云计算系统：云计算的概念
什么是云计算
云计算（Cloud Computing）是一种基于互联网的服务交付模式，它通过网络提供动态、易扩展且常为虚拟化的资源，“云”是对网络和互联网的抽象比喻。美国国家标准与技术研究院（NIST）的广受认可的定义指出：云计算是一种按使用量付费的模式，它提供可用的、便捷的、按需的网络访问，接入一个可配置的计算资源共享池（包括网络、服务器、存储、应用软件、服务）。这些资源能够被快速提供，且只需投入很少的管理工作。云计算的核心特征如下：
- 强大算力：可提供极高的计算能力（如每秒 10 万亿次运算），用于模拟核爆炸、预测气候变化等复杂任务。
- 泛在访问：用户可通过多种终端（计算机、手机等）接入，按需使用资源。
- 按需自助：用户可根据需求自行配置和使用资源池中的资源。
云计算是继大型机到客户端-服务器模式后的又一次信息技术巨变，它是多种技术融合演进的产物，主要包括：分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡、热备份冗余等。其中，虚拟化是实现云平台底层的主要技术。从服务对象来看，云计算分为面向企业内部的私有云和面向公众的公有云。云计算的简要发展历史如下：
| 时间 | 事件 | 意义/影响 |
|---|---|---|
| 1983 年 | 太阳微系统公司提出“网络是电脑” | 早期网络计算理念萌芽 |
| 2006 年 3 月 | 亚马逊推出弹性计算云服务 | 首个商业化 IaaS 服务 |
| 2006 年 8 月 | Google CEO 埃里克·施密特首次提出“云计算”概念 | 概念正式诞生 |
| 2007 年 10 月 | Google 与 IBM 在美国大学推广云计算计划 | 推动学术研究与开源平台应用 |
| 2008 年 1-2 月 | Google 在中国台湾启动学术计划；IBM 在中国无锡建立首个云计算中心 | 云计算向全球范围推广 |
| 2008 年 7-8 月 | 雅虎、惠普、英特尔联合推进研究；戴尔申请“云计算”商标 | 产业界广泛参与与竞争 |
| 2010 年 3-7月 | Novell 与 CSA 推出“可信任云计算计划”；NASA 等发布 OpenStack 开源计划 | 关注安全与开源生态建设 |
| 2011 年 2 月 | 思科加入 OpenStack | 强化网络服务支持 |
| 2013 年 | 中国 IaaS 市场爆发式增长（增速 105%）；PaaS 市场起步；SaaS 市场成熟 | 中国市场进入快速发展期 |
| 2015 年 | 中国政府密集发布云计算、互联网+相关政策文件 | 国家战略层面推动产业发展 |
| 2017-2019 年 | 工信部印发《云计算发展三年行动计划》 | 云计算进入广泛应用与普及新阶段 |
云计算的关键技术
云计算的核心目标是以低成本方式提供高可靠、高可用、规模可伸缩的个性化服务，因此需要五大关键技术的支撑：分布式数据存储、虚拟化、云平台管理、并行编程、数据管理。
分布式数据存储
传统关系型数据库在处理 PB 级海量数据时面临容量有限、并行取数困难、访问效率低、高并发瓶颈等问题。为解决上述问题，发展出三类存储技术。大数据技术主要用于数据分析，其核心思想是采用分布式文件系统和冗余存储（多副本），用低配计算机集群替代超级计算机。
代表系统是 Google 的 GFS 及其开源实现 HDFS。大数据技术的缺点在于目前 TPS（每秒交易量）表现不如传统数据库，因此多用于离线分析系统，在线交易仍用数据库。
对象存储技术用于用户数据存储，例如各类云盘（如网盘）应用。工作方式是用户通过图形界面操作，后台通过 RESTful API 与对象存储系统交互。主要特点包括：每个对象有唯一 URL 和元数据；数据在集群内复制；易于在标准硬件上扩展；支持不停机增加/更换节点。
块存储主要用于数据库、操作系统等，作用是提供块级别的裸存储，供数据库、操作系统等直接使用，以发挥最大性能。云平台优势的优势在于简化了传统繁琐的划分、挂接操作，用户可便捷创建和挂载。
虚拟化技术
*虚拟化技术将 IT 架构（资源、网络、应用、桌面）进行全系统虚拟化，打破软硬件界限，实现资源集中、动态管理，是实现云计算资源池化和按需服务的基础。虚拟化的价值在于：
| 虚拟化的价值 | 说明 |
|---|---|
| 资源共享 | 多用户通过虚拟机共享数据中心资源 |
| 资源定制 | 用户可按需配置 CPU、内存、磁盘等资源 |
| 细粒度管理 | 提高服务器利用率，便于负载均衡与节能 |
云管理平台
云管理平台是管理大规模、分布式的服务器集群，保证服务不间断，实现自动化、智能化运维。其主要特点如下：
- 用户不关心底层实现，通过平台接口使用服务；
- 基于虚拟化，实现按需服务，降低成本；
- 提供近乎无限的资源和高性能计算能力；
- 面向企业用户，提供监控、计量、审计、安全、自动化运维等管理功能。
并行编程
目前有两种主流的并行编程模型，云计算采用并行编程模型，将并发、容错、负载均衡等复杂细节封装到库中，用户只需通过统一接口编写任务，即可自动分解并行执行。
| 并行编程模型 | 特点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 数据并行模型 | 编程级别高且简单，例如可以直接进行数组运算 | 仅适用于数据并行问题 |
| 消息传递模型 | 更为常用，它的编程级别较低、灵活性高、控制力强、可解决更多类型的并行问题 | 编程更复杂 |
数据管理技术
高效管理、处理和分析大数据集，并实现快速数据检索是云计算的挑战。数据管理的代表技术是 Google BigTable 及其开源实现 HBase，其本质是一个建立在 GFS 和 MapReduce 之上的超大规模分布式数据库。它的核心特点是采用列存储方式管理结构化数据，可扩展至 PB 级，为许多上层应用（如Google Earth）提供支持。
云交付模型
从用户体验角度，云计算主要分为三种服务模式：SaaS, PaaS, IaaS。软件既服务 SaaS 主要通过网络租用软件实现，无需购买和维护。它的前期成本低、维护简单、开箱即用，可以随时随地通过网络访问。它能提供安全保障机制，同时采用多租户 机制，经济高效。
平台即服务 PaaS将软件开发平台（操作系统、运行时环境、开发工具等）作为服务提供，它能提供友好开发环境(SDK/IDE)、丰富服务 API、自动资源伸缩、精细管理与监控。优势在于简化开发、部署、维护流程，实现自动资源调度。PaaS 衍生与相关概念有：
| PaaS 相关概念 | 缩写 | 说明 |
|---|---|---|
| 服务平台交付 | IaaS+ | 在 IaaS 基础上，预装和配置好标准开发平台（如 Web 服务器 + 中间件 + 数据库），用户可直接部署业务代码，是 IaaS 向 PaaS 的延伸。 |
| 无服务器架构 | Serverless | 开发者只编写函数/功能代码，完全无需管理服务器、运行时等底层资源。特点是事件驱动、按运行计费、严重依赖特定云平台。 |
| 容器即服务 | CaaS | 介于 IaaS 和 PaaS 之间，以容器为基本调度单位（例如 Docker）。作用是封装应用运行环境，实现跨平台无缝迁移，屏蔽底层 IaaS 复杂性，支撑上层 PaaS 应用，可视为 PaaS 的一种实现。 |
基础设施即服务 IaaS 将计算、存储、网络等基础计算资源作为计量服务提供，用户按需租用硬件能力，节省自有硬件成本和维护开销，主要功能有：资源抽象、负载管理、数据管理、资源自动化部署、安全管理、计费管理。
三种基本交付模型的比较如下。从用户体验看，三者相互独立，面向不同用户。从技术实现看，SaaS 可以直接部署在 PaaS 或 IaaS 上；PaaS 可以构建在 IaaS 之上，也可直接构建在物理资源上。三者都通过外包方式，降低用户的资本支出和维护成本。
| 维度 | IaaS (基础设施即服务) | PaaS (平台即服务) | SaaS (软件即服务) |
|---|---|---|---|
| 用户 | 需要硬件资源的IT管理员/开发者 | 应用程序开发者 | 最终用户（企业或个人） |
| 提供内容 | 虚拟化的计算、存储、网络资源 | 应用程序开发、运行平台和工具 | 完整的、可直接使用的软件应用 |
| 控制等级 | 高，用户控制OS、中间件、运行时、数据及应用。 | 中，用户控制应用程序和数据，平台由服务商管理。 | 低，用户只管理自己的数据和使用，其他全由服务商管理。 |
| 关键技术 | 虚拟化、分布式存储 | 云平台、数据管理技术 | Web服务、互联网应用开发技术 |
| 使用方式 | 用户上传程序代码、自行配置环境 | 用户上传程序代码和数据 | 用户直接使用，上传/管理自身数据 |
| 举例 | Amazon EC2, VMware | Google App Engine, Azure | Google Docs, Salesforce CRM |
云部署模式
根据服务对象和所有权，云计算部署模式主要分为三类：公有云、私有云、混合云。
| 模式 | 定义与所有权 | 优点 | 缺点/挑战 | 典型举例 |
|---|---|---|---|---|
| 公有云 | 由云服务提供商为公众构建和运营，通过互联网提供服务，资源被多个租户共享。 | 1. 规模经济，成本效益高。 2. 无需前期投资，按需付费。 3. 部署快捷，弹性伸缩能力强。 |
1. 数据安全和隐私性由服务商保障，用户可控性低。 2. 服务可用性不受用户控制，依赖服务商 SLA。 3. 对特定大型机构，长期使用成本可能高于私有云。 |
亚马逊 AWS，微软 Azure，阿里云，Google Cloud |
| 私有云 | 为单一组织（企业或政府）内部专用而构建的云，可自行或由第三方管理，通常位于企业防火墙内。 | 1. 安全性、隐私性、合规性最高，数据完全内部掌控。 2. 服务质量（SLA）和可用性 可定制化控制。 3. 可与现有 IT 设施更好集成。 |
1. 建设投资大，前期成本高。 2. 规模经济受限，资源利用率通常低于公有云。 3. 管理复杂，需要专业团队运维。 |
大型企业或政府自建的数据中心 |
| 混合云 | 公有云和私有云的组合。两者保持独立，但在内部通过技术结合，实现数据和应用的互通与流动。 | 1. 兼具灵活性与可控性：关键业务/敏感数据放私有云，弹性需求/对外服务用公有云。 2. 成本优化，平衡了安全投资与资源弹性。 3. 避免供应商锁定。 |
1. 架构最复杂，对技术和管理要求最高。 2. 需要解决网络连接、数据同步、安全策略统一等集成挑战。 |
企业将核心数据库放在私有云，将网站、营销活动等面向公众的应用放在公有云 |
典型的云应用
云应用是云计算技术在应用层的具体体现，直接面向用户解决实际问题。云存储技术是云计算概念的延伸，通过集群、分布式文件系统等技术，将大量异构存储设备整合，共同对外提供数据存储和访问服务的系统。特点是提供大容量、便携式的数据存储和分享，例如 Dropbox、百度网盘、阿里云 OSS、个人网盘，以及硬件厂商的云服务（如联想乐云、华为云空间）。
云服务则是以用户账户为核心，实现数据在多设备间在线同步和访问的服务。从早期的邮箱附件（如 Hotmail, Gmail）作为简易云存储，发展到如今成熟的账户同步生态。特点是一次存储，多端（电脑、手机、平板）同步读取，典型应用有：苹果 iCloud（同步联系人、照片、文档等），微软 OneDrive，Google Drive。
物联网是云计算的重要应用领域，它产生海量数据，其存储和计算需求依赖于云计算的强大能力。其核心仍是互联网，但其用户端延伸到了任何物品，实现物物相连和信息交换。在初级阶段，物联网通过上网连接点（PoP）即可满足需求；高级阶段则需要结合虚拟化云计算、SOA 等技术实现 TaaS， 即“万物皆服务”。
云计算的优势
云计算的优势有：
- 超大规模：拥有数十万至上百万服务器，提供前所未有的计算能力。
- 虚拟化：资源来自云端而非实体，用户可通过任意终端、随时随地获取服务，无需关心资源具体位置。
- 高可靠性：通过数据多副本、计算节点冗余等措施，服务可靠性高于本地计算机。
- 通用性：不针对特定应用，同一云平台可支撑千变万化的应用。
- 高可扩展性：资源规模可动态伸缩，灵活应对业务增长。
- 按需服务：资源像水电一样按需购买、计量收费。
- 便利性：将人工运维转变为自动化服务，极大缩短资源开通和业务交付周期（私有云对内，公有云对外）。
参考资料
《云计算导论(第2版）》，吕云翔、柏燕峥、许鸿智、张璐、王佳玮 编著，清华大学出版社
浙公网安备 33010602011771号