1、云計(jì)算概述

    云計(jì)算進(jìn)入人們的視野已經(jīng)六年了，但至今還沒有太多的進(jìn)展。過去三年間，云計(jì)算似乎已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，然而隨之而來的仍然有大量的紛擾與擔(dān)心，使人們感覺這就像一場新的市場宣傳：

    華爾街日報(bào)（2008年9月26日）稱：“云計(jì)算最有趣的事情是我們將所做過的所有工作重新包裝并命名為云計(jì)算，我看不出云計(jì)算光環(huán)下我們到底做了什么，除了改變一些廣告的措辭。”

    為了回答上述質(zhì)疑，我們以不同行業(yè)的事例——半導(dǎo)體制造業(yè)——幫助我們理解相似的行業(yè)動態(tài)。半導(dǎo)體制造業(yè)過去是每一家企業(yè)都擁有自己的制造廠，當(dāng)時因?yàn)樵O(shè)計(jì)與制造總是緊密結(jié)合在一起。按照摩爾定律，半導(dǎo)體的集成度不斷提高，同時新技術(shù)的資本支出呈指數(shù)級增長，這一現(xiàn)狀導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生變革，半導(dǎo)體企業(yè)分為不具有制造能力的設(shè)計(jì)公司與專門制造的代工廠。目前僅有英特爾和三星兩家企業(yè)仍然采用設(shè)計(jì)與制造一體的形式了。

    推動半導(dǎo)體行業(yè)變革的是開發(fā)新技術(shù)的高昂資本支出。類似的情況正發(fā)生在計(jì)算領(lǐng)域，新計(jì)算技術(shù)的高昂成本是推動采用云計(jì)算的根本原因。

    1.1  云計(jì)算分類

    目前存在大量的術(shù)語用來描述云計(jì)算，讓我們透過現(xiàn)象看本質(zhì)，明了它們不同的含義。首先是SaaS（軟件即服務(wù)），Saas作為云計(jì)算的一部分，忽略了硬件與位置獨(dú)立性。另一個術(shù)語是工具計(jì)算或網(wǎng)格計(jì)算，通常用來描寫租用一個遠(yuǎn)程的、可能虛擬的服務(wù)器，卻忽略了軟件。

    簡單的說，云計(jì)算是SaaS與工具計(jì)算的結(jié)合，也是軟件提供商與硬件提供商的結(jié)合。如果這種結(jié)合發(fā)生在一個企業(yè)內(nèi)部，云就位于企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，這樣的云稱為“私有云”；否則就稱為“公有云”。它們采用相同的技術(shù)，但涉及數(shù)據(jù)安全與法律問題，兩者存在巨大的差異，將對云計(jì)算的產(chǎn)生重大影響。

    1.2  云計(jì)算企業(yè)

    目前已經(jīng)有一些重量級選手提供云計(jì)算服務(wù)，主要在于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域。顯然，這些企業(yè)本身具有巨大的計(jì)算資源，并且本來以接近云計(jì)算的方式部署與管理。也就是說，這些企業(yè)不需要做多大改變就可以向用戶提供軟件與硬件服務(wù)。他們是：

• IBM “Blue Cloud”
• Google “Apps engine”
• Amazon “Web service”
• Microsoft “Azure”
• Salesforce.com

    1.3  云計(jì)算的成本優(yōu)勢

    如上所述，與傳統(tǒng)服務(wù)器安裝模式相比，成本顯然是云計(jì)算的主要推動因素。為了更好的理解成本的含義，下文通過應(yīng)用實(shí)例加以解釋。

    云計(jì)算的一個主要特點(diǎn)是動態(tài)配置計(jì)算資源以免投入不足或投入過度，以及加速服務(wù)面市時間，它們正是傳統(tǒng)服務(wù)器安裝中成本構(gòu)成的主要部分。云計(jì)算通過對大規(guī)模的遠(yuǎn)程計(jì)算資源按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行動態(tài)配置得以實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)化。

    值得注意的是，服務(wù)器安裝過多或不足都將影響資本支出，不僅是硬件，不能充分應(yīng)用的軟件授權(quán)也帶來額外支出。為應(yīng)用程序分配過多的計(jì)算資源更是直接增加了成本。經(jīng)濟(jì)學(xué)家雜志（2008年10月）發(fā)表的企業(yè)IT專題報(bào)道中，明確指出這是影響服務(wù)器平均使用率的主要因素。

    服務(wù)器安裝不足對成本的影響就是間接的，因?yàn)闈撛谟脩魶]有得到服務(wù)而使應(yīng)用的市場份額降低。一個典型的例子是北京奧運(yùn)會互聯(lián)網(wǎng)訂票系統(tǒng)因?yàn)樨?fù)載過重而臨時關(guān)閉所帶來的不利影響。

    除了直接成本的考慮，云計(jì)算還可以提高大規(guī)模服務(wù)器安裝的成本有效性。因?yàn)榘惭b服務(wù)器并使之投入運(yùn)營的時間縮短，云計(jì)算可以顯著的改善服務(wù)面世時間并間接降低成本。另外，有些應(yīng)用只運(yùn)行一小段時間，卻需要配置大量計(jì)算資源。

    云計(jì)算對于成本降低的潛力不僅針對資本支出，它也能在運(yùn)營費(fèi)用上降低成本。例如應(yīng)用如果具有極多的負(fù)載變量，那么云計(jì)算可以在不增加電源功耗的情況下，使服務(wù)合同按照每用戶每次應(yīng)用收費(fèi)，其時間間隔可以小于一小時。

    總之，云計(jì)算將資本支出轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)營支出從而降低總體成本。

2、云計(jì)算結(jié)構(gòu)

    2.1  要求

為了使云計(jì)算實(shí)現(xiàn)成本收益，需要考慮幾點(diǎn)要求。由于企業(yè)提供的服務(wù)不同，這些要求達(dá)到的水平也有所不同。云計(jì)算的要求如下：

• 抽象化
  云計(jì)算架構(gòu)的抽象化要求硬件與軟件解耦，這是保證云計(jì)算成功的一個重要因素，相見本文2.3節(jié)。
• 可用性
  可用性是一個重要要求，云計(jì)算的宕機(jī)可能被公眾看作一個核心事故，它通常用服務(wù)的運(yùn)行時間與停運(yùn)時間之比來描述。
• 靈活性
  靈活性描述了云計(jì)算在短時期的動態(tài)變化，其運(yùn)算能力可以提高也可以降低，可以按照需求釋放資源。
• 易維護(hù)
  云計(jì)算需要方便維護(hù)以保證其連續(xù)運(yùn)行。
• 可計(jì)量
  運(yùn)行業(yè)務(wù)的資源可計(jì)量，這是服務(wù)計(jì)費(fèi)的前提，它不僅適用于計(jì)算，也適用于存儲與網(wǎng)絡(luò)。
• 多租期
  允許不同企業(yè)的多個用戶使用一個應(yīng)用，用戶之間的信息受到保護(hù)，用戶之間的協(xié)作數(shù)據(jù)得以整合。
• 位置獨(dú)立性
  云計(jì)算的服務(wù)與具體提供服務(wù)的位置無關(guān)，當(dāng)云增長時服務(wù)規(guī)模得以擴(kuò)大，同時，云計(jì)算可以大大減小災(zāi)難性故障的影響。
• 快速部署
  云計(jì)算平臺可以快速部署應(yīng)用，加快服務(wù)面世時間。
• 可擴(kuò)展性
  云計(jì)算的規(guī)?？梢钥焖贁U(kuò)展。
• 安全性
  安全性主要指信息安全，包括保密和數(shù)據(jù)完整。保密指數(shù)據(jù)發(fā)布的受控，數(shù)據(jù)完整指經(jīng)授權(quán)的訪問與數(shù)據(jù)修改。

    2.1.1  局限性

    在大型服務(wù)器安裝中并非一切問題都能通過云計(jì)算解決，對某些應(yīng)用而言，目前還沒有云計(jì)算解決方案，例如實(shí)時應(yīng)用與流媒體。

    2.2  分層結(jié)構(gòu)

    云計(jì)算架構(gòu)通常分為三層，即基礎(chǔ)層、平臺層與應(yīng)用層。

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    由于云計(jì)算服務(wù)具有很大差異，分層結(jié)構(gòu)有助于我們理解云提供商到底提供了什么服務(wù)。例如，Amazon服務(wù)就可以看作基本的基礎(chǔ)服務(wù)，讓用戶訪問虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)靈活性。而Google AppEngine則實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性和高可用性。

    因此，我們可以用基礎(chǔ)即服務(wù)（IaaS）和平臺即服務(wù)（PaaS）準(zhǔn)確定義云計(jì)算不同層次的服務(wù)類型。

    2.3 基礎(chǔ)層

    2.3.1  計(jì)算資源

    今天的計(jì)算資源通常基于X86硬件，機(jī)架式服務(wù)器或刀片服務(wù)器。采用何種架構(gòu)主要從商業(yè)利益考慮，而與云計(jì)算架構(gòu)無關(guān)。云通常由一個或幾個服務(wù)器集群組成，在可用性和地理分布上具有優(yōu)勢。

    2.3.2  存儲

    云計(jì)算的存儲分為結(jié)構(gòu)化存儲和非結(jié)構(gòu)化存儲，本文中的結(jié)構(gòu)化存儲基于分布式數(shù)據(jù)，它或者是一個商業(yè)產(chǎn)品，或者是一個專用項(xiàng)目，如Google BigTable。非結(jié)構(gòu)化存儲通常指分布式文件系統(tǒng)，可以是開放的或私有的，數(shù)量多得不可勝數(shù)。存儲可以是本地的，或是通過SAN訪問。集成了分布式文件系統(tǒng)的本地存儲的缺點(diǎn)是訪問時間長，但具有規(guī)模大、成本低的優(yōu)勢。

    云計(jì)算的存儲是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性與可用性的一個關(guān)鍵因素與難點(diǎn)。

    2.3.3  網(wǎng)絡(luò)

    網(wǎng)絡(luò)也是云計(jì)算的一個組成部分，其關(guān)鍵要求是連接、隔離與帶寬。

    連接包括內(nèi)部連接，如云計(jì)算的虛擬機(jī)之間，還包括外部連接，如互聯(lián)網(wǎng)。對于內(nèi)部連接，VLAN技術(shù)通常用于云之間的隔離，而外部網(wǎng)絡(luò)的訪問則通過NAT或具有公共IP地址的主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

    云內(nèi)部帶寬對整個網(wǎng)絡(luò)性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響。因此，存儲的訪問時間就會通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)到整個網(wǎng)絡(luò)上，存儲的實(shí)現(xiàn)方式就成為影響性能的關(guān)鍵因素。同時，節(jié)點(diǎn)之間的流量復(fù)用也會對網(wǎng)絡(luò)性能造成巨大影響。

    事實(shí)上，計(jì)算機(jī)集群往往在地理上是鄰近的，但當(dāng)云計(jì)算要求更大規(guī)模時，就需要云的結(jié)構(gòu)化，這可以方便管理并采用簡便辦法處理網(wǎng)絡(luò)故障。

    值得注意的是，外部網(wǎng)絡(luò)流量會帶來額外成本，而計(jì)算與存儲資源的分配則必須嚴(yán)格控制。

    2.4  平臺層

    云計(jì)算架構(gòu)的第二層是平臺層，它包含了基礎(chǔ)層以及操作系統(tǒng)、虛擬化、中間件和網(wǎng)絡(luò)。

    2.4.1  虛擬化

    上面我們已經(jīng)討論了大量底層要求，下面進(jìn)入云計(jì)算的中心部分。虛擬化是云計(jì)算的核心部分，它將硬件抽象化，采用統(tǒng)一的虛擬機(jī)作為應(yīng)用軟件接口，通過代理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)，生成必要的隔離，并支持對代碼的診斷。

    虛擬化還支持可擴(kuò)展性，由于虛擬機(jī)是現(xiàn)有硬件性能的一部分，實(shí)現(xiàn)了云的精細(xì)管理。

    虛擬化通常針對服務(wù)器，工具包括VMware、Xen、Microsoft、Linux KVM等。應(yīng)該記住Java也是基于虛擬化的，同樣用于云計(jì)算，例如Google AppEngine。

    虛擬化要求分為三部分，即指令集虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化。前兩項(xiàng)要求在X86結(jié)構(gòu)下已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了。I/O虛擬化對于網(wǎng)絡(luò)和存儲是不同的。過去采用代理在軟件實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)關(guān)，將NIC設(shè)備抽象到虛擬機(jī)。現(xiàn)在采用PCI-SIG組織定義的I/O虛擬化方法，網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備支持多個DMA虛擬機(jī)。

    對于存儲虛擬化，分布式文件系統(tǒng)是一個選擇，光纖通道支持虛擬化是另一個選擇，即光纖通道－虛擬接口架構(gòu)。將FCoE與現(xiàn)有以太網(wǎng)架構(gòu)結(jié)合，這是一個成本更低、擴(kuò)展性更強(qiáng)的解決方案。

    2.4.2  中間件

    平臺層的云計(jì)算中間件處理各種各樣的任務(wù)，例如應(yīng)用部署的簡化與自動化、分配不同計(jì)算資源、管理網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算資源。

    當(dāng)云計(jì)算用于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，通常提到Google MapReduce算法，集成到Google服務(wù)中，也包含到開源項(xiàng)目Hadoop中。簡言之，它包含一個主人和多個工人，以虛擬機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。主人基于SLA分配資源，并將任務(wù)劃分為小塊，并將它們映射到工人，這些工人執(zhí)行要求的任務(wù)。主人監(jiān)視工人的工作，當(dāng)一個工人出錯時重新分配這個任務(wù)。當(dāng)全部任務(wù)完成時，主人將結(jié)果同步并執(zhí)行下一步工作，即簡化工作，也是將任務(wù)分配給工人。在完成簡化工作后，主人收集結(jié)果，釋放資源并將結(jié)果返回用戶。

    這只是中間件執(zhí)行互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個例子，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行環(huán)境與用戶代碼的抽象化。

    對于PaaS而言，服務(wù)提供商可以達(dá)到三個九的可用性指標(biāo)，例如Amazon EC2達(dá)到99.95%。需要指出的是，盡管指標(biāo)看上去很高，但如果映射階段發(fā)生云計(jì)算故障，那么將會影響接下來的簡化階段并占用更多的服務(wù)器。

    2.5 應(yīng)用層

    2.5.1  應(yīng)用要求

    為了成功實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的運(yùn)行環(huán)境，如MapReduce，應(yīng)用程序需要滿足幾個要求：

    第一，應(yīng)用必須并行編程以便劃分為多個獨(dú)立任務(wù)。而多個任務(wù)之間的數(shù)據(jù)依賴性將會限制算法的總體性能。

    第二，應(yīng)用不具有實(shí)時性，因?yàn)橛成渌惴ú痪哂写_定性，而接下來的簡化階段則依賴映射的結(jié)果。

    第三，應(yīng)用的I/O要求規(guī)模小，避免網(wǎng)絡(luò)和存儲的瓶頸。應(yīng)用的中間結(jié)果需要存儲在硬盤上，如果發(fā)生故障，也會加大存儲的負(fù)擔(dān)，因此應(yīng)用不僅需要具有規(guī)模彈性，而且最好具有容錯能力。

    2.5.2  應(yīng)用類型

    考慮到上文提到的云計(jì)算的局限性，幾種主要應(yīng)用類型如下：

• 離線視頻轉(zhuǎn)碼
• 離線圖像處理
• 金融保險后臺應(yīng)用
• 數(shù)據(jù)挖掘
• 文件處理如OCR或PDF生成
• 科學(xué)計(jì)算如MatLab
• 軟件開發(fā)
• 動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

    上述應(yīng)用的一個共同特點(diǎn)是它們都不要求實(shí)時性，也不是流媒體。電信應(yīng)用的實(shí)時性不僅要求確定的響應(yīng)時間，而且要求系統(tǒng)高可用性，低延時，高帶寬。顯然，MapReduce不滿足這些要求。

3、ATCA與云計(jì)算

    我們已經(jīng)講到云計(jì)算的一個主要驅(qū)動力就是降低成本，現(xiàn)在讓我們看一看，ATCA其實(shí)并不適用于在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行云計(jì)算。事實(shí)上，ATCA運(yùn)行的全部都是電信應(yīng)用。

    ATCA標(biāo)準(zhǔn)是PICMG組織為下一代運(yùn)營級通信設(shè)備開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它具有高可靠性、高可用性、易維護(hù)性，標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了機(jī)箱、背板、網(wǎng)絡(luò)、刀片、管理等各項(xiàng)指標(biāo)。幾年來，ATCA已經(jīng)證明是一個可靠的架構(gòu)，是高可用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

    3.1 適用于云計(jì)算的電信應(yīng)用

    適用于云計(jì)算的電信應(yīng)用是消息應(yīng)用與NGN附加服務(wù)。

    3.2 ATCA平臺的可管理性

    除了標(biāo)準(zhǔn)化硬件外，ATCA還具有通用硬件平臺管理接口，同時補(bǔ)充了服務(wù)可用性接口，既有商業(yè)產(chǎn)品，也有開源工具。硬件與底層軟件的管理按照SAF模型，一般而言，這一管理環(huán)境只是一個系統(tǒng)而不是一個服務(wù)器集群，對于設(shè)計(jì)多個地址的區(qū)域概念，ATCA更未涉及。

    3.3 集成網(wǎng)絡(luò)

    ATCA將網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的組成部分，共分為三層：第一層是標(biāo)準(zhǔn)IPMI實(shí)現(xiàn)基本管理；第二層是獨(dú)立的萬兆以太網(wǎng)，保障網(wǎng)絡(luò)過載下也能管理；第三層是應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸，稱為fabric網(wǎng)絡(luò)，并允許多種協(xié)議。

    ATCA市場的一個特點(diǎn)是新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)總能夠得以采用，目前的背板速率是10Gb和40Gb，正是這種技術(shù)進(jìn)步使ATCA具有作為大規(guī)模計(jì)算集群的堅(jiān)固基礎(chǔ)，所有網(wǎng)絡(luò)是冗余的和容錯的。

    3.4 可用性

    ATCA平臺可用性包括硬件可靠性、擴(kuò)展可管理性與集成網(wǎng)絡(luò)。這些部分產(chǎn)生了具有5個9以上可用性的平臺，這正是一個PaaS平臺必須提供的性能。對于ATCA平臺而言，這些特征已經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。

    3.5 開放標(biāo)準(zhǔn)

    ATCA系統(tǒng)和軟件基于開放標(biāo)準(zhǔn)，這可以受益于一條產(chǎn)業(yè)鏈。

4、結(jié)論

    ATCA具有云計(jì)算市場潛力和必須的部件，如虛擬化，同時也符合云計(jì)算的技術(shù)要求，但目前還沒有到部署的程度。ATCA作為云，并沒有顯示出像商用服務(wù)器一樣的規(guī)模優(yōu)勢與成本優(yōu)勢。采用ATCA做基礎(chǔ)服務(wù)似乎是可行的，在電信應(yīng)用領(lǐng)域ATCA作為PaaS服務(wù),目前受到實(shí)時性約束。為了使電信應(yīng)用PaaS成功，影響實(shí)時性的問題必須得以解決。