云計算基礎設施層的研究

1、<p>　　云計算基礎設施層的研究</p><p>　　摘要：本文重點討論了云計算基礎設施層的工作原理、功能概述以及構建核心技術，對于深度解析云計算服務架構有重大意義。 </p><p>　　關鍵詞：云計算 基礎設施層 基礎設施即服務 </p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　目前國

2、外云計算領域內(nèi)產(chǎn)生重大貢獻的有Google App Engine、甲骨文的Salesforce.Com和Amazon EC2等，對它們的云計算產(chǎn)品研究后都不難發(fā)現(xiàn)，他們?nèi)〉玫某删投嗍窃谄脚_及服務層和軟件即服務層，而在基礎設施即服務層的成就是相當少的，基礎設施層的代表產(chǎn)品有Google的Google Storage、Amazon的Amazon S3等一些存儲服務，業(yè)界在基礎設施層的領袖當首推IBM，IBM的“藍云”解決方案在虛擬化、數(shù)據(jù)優(yōu)

3、化和數(shù)據(jù)保護方面的技術貢獻是有目共睹的。云計算的服務模式按照由底向上層次分為三種：基礎設施即服務、平臺及服務和軟件即服務，上層服務依賴于下層服務的部分功能，同時又可以按需調用下層服務的部分功能，所以，云計算三層服務模式協(xié)調工作的實現(xiàn)與否取決于最底層即基礎設施層的構建。 </p><p><b>　　2 云計算概述 </b></p><p>　　云計算一詞的最早出現(xiàn)是在

4、2006年的搜索引擎大會上，由Google首席執(zhí)行官Eric Schmidt首次提出，但云計算并非全新的技術，它是由分布式技術、虛擬化、HTML等技術整合而來的，縱然如此，它卻是公認的繼個人計算機變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后的第三次IT浪潮，云計算風靡全球的本質原因在于云提供商能為用戶提供海量的（大量計算機構成的資源池）、隨心所欲（動態(tài)可伸縮）、廉價（按需收費）的計算能力，這種計算能力包括硬件、軟件，從而大大減少用戶在維護運行環(huán)境、初期投資、規(guī)

5、模擴展等的成本，也是“環(huán)?！盜T發(fā)展的一個方向。 </p><p>　　3 云計算基礎設施層概述 </p><p>　　云計算基礎設施層的構建關系到整個云計算架構能否正常工作，所以說基礎設施層是云計算構建的重中之重。 </p><p>　　3.1 云計算基礎設施層工作原理 基礎設施層將經(jīng)過虛擬化的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源以基礎設施即服務的方式通過網(wǎng)絡提供給用戶使

6、用和管理。 </p><p>　　3.2 云計算基礎設施層功能、核心技術 雖然不同云提供商的基礎設施層在所提供的服務上有所差異，但是作為提供底層基礎IT資源的服務，核層一般都具有以下基本功能[4]。 </p><p>　　3.2.1 資源虛擬化。由云計算基礎設施層的工作原理可知，設計云計算基礎設施層的首要工作便是將大量的基礎設施、操作系統(tǒng)等資源虛擬化，從而實現(xiàn)資源管理的高層次邏輯，達到簡化

7、硬件資源表示、訪問和管理，同時定義標準的輸入、輸出接口達到資源的交互的目的。目前流行的虛擬化技術有內(nèi)存虛擬化、桌面虛擬化、系統(tǒng)虛擬化等，限于篇幅本文在此以內(nèi)存虛擬化為例探討虛擬化相關技術。內(nèi)存虛擬化技術的核心是在屏蔽硬件資源差異的基礎上，控制地址轉一致性，如分配內(nèi)存、頁表、管理TLB等，要讓VMM必須對物理內(nèi)存有最終的控制權，嚴格控制將客戶物理地址空間映射到主機物理地址空間的操作，保證順利實現(xiàn)內(nèi)存虛擬化，最終以統(tǒng)一的資源池方式對內(nèi)存資源

8、整合、管理。 </p><p>　　3.2.2 資源功效監(jiān)控。資源功效監(jiān)控又叫資源監(jiān)控，是保證硬件基礎資源工作效能的關鍵步驟。云計算基礎設施層要實現(xiàn)負載管理的前提首先便是對資源進行監(jiān)控，由于硬件資源參差不齊各有差異，針對不同資源監(jiān)控的指標也不盡相同，比如，對內(nèi)存空間的監(jiān)控，則看中使用率，主要監(jiān)控內(nèi)存的讀寫頻率，而對于網(wǎng)絡資源監(jiān)控重在對輸入輸出流量、路由狀態(tài)等的監(jiān)控。資源監(jiān)控的核心在于要在資源虛擬化的基礎上建立一個

9、針對全局資源的監(jiān)控方案，即資源監(jiān)控模型，該資源監(jiān)控模型要能實現(xiàn)對資源監(jiān)控對象、監(jiān)控指標的描述，而且，資源監(jiān)控模型隨不同虛擬化資源層次、虛擬化的粒度不同而體現(xiàn)隨機應變的功能，能夠對虛擬化資源進行整體和局部的有效監(jiān)控。 </p><p>　　3.2.3 節(jié)點負載管理。云計算基礎設施層就是一個大規(guī)模的硬件資源的集群環(huán)境，在這樣的集群環(huán)境中每一個硬件資源節(jié)點（虛擬資源節(jié)點）的負載并不相同，甚至是起伏不定不帶規(guī)律的，雖然不

10、能消除硬件資源節(jié)點之間負載的差異，但是如果不能通過一定的機制實現(xiàn)“負載均衡”，將造成的危害是嚴重的也是必然的。負載過重會關聯(lián)到系統(tǒng)效率低下、數(shù)據(jù)危機增高，負載過低又會導致寶貴的資源大大浪費，節(jié)點資源管理便顯得尤為關鍵。云計算基礎設施層節(jié)點負載管理的核心就是將資源節(jié)點通過自動化的平衡機制進行合并，然后全局分攤負載，進而提高資源利用率保證本層及上層資源的服務性能維持在理想范圍之內(nèi)，使得基礎設施層資源負載能夠自動化的轉移，整體資源負載和利用率

11、保持在一個平衡度上。比如理想的處理器負載應該控制在60%至80%之間，才能很好得調節(jié)性能和利用率。 </p><p>　　3.2.4 資源存儲管理?；A設施層資源存儲管理即存儲虛擬資源文件的存儲和管理，通常云計算基礎設施層會運行上千個的虛擬機，怎樣合理存儲海量的虛擬機鏡像文件、保存在虛擬機內(nèi)的業(yè)務文件以及隨應用程序運行而帶來的存儲數(shù)據(jù)等資源和對這些資源的科學管理是一個關鍵問題。云中數(shù)據(jù)都是相當重要但用途不盡相同的

12、，資源存儲管理的核心技術在于解決數(shù)據(jù)存儲和基礎設施層高可用性、負載均衡的矛盾，建立一個保證基礎設施層高可用性的存儲機制是很重要的。比如，應用程序產(chǎn)生的存儲數(shù)據(jù)和虛擬機鏡像文件都是虛擬化資源的核心數(shù)據(jù)，鏡像文件內(nèi)存大且隨虛擬機運行而逐漸增加，是虛擬機系統(tǒng)運行核心文件，而應用程序運行過程中產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)直接關系到云應用的可用于否。在這種兩難問題上，業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了很好的解決方案。將應用的業(yè)務數(shù)據(jù)保存到虛擬機外，一旦某臺虛擬機出現(xiàn)故障，便可迅速開

13、啟另一虛擬機并調用保存在特定位置的業(yè)務數(shù)據(jù)，使得整個集群環(huán)境不會因為一臺虛擬機出現(xiàn)故障而整體癱瘓，系統(tǒng)高可用性能大大提高。 </p><p>　　3.2.5 資源自動化部署。資源自動化部署即基礎設施層通過一個部署流程將虛擬化資源自動化分配給上層應用，以使得基礎設施層服務可用。資源自動化部署并非一勞永逸的，通常當資源虛擬化環(huán)境準備就緒，應用程序開始構建的時候，會進行第一次資源自動化部署，稱為資源部署初始化。隨著應用

14、程序運行對底層資源需求增多，會進行多次自動化部署，稱為動態(tài)部署。如果系統(tǒng)能夠通過增加資源以滿足不斷增長的性能需求，或通過縮減資源以降低成本，則稱這種系統(tǒng)是可伸縮的。由云計算基礎設施層資源部署機制工作原理可知，資源部署的自動化和云計算基礎設施層的動態(tài)可伸縮性息息相關。云應用會隨用戶需求和服務狀態(tài)變化而調整，自動化進行資源部署，以解決應用程序工作負載高、故障恢復和硬件維護等“緊急問題”。 　　3.2.6 資源安全管理。研究機構Gartne

15、r發(fā)布的一份名為《云計算安全風險評估》報告，其中列出了云計算技術存在的七大風險。即特權用戶的接人、可審查性、數(shù)據(jù)位置、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)恢復、調查支持和長期生存性。云計算基礎設施層資源安全管理正是應對以上風險而專門設計的功能，另外，為了合法保護基礎設施層的虛擬化資源不被惡意盜用、破壞，保護合法</p><p>　　3.2.7 收費管理。云計算的收費方式是按需收費，雖在不同的層次和服務上，收費選取的變量不同，本質卻是一

16、致的――“按需收費”。這種合理的收費方式給用戶以極高的“性價比”，成為云計算蓬勃發(fā)展的一大因素。按需收費即是針對用戶在一段時間內(nèi)所占用的存儲資源、網(wǎng)絡資源等計價收費，業(yè)界通用的收費方式大致有兩種：①實時計費，真正用多少資源就收多少費；②為用戶預設幾種固定資源配置類型，每種類型都有單位時間內(nèi)的計費標準，用戶選擇一種類型使用并根據(jù)使用時間長短進行付費。第一種方式對各種資源使用的監(jiān)控準確度要求很高，因此很少被真正采用；而第二種是一個相對折中的

17、辦法，使用時間長短和所選擇的資源配置類型是計費變量，實施起來比較容易，因此被廣泛采用[4]。 </p><p><b>　　4 結束語 </b></p><p>　　由于云計算三個層次之間是相互依賴的，它的每個層次的設計都不是一獨立的過程；基礎設施層是以硬件資源為中心的，它的搭建關系到整個云計算架構的功能實現(xiàn)，基礎設施層的功能復雜、工作量大，它由內(nèi)而外，直接面向硬件資

18、源（虛擬化），同時又直接向上層、應用程序提供服務（存儲數(shù)據(jù)），設計一個動態(tài)靈活的基礎設施層在云計算架構搭建過程中顯得尤為重要。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]云計算核心技術剖析[M].人民郵電出版社，2011.5. </p><p>　　[2]王鵬.走近云計算[M].北京：人民郵電出版社，2009

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