，用多少，付多少。私有云：企业单位不对公众开放，为自身提供云服务（IT资源）的数据中心称为“私有云”。私有云可部署在企业数据中心的防火墙内，也可以将它们部署在一个安全的服务器托管场所。前者，私有云的用户完全拥有整个云中心设施，可以控制哪些应用程序在哪里运行，并且决定哪些用户使用云服务。对于后者，则由像Sun，IBM这样的云计算提供商安装、配置和运营基础设施，以支持企业内专用云的运作。由于私有云的服务提供对象是针对企业内部，私有云上的服务可以更少地受到在公共云中必须考虑的诸多限制，比如带宽、安全和法规遵从性等。而且，通过用户范围控制和网络限制等手段，私有云可以提供更多的安全和私密等专属性保证。混合云：把“公共云”和“私有云”结合到了一起。企业用户可以通过一种可控的方式部分独占，部分与他人共享。利用公共云的成本优势，将非关键的应用运行在公共云上，同时将安全性要求更高，关键性更强的主要应用通过内部的私有云提供服务。[6,11] 部分向内，部分向外图2.私有云、公有云与混合云三者间的关系私有云混合云公共云面向企业内部面向大众4.2根据云的服务层次和服务类型进行分类依据云计算的服务类型可以将云分为3层：基础架构即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。如图3所示。1.基础架构即服务（InfrastructureasaService）位于云计算3层服务的最底层。是狭义云计算定义所覆盖的范围。该层提供的是基本的计算和存储能力，其提供的基本单元就是服务器，包含CPU、内存、存储、操作系统及一些软件。其实就是将基础设施集成起来，像旅馆一样，分隔成不同的房间供企业、用户租用。产品实例有亚马逊的EC2等。2.平台即服务（PlatformasService）位于云计算3层服务的最中间。被称为“云计算的操作系统”。它提供给终端用户基于互联网的应用开发环境，包括应用编程接口和运行平台等，并且支持应用从创建到运行整个生命周期所需的各种软硬件资源和工具。产品实例有IBM的Rational开发者云，Saleforce公司的Force.com，微软的Azure和Google的GoogleAppEngine等。3.软件即服务（SoftwareasaService）位于云计算3层服务的顶端。是最成熟、最出名，也是得到最广泛应用的一种云计算。它提供最为接近用户的服务——应用程序。用户通过标准的Web浏览器来使用Internet上的软件。服务供应商负责维护和管理软硬件设施，并以免费（提供商可以从网络广告之类的项目中生成收入）或按需租用的方式向最终用户提供服务。产品实例有GoogleCalendar和Gmail，IBMLotusLive，Salesforce.com和NetSuite等。以上3层，每层都有相应的技术支持提供该层的服务，具有云计算的特征，比如弹性伸缩和自动部署等。每层云服务可以独立成云，也可以基于下面层次的云提供的服务。每种云可以直接提供给最终用户使用，也可以只用来支撑上层的服务。[6,12,13] 主要产品：AmazonEC2，Linode，Joyent，Rackspace，IBMBlueCloud，CiscoUCS等主要产品：GoogleAppEngine，force.com，heroku，WindowsAzurePlatform等主要产品：SalesforceSalesCloud，GoogleApps，Zimbra，Zoho，IBMLotusLive等软件即服务（SaaS）提供软件和应用程序等平台即服务（PaaS）提供基于互联网的开发环境基础设施即服务（IaaS）提供服务器，包括CPU，存储，操作系统等图3.云计算服务层次5.云计算的关键技术从技术层面上讲，云计算功能的实现取决于以下三个关键因素：数据的存储能力、分布式的计算能力及数据管理能力。因此，本文从存储、计算、管理三方面来阐述其间包含的云计算的关键技术。云计算关键技术存储方面：海量分布式存储技术(GFS，HDFS等)计算方面：管理方面：海量数据管理技术（BigTable，HBase等）虚拟化技术（VMware，KVM等）编程模拟技术（Map2Reduce等）5.1存储方面海量分布式存储技术。云计算系统由大量服务器组成，同时为大量用户服务，为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性。云计算的数据存储技术主要有谷歌的非开源的GFS（GoogleFileSystem）和Hadoop开发团队开发的GFS的开源实现HDFS（HadoopDistributedFileSystem）。大部分的IT厂商，包括雅虎、英特尔的云计划采用的都是HDFS的数据存储技术。云计算的数据存储技术未来的发展将集中在超大规模的数据存储、数据加密和安全性保证以及继续提高I/O速率等方面。5.2计算方面（1）虚拟化技术。 “云”的本质在于系统本身的非实体化，因此可以认为云计算是为用户量身定制一台虚拟计算机，虚拟化技术也就理所当然成为一个关键技术。通过虚拟化技术可实现软件应用与底层硬件相隔离，它包括将单个资源划分成多个虚拟资源的裂分模式，也包括将多个资源整合成一个虚拟资源的聚合模式。[14]目前对于云计算虚拟资源管理的研究，在满足用户对虚拟资源的QoS需求及服务等级协议（Servicelevelagreement，SLA）方面还不够精细，仍需要进一步的研究和完善。此外，虚拟化技术的下一轮扩张需增加更多的服务器和不同类型的应用程序，这就要求及时处理虚拟技术在性能、发布、存储、安全及其他管理上的障碍，从而实现云计算整个虚拟基础架构层面的功能。[15]（2）编程模型技术。为了使用户能更轻松地享受云计算带来的服务，让用户能利用该编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，云计算上的编程模型必须十分简单。必须保证后台复杂的并行执行和任务调度向用户和编程人员透明。云计算大部分采用Map2Reduce的编程模式。现在大部分IT厂商提出的云计划中采用的编程模型，都是基于Map2Reduce的思想开发的编程工具。Map2Reduce不仅仅是一种编程模型，同时也是一种高效地任务调度模型。Map2Reduce这种编程模型并不仅适用于云计算，在多核和多处理器、cellprocessor以及异构机群上同样有良好的性能。该编程模式仅适用于编写任务内部松耦合、能够高度并行化的程序。如何改进编程模式，使程序员能够轻松地编写紧耦合的程序，运行时能高效地调度和执行任务，是Map2Reduce编程模型未来的发展方向。5.3管理方面海量数据管理技术。云计算系统对大数据集进行处理、分析,向用户提供高效的服务。因此，数据管理技术必须能够高效地管理大数据集。其次，如何在规模巨大的数据中找到特定的数据，也是云计算数据管理技术所必须解决的问题。云计算的特点是对海量的数据存储、读取后进行大量的分析，数据的读操作频率远大于数据的更新频率，云中的数据管理师一种读优化的数据管理。因此，云系统的数据管理往往采用数据库领域中列存储的数据管理模式。将表按列划分后存储。云计算的数据管理技术主要是Google的BT（BigTable）数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBase。由于采用列存储的方式管理数据，如何提高数据的更新速率以及进一步提高随机读速率是未来的数据管理技术必须解决的问题。[16,17] 6.云计算所面临的问题1.标准化云计算标准的建立，可使用户能在不同云之间转移，灵活选择云服务提供商；可为用户提供统一标准的云服务，有助于政府等公共组织接受云计算服务；可使云平台提供统一接口，为创业公司提供参与云计算市场的机会，促进云计算的进一步发展；可防止形成大企业对云的垄断；可保证云计算产品和服务的质量，维护消费者利益；可在云计算产业以及IT产业内的各厂商之间进行协调，确立共同遵循的准则，建立稳定的秩序。[6]目前云计算的行业标准尚未建立，不同服务提供商所提供的云计算服务从用户的角度来说还不能完全兼容。许多云计算的提供商承认在生产软件和产品时首先要考虑的是标准问题，但他们不希望市场上出现标准来约束他们的商业行为，所以，短期来说，标准只是放在他们的口头，专利才是他们真正需要的。[18]2.安全性对于云计算的众多优点大家也许不会再有什么疑问，但是云计算也并不是没有缺点，其安全性就是一个备受争议的问题。在云计算环境下，应用程序和关键数据对用户完全透明，应如何保证他们不被病毒或非法程序攻击；其次是云服务提供者的中立和公信力问题，企业能否将自己核心资源托付给一个第三方。根据IBM的一项调查显示，数据安全性和私密性是阻碍用户选择用户选择云计算的一个最重要的原因，另一个重要原因是云计算的服务质量，这可以看成是一种广义的安全性。在云计算环境下，服务的后台资源和管理架构都隐藏在“云”里，对于用户是不可见的。这对于用户来讲就像一个黑盒子，用户因此会产生一种不信任的心理，觉得自己的数据不安全。其实这不是一个单纯的技术问题，而是一个商业问题，里面涉及诚信、法律等多方面因素。这就好比银行的保险柜业务，为什么大家相信把自己的财务放在银行的保险柜里比放自己家里更安全呢，那是因为有两方面的保证：技术上，保险柜的设计确保了只有保险柜的主人才能打开保险柜；而更重要的则是信任，大家因为银行的信誉相信银行能够保证他们财务的安全。同样，对于云计算来说，要解决安全性这个问题，也需要两方面的努力：技术上和非技术上的。[6]其它还有推广问题、性能问题、网络传输、审计一致性等问题，这里就不一一列举了。总体来说云计算还处于起步阶段，好多方面还需要不断完善。7.结束语很少有一种技术能够像“云计算”这样，在短短两年间就产生这么巨大的影响力。划时代的“云计算” 技术初露端倪便展现出广阔的应用前景和无限商机。中国工程院院士、工业和信息化部部长李毅中也表示，下一个时代将是云计算的时代。作为技术理念与商业模式的一项创新，云计算对人们思维方式和信息化发展方向的影响正在日益增强，它必将带动整个商业模式的转变，延伸出新的商业体系，并给云计算用户、产业界及各国政府带来深远影响与变革。参考文献[1]李玉坤，云计算与数据空间[EB/OL],[2010-11-24].http://idke.ruc.edu.cn/news/2008/cloud-computing.htm#survey.[2]张建勋，古志民，郑超.云计算研究进展综述[J].计算机应用研究，2010,2，27（2）：429～433.[3]维基百科.云计算[EB/OL],[2010-11-3].http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E9%9B%B2%E7%AB%AF%E9%81%8B%E7%AE%97.[4]百度百科.云计算[EB/OL]，[2010-11-11].http://baike.baidu.com/view/1316082.htm.[5]CTi论坛.Gartner:今年全球云端营收将达683亿美元[EB/OL],[2010-6-23].http://www.ctiforum.com/news/2010news/06/news06249.htm.[6]朱近之等.智慧的云计算[M].北京：电子工业出版社，2010,3.[7]BOSSG,MALLADIP,QUAND.CloudComputing.IBMWhitePaper[EB/OL],[2007-11-20].http://www.ibm.com/developerworks/websphere/zones/hipods/.127.[8]MichaelArmburst,ArmandoFox,ReanGriffith,etal.AViewofCloudComputing[J].CommunicationsoftheACM,Volume53Issue4,April2010:50～57.[9]IanFoster,YongZhao,IoanRaicu,etal.CloudComputingandGridComputing360-DegreeCompared.[10]刘鹏等.云计算[M].北京：电子工业出版社，2010,4.[11]百度百科.私有云[EB/OL]，[2010-10-19].http://baike.baidu.com/view/4000912.htm.[12]曾诚，李兵，何克清，云计算的栈模型研究[J].微电子学与计算机，2009,8,26（8）：22～24.[13]中国云计算.走进云计算：解密IaaS、PaaS和SaaS[EB/OL],[2010-10-28].http://chinacloud.cn/show.aspx?id=4254&cid=14.[14]TT中国.云计算在系统运用中的五大核心技术[EB/OL],[2010-8-10].[15]张亚明，刘海鸥.云计算研究综述——基于技术与商业价值双重视角[J].中国科技论坛，2010,8:126～133.[16]陈全，邓倩妮.云计算极其关键技术[J].计算机应用，2009,9,29（9）：2562～2567.[17]王鹏.云计算的关键技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2010,1. [18]TT中国.美国云技术高峰论坛：云计算的三大主要问题[EB/OL],[2010-3-31].http://www.searchcloudcomputing.com.cn/showcontent_33201.htm.