云計算關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化

　　1 引言

　　云計算并不是一個全新的名稱。1961年，圖靈獎得主John McCarthy提出計算能力將作為一種象水、電一樣的公用事業(yè)提供給用戶。2001年，Google CEO Eric Schmidt在搜索引擎大會上首次提出“云計算”的概念。2004年，Amazon陸續(xù)推出云計算服務(wù)，成為少數(shù)幾個提供99.95%正常運(yùn)行時間保證的云計算供應(yīng)商之一。2007年，隨著IBM，Google等公司的宣傳，云計算概念開始獲得全球公眾和媒體的廣泛關(guān)注。

　　云計算目前并沒有統(tǒng)一的定義。根據(jù)Wikipedia，云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算新方式，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)為個人和企業(yè)用戶提供按需即取的計算。而Berkeley大學(xué)則認(rèn)為云計算是指Internet上以服務(wù)發(fā)布的應(yīng)用以及支撐這些服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的軟件和硬件。

　　筆者則認(rèn)為，云計算的概念不僅僅局限于計算，實(shí)際上直接稱為“云”更加合適，云的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的按需即取的服務(wù)Service on Demand，包括基于提供計算能力，存儲能力，以及網(wǎng)絡(luò)能力的各種服務(wù)的組合。正是因?yàn)榉?wù)的按需即取的特性，需要對應(yīng)于計算能力、存儲能力、交付能力的各種計算資源、存儲資源，以及網(wǎng)絡(luò)資源的按需即取的資源池管理和彈性提供。

　　從業(yè)務(wù)提供方式上，云可以提供3種業(yè)務(wù)：IaaS將虛擬化的資源直接按需提供給客戶;PaaS在虛擬化的云計算平臺上建立支持多種業(yè)務(wù)的應(yīng)用平臺，再將應(yīng)用接口和開發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境提供給外部;SaaS在虛擬化的云計算平臺上提供按需定制和快速部署的應(yīng)用軟件租用服務(wù)。目前，業(yè)界研究最多的是 IaaS和PaaS，本文將針對IaaS(對應(yīng)基礎(chǔ)云)和PaaS(對應(yīng)業(yè)務(wù)云)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方案以及云的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行闡述。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 虛擬化

　　虛擬化是實(shí)現(xiàn)云計算的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示。通過虛擬化技術(shù)可以提高資源的利用率，并能夠根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求的變化，快速、靈活地進(jìn)行資源部署。

　　2.1.1 虛擬化平臺架構(gòu)

　　在云計算環(huán)境中，通過在物理主機(jī)中同時運(yùn)行多個虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬化。多個虛擬機(jī)運(yùn)行在虛擬化平臺上，由虛擬化平臺實(shí)現(xiàn)對多個虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的監(jiān)視和多個虛擬機(jī)對物理資源的共享。

　　總的來說，我們認(rèn)為虛擬化平臺是三層結(jié)構(gòu)，最下層是虛擬化層，提供基本的虛擬化能力支持;中間層是控制執(zhí)行層，提供各控制功能的執(zhí)行能力;最上層是管理層，對執(zhí)行層進(jìn)行策略管理、控制，提供對虛擬化平臺統(tǒng)一管理的能力。如圖1所示，虛擬化平臺應(yīng)該包含虛擬機(jī)監(jiān)視器Hypervisor，虛擬資源的管理，虛擬機(jī)遷移，故障恢復(fù)，策略管理(如提供虛擬機(jī)自動部署和資源調(diào)配)等功能實(shí)體。各部分具體功能描述如下：

　　圖1 虛擬化平臺功能結(jié)構(gòu)

　　(1)虛擬機(jī)管理：主要保護(hù)VM的創(chuàng)建、啟動、停止、遷移、恢復(fù)和刪除等能力，虛擬機(jī)映像管理，虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境的自動配置和快速部署啟動等能力。虛擬機(jī)管理可根據(jù)主機(jī)節(jié)點(diǎn)/虛擬機(jī)的CPU，內(nèi)存，I/O，網(wǎng)絡(luò)等資源使用情況，自動地在不同主機(jī)節(jié)點(diǎn)之間遷移VM，使得VM的性能得到保障。也包含主機(jī)節(jié)點(diǎn)的失效保護(hù)，即當(dāng)一個主機(jī)節(jié)點(diǎn)失效后，該功能實(shí)體能將其上的服務(wù)自動轉(zhuǎn)移到其他節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)運(yùn)行。

　　(2)高可用Cluster：用于保證主機(jī)節(jié)點(diǎn)的失效保護(hù)，當(dāng)一個主機(jī)節(jié)點(diǎn)失效后，Cluster自動將其上的服務(wù)轉(zhuǎn)移到集群中的其他節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)運(yùn)行。該Cluster還可具有負(fù)載均衡和存儲集群的能力。

　　(3)動態(tài)資源調(diào)配：虛擬存儲、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、配置、修改和刪除等能力。當(dāng)一個VM的內(nèi)存、外出或網(wǎng)絡(luò)資源不足時，可臨時借用同節(jié)點(diǎn)中其他VM暫時不使用的同類資源。

　　(4)動態(tài)負(fù)載均衡：兼顧能源消耗和工作負(fù)載的均衡。根據(jù)策略需要，可開啟/關(guān)閉部分主機(jī)節(jié)點(diǎn)，并遷移關(guān)聯(lián)的VM。

　　(5)管理工具：包含虛擬化平臺需要支持的一套工具，如P2V(Physical to Virtual)，V2P(Virtual to Physical)，VA(Virtual ApplicaTIon)，JEOS(Just enough Operating System)等。

　　(6)主機(jī)安全：用于保證VM運(yùn)行環(huán)境的安全，包含一組軟件，如anti-virus，IDS等。

　　2.1.2 虛擬化平臺部署

　　如圖2所示，在實(shí)際部署中，由于Cluster、動態(tài)資源分配、主機(jī)安全等與Hypervisor關(guān)系密切，可以作為獨(dú)立的軟件部署在主機(jī)節(jié)點(diǎn)之中。其他功能都可以集成在一起，形成VM管理器。這樣進(jìn)行功能分配后，整個虛擬化平臺可以分為兩個軟件包：一是Hypervisor + Host OS軟件包，駐留在主機(jī)節(jié)點(diǎn)中;二是VM管理器軟件包。兩者之間的接口將被簡化為配置、簡單控制、查看和監(jiān)控幾類。

　　圖2 虛擬化平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　運(yùn)行VM的主機(jī)利用Cluster功能組成一個高可用的集群系統(tǒng)，當(dāng)其中的某個節(jié)點(diǎn)失效時，可無需VM管理器的干涉，自動地將失效節(jié)點(diǎn)上的服務(wù)遷移到其他節(jié)點(diǎn)，并為其重新分配存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，使得服務(wù)不間斷。VM管理可部署在獨(dú)立的服務(wù)器上，由其負(fù)責(zé)對虛擬化平臺的告警、運(yùn)行狀況監(jiān)控、負(fù)載調(diào)整等工作。虛擬化平臺物理部署如圖3所示。

　　圖3 虛擬化平臺部署圖

　　2.1.3 虛擬化平臺的優(yōu)勢

　　(1)平臺虛擬化實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)利用。利用虛擬化技術(shù)，在一臺物理服務(wù)器或一套硬件資源上虛擬出多個虛擬機(jī)，讓不同的應(yīng)用服務(wù)運(yùn)行在不同的虛擬機(jī)上，在不降低系統(tǒng)魯棒性、安全性和可擴(kuò)展性的同時，可提高硬件的利用率，減少應(yīng)用對硬件平臺的依賴性，從而使得企業(yè)能夠削減資金和運(yùn)營成本，同時改善IT服務(wù)交付，而不用受到有限的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和硬件選擇范圍的制約。

　　(2)利用虛擬機(jī)與硬件無關(guān)的特性，按需分配資源，實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載均衡。當(dāng)VM監(jiān)測到某個計算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過高時，可以在不中斷業(yè)務(wù)的情況下，將其遷移到其它負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)或者在節(jié)點(diǎn)內(nèi)通過重新分配計算資源。同時，執(zhí)行緊迫計算任務(wù)的虛擬機(jī)將得到更多的計算資源，保證關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)能力。

　　(3)平臺虛擬化帶來系統(tǒng)自愈功能，提升系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)服務(wù)器硬件故障時，可自動重啟虛擬機(jī)。消除在不同硬件上恢復(fù)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序安裝所帶來的困難，其中任何物理服務(wù)器均可作為虛擬服務(wù)器的恢復(fù)目標(biāo)，進(jìn)而減少硬件成本和維護(hù)成本。

　　(4)提升系統(tǒng)節(jié)能減排能力。與服務(wù)器管理硬件配合實(shí)現(xiàn)智能電源管理;優(yōu)化虛擬機(jī)資源的實(shí)際運(yùn)行位置，達(dá)到耗電最小化，從而可為運(yùn)營商節(jié)省大量電力資源，減少供電成本，節(jié)能減排。

　　2.2 分布式文件系統(tǒng)

　　分布式文件系統(tǒng)是指在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的云存儲分布式文件系統(tǒng)，可用于大規(guī)模集群。主要特性包括：

　　(1)高可靠性：云存儲系統(tǒng)支持節(jié)點(diǎn)間保存多副本功能，以提供數(shù)據(jù)的可靠性。

　　(2)高訪問性能：根據(jù)數(shù)據(jù)重要性和訪問頻率將數(shù)據(jù)分級多副本存儲，熱點(diǎn)數(shù)據(jù)并行讀寫，提高訪問性能。

　　(3)在線遷移、復(fù)制：存儲節(jié)點(diǎn)支持在線遷移、復(fù)制，擴(kuò)容不影響上層應(yīng)用。

　　(4)自動負(fù)載均衡：可以依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)荷將原有節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)搬移到新增的節(jié)點(diǎn)。特有的分片存儲，以塊為最小單位來存儲，存儲和查詢時所有存儲節(jié)點(diǎn)并行計算。

　　(5)元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離：采取元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離的方式設(shè)計分布式文件存儲系統(tǒng)。

　　圖4為分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)架構(gòu)。其中：

　　圖4 分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

　　●FAC：負(fù)責(zé)向用戶提供文件訪問接口，安裝在服務(wù)器端(提供給應(yīng)用以文件操作的API接口;實(shí)現(xiàn)與FLR和FAS的交互，完成數(shù)據(jù)的搬遷)。

　　●FAS：負(fù)責(zé)文件的調(diào)度和訪問，完成對磁陣的讀寫操作，對FAC提供數(shù)據(jù)讀寫功能，完成數(shù)據(jù)的分布式存儲。

　　●FLR：負(fù)責(zé)元數(shù)據(jù)的管理，保存文件和塊的命名空間，文件到塊的映射，以及每個塊副本的位置。

　　2.3 分布式數(shù)據(jù)庫

　　分布式數(shù)據(jù)庫能實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載均衡、故障節(jié)點(diǎn)自動接管，具有高可靠性、高性能、高可用、高可擴(kuò)展性，在處理PetaByte級以上海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)上具備明顯性能優(yōu)勢。圖5為分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)架構(gòu)。其中：

　　圖5 分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

　　(1)PEC：解析執(zhí)行服務(wù)器(Parsers & ExecuTIng Controllers，簡稱PEC)，SQL服務(wù)接入點(diǎn)。負(fù)責(zé)接收客戶的SQL請求，并定向到特定的Tablet服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

　　(2)Master：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)管理和調(diào)度工作。

　　(3)TabletServer：負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)庫的子表。

　　(4)Space：分布式文件系統(tǒng)的鎖服務(wù)功能。主要保證共享訪問時對數(shù)據(jù)的獨(dú)占性。

　　2.4 中興通訊CoCloud增值業(yè)務(wù)云(見圖6)

　　圖6 中興通訊CoCloud增值業(yè)務(wù)云

　　基于上述關(guān)鍵技術(shù)，中興通訊的CoCloud增值業(yè)務(wù)云服務(wù)棧提供了IaaS，PaaS，SAAS多層次云服務(wù)模式，包括統(tǒng)一開放環(huán)境UOE/Mahup PAAS云平臺，云存儲，多業(yè)務(wù)云調(diào)度，ECP，NGCC，VPBX，應(yīng)用工廠等多種云服務(wù)方案。

　　2.4.1 中興通訊CoCloud增值業(yè)務(wù)云優(yōu)勢

　　(1)先進(jìn)的軟件自適應(yīng)自動部署方式：實(shí)時監(jiān)控各個業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的資源情況，根據(jù)預(yù)先定制的策略，增加或者減少業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，可以自動安裝、啟動、關(guān)閉業(yè)務(wù)軟件，做到軟件根據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)資源狀況自適應(yīng)部署。

　　(2)靈活高效的業(yè)務(wù)擴(kuò)展方式：在已有的云計算平臺上通過簡單的配置后，就可以為新的業(yè)務(wù)分配資源，迅速開展新的業(yè)務(wù)。

　　(3)統(tǒng)一運(yùn)維管理：基于云計算平臺開展業(yè)務(wù)后，基于同樣的基礎(chǔ)架構(gòu)開展多種業(yè)務(wù)，目前的運(yùn)維管理方式需要轉(zhuǎn)變，不再是煙囪式的建設(shè)和運(yùn)維。統(tǒng)一的云管理平臺，通過分權(quán)分域的方式，讓維護(hù)人員進(jìn)行業(yè)務(wù)和設(shè)備的管理。

　　(4)自動在線升級功能：提供軟件版本中心，通過手工或者自動進(jìn)行業(yè)務(wù)版本以及虛擬化軟件版本的升級。

　　(5)綠色節(jié)能：在業(yè)務(wù)層面做到軟件自適應(yīng)自動部署，在業(yè)務(wù)閑時只保留必要的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，減少了虛擬機(jī)資源的使用，減少了資源的消耗;在虛擬化層面，通過資源動態(tài)均衡方案和綠色節(jié)能方案相結(jié)合，將虛擬機(jī)部署在恰當(dāng)?shù)奈锢頇C(jī)上，保留必要的備用物理機(jī)之外，將其他的物理機(jī)進(jìn)行節(jié)能管理，從而減少運(yùn)營商在業(yè)務(wù)閑時不必要的能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心。

　　(6)多層次容災(zāi)：硬件發(fā)生故障時，虛擬機(jī)管理中心自動將虛擬機(jī)遷移到其他物理機(jī)上，做到虛擬層的容災(zāi);虛擬機(jī)發(fā)生故障不能恢復(fù)時，應(yīng)用軟件部署子系統(tǒng)將故障虛擬機(jī)資源釋放，并重新申請新的虛擬機(jī)來運(yùn)行故障的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。

　　(7)平滑擴(kuò)容：采用分層結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)層面和虛擬機(jī)層面之間采用松耦合方式，當(dāng)物理資源不夠用時，直接在資源池中增加物理機(jī)并安裝虛擬軟件后即可使用;當(dāng)業(yè)務(wù)處理能力不夠時，業(yè)務(wù)層面的自適應(yīng)自動部署機(jī)制會自動增加節(jié)點(diǎn)，達(dá)到業(yè)務(wù)能力的擴(kuò)容。

　　2.4.2 中興通訊CoCloud增值業(yè)務(wù)云優(yōu)化實(shí)例

　　以WAP網(wǎng)關(guān)、彩信多業(yè)務(wù)云調(diào)度為例，假設(shè)現(xiàn)網(wǎng)WAP網(wǎng)關(guān)容量為30000TPS，彩信容量為3000條，獨(dú)立建設(shè)與多業(yè)務(wù)云計算方案對比如圖7所示。

　　圖7 獨(dú)立建設(shè)與多業(yè)務(wù)云方案對比

　　3 云計算標(biāo)準(zhǔn)化

　　3.1 總體介紹

　　目前，國內(nèi)外進(jìn)行云計算技術(shù)研究或與云計算技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)組織約有40個，進(jìn)行云計算產(chǎn)業(yè)活動的行業(yè)也有150個之多。

　　圖8給出一個目前各主要有關(guān)類別和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織的一個全景視圖，標(biāo)準(zhǔn)化組織包括OCCI，OASIS，DMTF，CSA，OMG，SNIA，OGF等。圖中顯示，目前的云計算標(biāo)準(zhǔn)組織主要是定義專用的API接口。而在未來的云計算應(yīng)用場景中，將支持公共、私有和混合云，雖然有關(guān)專有接口仍將會被使用，有關(guān)的接口和一些內(nèi)部實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將采用標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范來實(shí)現(xiàn)。

　　圖8 云計算標(biāo)準(zhǔn)化視圖

　　隨著云計算的升溫，國內(nèi)外的電信運(yùn)營商，設(shè)備商以及政府機(jī)構(gòu)也都積極投入云計算的研究，以期通過云計算技術(shù)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整合來降低CAPEX和OPEX，并能夠?qū)ふ业叫碌挠麢C(jī)會點(diǎn)和利潤增長點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)向信息服務(wù)社會的轉(zhuǎn)型。目前，電信網(wǎng)中云計算還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，如果不同廠家對云計算提供不同的解決方案，則會造成不同廠家設(shè)備之間的互聯(lián)、互通、互操作，硬件轉(zhuǎn)移等方面的問題，將會對云計算的發(fā)展構(gòu)成障礙。因此如何在電信網(wǎng)中構(gòu)建一個既能支持傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的能力，又能支持互聯(lián)互通的通用的云計算平臺將是電信網(wǎng)云計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)。

　　3.2 IETF Clouds Bar BoF

　　IETF在第77次會議上成立了Clouds Bar BoF，其主要關(guān)注的領(lǐng)域是基于云計算系統(tǒng)的應(yīng)用/業(yè)務(wù)對協(xié)議的需求，包括應(yīng)用于不同云計算系統(tǒng)之間、同一云計算架構(gòu)內(nèi)部不同層之間或同層內(nèi)不同功能實(shí)體之間的協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　目前的Clouds Bar Bof已經(jīng)舉辦兩次。Clouds Bar BoF于2010年3月25日在美國加利福尼亞州阿納海姆(Anaheim, CA)舉行。此次會議上由GAP分析，并進(jìn)行了基于云計算的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)調(diào)查，協(xié)同IETF的DECADE，IRTF/VNRG，NFSv4和其他標(biāo)準(zhǔn)組織的活動，以避免工作重疊。

　　Clouds Bar BoF第二次會議(IETF的第78次會議)于2010年7月23日在荷蘭馬斯特里赫特(Maastricht，Netherlands)舉行。此次會議上Clouds得到了Google，Cisco，Verizon，ALU，Alertlogic等廠家的支持，并紛紛給出各自在云計算領(lǐng)域關(guān)注的協(xié)議制定。Clouds Bar BoF第三次會議(IETF的第79次會議)將于2010年11月份在北京舉行。

　　3.3 ITU-T FG Cloud

　　ITU-T在2010年2月的會議上，電信標(biāo)準(zhǔn)化顧問組(TSAG)討論通過了成立ITU-T云計算焦點(diǎn)組(FG Cloud)。該焦點(diǎn)組將從標(biāo)準(zhǔn)化的角度在ITU-T的范圍內(nèi)，考慮電信網(wǎng)絡(luò)在傳輸、安全、業(yè)務(wù)等方面如何支持“云計算”業(yè)務(wù)/應(yīng)用。

　　(1)識別出推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)電信支持云計算，標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的潛在影響和優(yōu)先級。

　　(2)在ITU-T范圍內(nèi)，調(diào)查未來固定與移動網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的研究需求。

　　(3)分析哪些組件將受益于互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化。

　　(4)將電信領(lǐng)域內(nèi)研究云計算的標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行分類。

　　(5)對云計算中的特性、功能進(jìn)行分級分析，用于估計電信領(lǐng)域云計算的標(biāo)準(zhǔn)化時間表。

　　云計算焦點(diǎn)組目前可分為以下兩個工作組：

　　●WG1云計算的益處與需求，主要研究云的定義，生態(tài)環(huán)境和術(shù)語;用例、需求與架構(gòu);云安全;云基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò);云業(yè)務(wù)與資源管理，平臺和中間件;云計算的益處和ICT方面的第一需求。

　　●WG2差距分析ITU-T云計算標(biāo)準(zhǔn)研究路標(biāo)，主要研究云計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織的活動概況;ITU-T云計算標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)研究的差距分析和行動計劃。

　　FG Cloud在2010年6月14—16日在日內(nèi)瓦召開了第一次會議，主要討論了各個標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)于云計算的研究進(jìn)展，ITU-T內(nèi)部各研究組也已經(jīng)開展了云相關(guān)的研究項(xiàng)目情況。目前已經(jīng)形成《云生態(tài)系統(tǒng)介紹：定義、術(shù)語和用例》和《云參考架構(gòu)需求》文檔初稿。圖9展示了云生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)圖，包括云用戶，云SP，云業(yè)務(wù)開發(fā)者等若干角色。