云计算系统：云计算的组件

目录

• 分布式与微服务
  • 分布式系统
  • 分布式计算
  • 微服务
• 云计算的架构
• 云基础设施
  • 虚拟网络边界
  • 虚拟防火墙
  • 虚拟专用网络
  • 虚拟服务器
  • 云存储设备
  • 就绪环境
• 参考资料

分布式与微服务

分布式系统

分布式系统是一个其硬件或软件组件分布在联网的计算机上，组件之间通过传递消息进行通信和动作协调的系统**。资源可用于描述能在连网的计算机系统中共享的事物的范围，构造和使用分布式系统的主要动力来源于对共享资源的期望。分布式系统有如下显著特征：

• 并发：系统处理共享资源的能力会随着网络资源的增加而提高，对共享资源的并发执行程序的协调是非常重要的；
• 缺乏全局时钟：程序的协作是通过交换消息来协调的，取决于对程序动作发生的时间共识。但事实证明网络上的计算机与时钟同步的准确性有限，没有一个正确时间的全局概念；
• 故障独立性：系统的每个组件会单独地出现故障，而其他组件还在运行。

分布式系统是在网络操作系统的基础上构建的，网络操作系统的一般结构是运行在松耦合硬件上的松耦合软件。每台计算机有自己的操作系统，除了客户/服务器通信必须遵循的协议外，计算机之间基本上没有什么合作。分布式操作系统则是运行在松耦合硬件上的紧耦合软件，使用户产生一种错觉：整个计算机网络是一个分时系统，或像一个虚拟的单处理机，而不是一个互不相同的机器集合。用户不必意识到有多个 CPU 的存在，系统有统一的进程间通信机制、进程管理机制、文件系统和相同的系统调用接口等等。

分布式计算

分布式计算是一种与集中式计算相对的计算方法，将大型任务分解为多个子任务，分配到多台计算机（节点）上并行处理，以提高整体效率。从本质上说，凡去中心化的架构均可视为分布式。分布式计算的典型应用场景有：

时间	事件
P2P 下载	如迅雷，文件碎片存储于不同节点
内容分发网络 CDN	将内容分布式缓存到靠近用户的服务器
大数据存储与计算	数据分布式存储，计算任务并行处理
区块链	实现去中心化的分布式账本
微服务架构	应用功能模块分布式部署与协同

微服务

分布式计算主要依赖 Web Service 与微服务的支撑：Web Service 提供平台独立、低耦合的应用程序接口，是实现分布式计算互操作的关键技术（基于 XML 标准）。微服务架构包括服务提供者、服务请求者、服务注册中心（如 UDDI）三大角色：

微服务角色	说明
微服务提供者	微服务的拥有者，等待为其他服务和用户提供自己已有的功能
微服务请求者	微服务功能的使用者，利用 SOAP 或 Restful 消息向提供者发送请求以获得服务
微服务注册中心	把一个服务请求者与合适的微服务提供者联系在一起，它充当管理者的角色

这 3 个角色对应发布、发现、绑定三个动作：

微服务角色动作	说明
发布	让用户或其他服务知道某个微服务的存在和相关信息
发现	找到合适的微服务
绑定	在微服务提供者与微服务请求者之间建立联系

微服务主要采用 RPC 和基于 HTTP 的 Web Service API 作为通信方式，常引入 API 网关实现请求分发、熔断、权限控制等高级功能。

云计算的架构

云计算的“云”指互联网上的服务器集群资源（硬件和软件），用户通过互联网发送需求，由远端的云计算资源池完成处理并返回结果。云计算可以看做一种商业计算模型，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。

云计算的组成架构有：

层级	名称	说明	典型案例
1.基础设施	IaaS	提供虚拟化的硬件资源和管理服务	亚马逊 EC2，Sun Grid
2.存储	云存储	提供存储服务和数据库服务	亚马逊 S3，Google BigTable
3.平台	PaaS	提供计算平台和解决方案，简化应用部署	Google App Engine
4.应用	云应用	软件直接在云上运行，无需本地安装	Facebook 应用，Google Apps
5.服务	云服务	通过互联网交付和使用的各类服务	亚马逊 SQS，PayPal，Google Maps
6.客户端	云客户端	访问云服务的专用硬件或软件终端	iPhone，Google Chrome 浏览器

云计算解决的是人与 IT 资源之间的关系，它将用户需求自动转换为技术任务并处理，使用户专注于业务本身。云计算是一个更抽象、广泛的上层概念，分布式计算是云计算的一种底层实现技术。

云基础设施

云基础设施是构成云技术架构基础的核心构件块，主要针对计算、存储、网络三大核心资源。

虚拟网络边界

虚拟网络边界是由网络设备（如虚拟防火墙、虚拟专用网络）建立，将一个网络环境与通信网络的其他部分隔离开，形成的逻辑上的隔离边界。它用于包含并隔离一组相关的、可能物理上分布式的 IT 资源，实现非授权用户/非用户/其他云用户的角色区分，控制被隔离 IT 资源的可用带宽。

虚拟防火墙

虚拟防火墙技术是在一台物理防火墙硬件上，逻辑划分出多个独立的虚拟的防火墙实体。每个虚拟防火墙都如同独立设备，拥有独立的管理员、安全策略、认证库等。在默认情况下，不同虚拟防火墙之间相互隔离。各虚拟防火墙独立维护安全区域、资源对象、包过滤策略、NAT 策略等，可限制每个虚拟防火墙的资源占用（如会话数）。该技术可以解决业务多实例问题，实现物理资源的逻辑分割与安全隔离。

虚拟专用网络

虚拟专用网络在公用网络（如互联网）上建立加密、认证的专用、安全通信隧道，实现远程用户或分支安全访问内部网络。主要特点有：

虚拟专用网络的特点	说明
安全保障	通过加密和身份验证，保证数据传输的私密性和完整性，防止窃听和篡改
服务质量保证	可为不同业务数据提供不同等级的 QoS，优化广域网带宽利用，防止阻塞
可扩充性和灵活性	支持多种数据类型和传输媒介，便于增加新节点
可管理性	需对安全、设备、配置、访问控制、QoS 等进行统一管理

虚拟服务器

虚拟服务器是一种模拟物理服务器的虚拟化软件（同“虚拟机”VM），它通过虚拟机监视器实现硬件抽象、资源调度和虚拟机管理。一台物理服务器上可运行多个独立的虚拟服务器（多客户操作系统），实现资源共享。同一物理机上的虚拟机之间完全隔离，一个虚拟机崩溃不影响其他虚拟机。整个虚拟机环境（包括OS、应用、配置）被封装为一个独立的实体（如映像文件），便于备份、移动、复制。同时，将物理硬件标准化为虚拟硬件，提高了兼容性。

虚拟服务器的主要优点有：

虚拟服务器的优点	说明
实时迁移	虚拟机可在运行时在不同物理主机间平滑、透明地迁移，支持硬件异构，提高系统可用性（如硬件维护时业务不中断）。
快速部署	通过复制预封装的虚拟机映像，应用部署从传统耗时数天缩短至分钟级，且自动化程度高，不易出错。
高兼容性	应用运行平台与底层物理硬件分离，提高了应用的兼容性和可移植性。
提高资源利用率	将多个低负载应用整合到同一台物理服务器，大幅提升 CPU 等资源利用率。
动态调度资源	可根据负载情况，在线、灵活地调整分配给虚拟机的 CPU、内存等资源，无需物理变更硬件。

云存储设备

云存储设备是专门为云配置设计的、可被虚拟化的存储设备。其数据组织单位如下：

数据组织单位	说明
文件	分组存放于文件夹中的数据集合
块	可被独立访问的最小数据单位，最接近硬件
数据集	基于表格的、以记录形式组织的数据集合
对象	将数据及其元数据组织为基于 Web 的资源，可通过标准 HTTP 操作进行访问

当数据委托给外部云提供者很容易出现安全问题，目前多数公有云服务商支持有限。在用户操作安全方面，如果缺乏版本控制可能导致文件被错误覆盖后无法恢复，若无备份或回收站机制，误删后数据可能永久丢失。同时，因存储海量用户数据，云存储设备是黑客攻击的重要目标，服务商需提供强大的安全防护方案来保障数据安全。

就绪环境

就绪环境是 PaaS（平台即服务）交付模型的核心定义组件，位于云架构中间层（介于 IaaS 和 SaaS 之间）。它是云平台上预安装好的一组 IT 资源（如数据库、中间件、开发工具、运行环境），云用户可远程使用和定制，以进行应用开发、部署和运行。以 Oracle PaaS 框架为例，就绪环境的体系结构如下：

就绪环境组件	说明
iPaaS 集成平台即服务	基于 SOA、ESB 等架构，提供云内/云与企业间的集成平台。
aPaaS 应用平台即服务	基于 Java 等技术架构，提供应用的部署与运行环境平台，是主要实现层。
dPaaS 数据平台即服务	提供可伸缩的数据存储与共享平台，支持多租户下的高效安全数据访问。
硬件资源池	为上层 PaaS 平台提供所需的高性能硬件资源系统。

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