云计算及其架构技术研究

云计算及其架构技术研究

作者：李舒磊

来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2013年第06期

摘要：随着我国计算机技术的迅猛发展，云计算是在并行计算、分布式计算、网格计算的基础上逐步发展起来，并且得到了广泛的应用。但是，云计算及云平台的系统架构一直是许多计算机工作者研究的对象，主要集中于云计算平台底层基础设施的构建和云平台软件系统构建两个层面。本文详细的介绍云计算的相关概念和理论，分析了实现云平台的核心技术，并基于此，针对云计算架构实施了研究，包括云计算硬件基础设计架构和软件系统架构。

关键词：云计算网格计算系统架构服务器集群

1 概述

近年来，随着计算机技术的高速发展，在诸多研究者的努力之下，已经诞生了许多新技术，云计算技术就是一种新型的计算机技术[1]。目前，作为计算机界研究和应用最为热门的技术之一，云计算将许多热门的、先进的信息技术及其应用大众化，便于人们理解，人们通常对使用云技术或者云裳的服务时，类似于使用家里的水电气一样。

云计算是一种基于并行处理、分布式处理和网格计算等技术发展起来的一种适应现代人们工作、生活和学习需要的新型计算模式，其能够优化计算机资源组合，创新了计算机提供的服务模式[2]。在现代分布式应用系统开发过程中，引入云计算技术，可以大大的降低政企单位IT开发实现和运行维护的成本，同时降低了能源消耗，有效的加快了信息化建设的进程，另外，互联网技术和云计算技术的有机结合，也催生了信息服务产业的模式发生改变，云计算技术将互联网技术、通信技术和传统信息管理技术不断的有机交融，高速驱动和促进了人们的需求和商业模式发生转变。

作为计算机学科的新兴技术之一，云计算已经得到了人们的广泛关注和研究，其架构技术就是诸多系统结构学者研究的方向和热点，本文研究主要集中于云计算平台底层基础设施的构建和云平台软件系统构建两个层面。

2 云计算相关理论技术

2.1 云计算概念

云计算融合了虚拟化技术、网格技术和Web服务技术，其能够有效的组织互联信息资源，满足用户的需求，是一种新兴的网络资源组织结构。云计算作为一种新兴的计算架构和应

用模式，具有很多优势，主要包括高可靠性、超大规模及其可扩展性和信息服务的便捷性和通用性[3]。

2.1.1 超大规模及其可扩展性。“云”具有漫无边际、超大规模的自然特征，“云计算”虽然是一种计算技术，但是其同样具有上述特性，能够利用网络资源，构建超大规模的基础设施、信息基地、信息服务等为用户服务，云计算能够将这些用户终端或者服务设施扩展到大规模的集群上，实现无缝对接，可以同时处理数量级规模的节点请求，因此，对用户来讲，“云”的规模可以实现动态伸缩，以便满足用户不同时期不同大小的需求，具有极强的可扩展性。

2.1.2 高可靠性。虚拟化技术、分布式计算技术和网格计算技术日趋成熟，并且应在许多领域得到了广泛的应用，因此，这些实现云计算的基本技术保障了云计算的可靠性；在安全方面，云计算技术使用的大量的不同的服务器计算节点可以采用同构互换技术，具有极好的容错容灾能力，能够确保数据的安全性、完整性，进而确保了用户使用的可靠性。

2.1.3 信息服务的通用性和便捷性。云计算诞生以后，用户可以随时随地享受云计算带来的优势，不会受到时空限制，用户在享受云平台的服务时，用户只需要拥有通过Internet或者通过收费或者免费获取的访问验证信息即可使用云服务，也不会受到访问平台和系统的制约。

2.2 云计算核心技术

作为一种高性能的服务计算模式，其涉及了许多先进的计算机技术，其核心技术主要包括数据存储技术、数据管理技术、大规模服务器串联技术和分布式的并行编程模型等四种[4]。

2.2.1 云数据存储技术。云计算平台承载的用户规模数量级上升，因此，为了满足海量用户的需求，云数据虽然存储在不同的节点上，但是为了满足这么大规模的用户访问，需要保证存储器的容量，并且提供高吞吐率和高传输率等访问性能。基于云计算的Google平台采用了GFS文件系统，其串联了数以万计的普通硬盘，可以按照GB级的数据处理度量。

2.2.2 云数据管理技术。云数据库系统是专门管理分布式数据库中存放的数据的，其用来处理PB级的结构化数据，云数据库系统可以有效实现用户访问的透明性，对于用户来讲，其访问数据就犹如在一个终端上。

2.2.3 数据中心服务器串联技术。云计算数据中心能够串联庞大的、海量的数据服务器集群，串联技术包括集群的部署、服务器的串联方式、动态数据迁移和数据快照等。

2.2.4 云编程模型。云编程模型可以为云数据提供访问模型，为用户提供编程接口，实现数据的并行访问和存储等功能，Google云数据采用的云编程模型的核心技术是MapReduce，该技术也是目前被广泛应用于云计算的编程模型。

3 云计算架构模式研究

3.1 云计算架构模式概述

云计算作为一个具有高可靠性、高并行性、分布性的计算和服务模式，其架构一直受到诸多学者的关注和研究。雷万云等人认为云计算的体系架构包括六层，其能够由各种服务器节点、终端用户节点等共同组成，并且能够利用逻辑编程语言实现接口模式，以便供用户使用；Youself等人[5]认为，云计算架构是一种栈结构，由软硬件构成的固件、云平台系统共同构成；王鹏等人[6]认为云计算是一种基于不可信节点的计算架构，并且给出了从构成云计算平台的底层硬件到表层应用的9层模型；JohnW.Rittinghouse等人[7]提出了通信即服务、技术设施即服务、检测即服务、平台即服务和软件即服务的系统架构；总的来说云计算应该由实体部分即基础设施和软件部分即计算系统构成。

3.2 云计算硬件基础设计架构

云计算硬件基础架构是云计算的承载实体，是构建云计算平台的必备硬件，其架构主要包括三个组成部分：服务器集群、海量存储设备和高速的网络带宽链路。

3.2.1 服务器集群。云计算最明显的特征就是串联了海量的服务器设备，因此，作为实现云计算的基础，需要解决大规模服务器串联的问题，比如串联服务器需要散热问题，云计算数据中心采用了“货柜式”的放置方法，其能够将大量的服务器集群整体摆放在一个类似于大货车的集装箱里面。为了能够有效的实现云计算平台的功能，这些规模庞大的服务器集群需要采用可伸缩性强、规模大、数据重复性和容错功能强、平衡负载能力强的串联技术。目前，许多云计算数据中心采用护卫备份的方法，以便有效的维护服务器集群间的平衡，将计算工作映射均分到各个服务器集群上去[8]。

3.2.2 海量存储空间设备。云计算作为基础设施既是服务（Laas）的承载实体，其需要为海量用户提供高性能的计算服务，同时必须能够存储海量数据，以便满足用户对不断增强的数据信息存储的需求，目前，Google公司在全球拥有36个大规模数据中心，其可以为用户提供115.2万兆字节的内容供世界各地的用户使用，通过GFS和BigTable数据管理软件管理海量数据。

3.2.3 高速网络带宽。云计算是一种基于互联网技术的计算服务模式，分布在世界各处的服务器群和超大规模的存储器需要进行访问交互和存储，其要求云计算数据中心的服务器之间必须使用高带宽的网络实现互联互通，客户端也需要拥有高速的网络和频宽，以便满足用户的实时性、高速型需求。

3.3 云计算软件系统平台架构