云计算及其发展研究.docx

1、云计算及其发展研究云计算及其发展研究目 录一、 云计算概论 1（一） 云计算的概念 1（二） 云计算的优势与带来的变革 4二、 云架构 6（一） 云架构基本层次 6（二） 云架构服务层次 7三、 云计算的关键技术和挑战 9（一） 云计算的先导技术 10（二） 云计算的关键技术 11（三） 云计算的技术挑战 17四、 云计算美英日韩政府推动策略 22（一） 制定战略规划，明确云计算发展方向和应用重点 22（二） 明确管理机构，完善政府和民间合作的推进机制 24（三） 加大资金投入，扶持和引导产业快速发展 24（四） 政府率先垂范，开展云计算应用示范项目 25（五） 支持技术创新，开展关键技术研发

2、 26（六） 推动标准研制，规范应用和市场发展 27五、 云计算的业界动态 28（一） 国际商业机器公司（IBM） 28（二） 亚马逊（Amazon） 31（三） 谷歌（Google） 32（四） S 33（五） 微软（Microsoft） 34（六） 云计算在中国 34一、 云计算概论云计算（Cloud Computing）可以让人们轻松获得海量的存储和计算资源，在互联网这个无所不包的平台上更经济地运营服务，使互联网服务更加敏捷、更随需应变，让企业和个人用户更加方便、透彻地理解与运用层出不穷的服务。它带来的是信息产业的转型和升级，并让人们意识到，原来计算、存储和应用也可以像水和电一样地去获得

3、。云计算的产生，在技术层面上，主要是六个方面共同作用的结果，即芯片和硬件、虚拟化技术、面向服务架构的广泛应用、软件即服务模式的流行、互联网技术的发展以及Web 2.0技术的流行和广泛接受。要实现云计算的广泛应用，还有很长的路要走，必须面对诸如虚拟化、多租户、海量数据处理、标准化等新技术和传统社会经济模式、政策法规的挑战。目前，不仅IT行业巨头和新兴科技公司等微观经济实体成为云计算产业链中的参与者，把云计算作为他们发展战略中的重要组成部分，各国政府也同样重视这一产业的重要变革。毕竟，就如同制造业的变革导致了全球范围内的重新分工，云计算的出现也将引发信息产业在世界范围内的再分工。世界各国，尤其是中

4、国等新兴发展中国家不应错过这个难得的机遇实现自己产业结构的升级。Gartner预计2013年全球云计算市场规模将达到1501亿美元，并在2010年十大战略性技术与趋势排名中将云计算列在第一位。（一） 云计算的概念1. 云计算定义云计算概念被提出的时间并不长，目前业界的定义并不统一，对其概念的提取也是一个求同存异的过程。这里列举一些具有代表性的云计算定义。美国国家标准技术研究院（National Institute of Standards and Technology，简称NIST）认为云计算是提供通过便捷、按需的网络接入，访问可配置的计算资源共享池（例如：网络、服务器、应用软件和服务）的模式

5、，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理成本或与服务供应商进行很少的交互。维基百科（Wikipedia）认为云计算是一种能够将动态伸缩的虚拟化资源通过互联网以服务的方式提供给用户的计算模式，用户不需要知道如何管理那些支持云计算的基础设施。谷歌（Google）认为云计算应该至少具备6个关键特性，即以用户为中心、以任务为中心、强大、易于访问、智能以及可编程。W认为云计算是一种通过网络连接来获取软件和服务的计算模式，云计算使得用户可以获得使用超级机的体验，用户通过笔记本电脑与手机上的瘦客户端（Thin Client）接入云中获取需要的资源。美国加州大学伯克利分校近期发表了一篇关于云计算的报告，该

6、报告认为云计算既指在互联网上以服务形式提供的应用，也指在数据中心中提供这些服务的硬件和软件，而这些数据中心中的硬件和软件则被称为云。商业周刊（Bussiness W）发表文章指出，Google的云就是由网络连接起来的几十万甚至上百万台的廉价计算机，这些大规模的计算机集群每天都处理着来自互联网上的海量检索数据和搜索业务请求。商业周刊在另一篇文章中总结说，从亚马逊（Amazon）的角度看，云计算就是在一个大规模的系统环境中，不同的系统之间相互提供服务，软件都是以服务的方式运行，当所有这些系统相互协作，并在互联网上提供服务时，这些系统的总体就成为了云。S认为云计算是一种更友好的业务运行模式。在这种模

7、式中，用户的应用程序运行在共享的数据中心中，用户只需要通过登录和个性化定制就可以使用这些数据中心的应用程序。IBM认为云计算是一种共享的网络交付信息服务的模式，云服务的使用者看到的只有服务本身，而不用关心相关基础设施的具体实现。云计算是一种革新的IT运用模式，这种运用模式的主体是所有连接着互联网的实体，可以是人、设备和程序。这种运用方式的客体就是IT本身，包括我们现在接触到的，以及会在不远的将来出现的各种信息服务。而这种运用方式的核心原则是：硬件和软件都是资源并被封闭为服务，用户可以通过互联网按需地访问和使用。虽然对云计算的定义各有说法，但通过以上的各种观点，不难看出云计算的一些普遍被认同的特

8、征： 硬件和软件都是资源，通过互联网以服务的方式提供给用户； 这些资源都可以根据需要进行动态扩展和配置； 这些资源通常在物理上以远程的分布式共享方式存在，而不是在本地计算机或者单个服务器上，但最终在逻辑上以单一整体的形式呈现； 系统中业务的创建、发布、执行和管理都可以在网络上进行，用户按需使用云中的资源，按实际使用量付费，而不需要管理它们。狭义的云计算是指IT资源的交付和使用模式，即用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件）。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。广义的云计算是指服务的交

9、付和使用模式，即用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT硬件和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。2. 云计算分类按服务类型分： 基础设施云（Infrastructure Cloud）。这种云为用户提供的是底层的、接近于直接操作硬件资源的服务接口。通过调用这些接口，用户可以直接获得计算和存储能力，而且非常自由灵活，几乎不受逻辑上的限制。但是，用户需要进行大量的工作来设计和实现自己的应用，因为基础设施云除了为用户提供计算和存储等基础功能外，不进一步做任何应用类型的假设。 平台云（Platform Cloud）。这种云为用户提供一个托管平台，用户可以将他们所开发和

10、运营的应用托管到云平台中。但是，这个应用的开发和部署必须遵守该平台特定的规则和限制，如语言、编程框架、数据存储模型等。通常，能够在该平台上运行的应用类型也会受到一定的限制。 应用云（Application Cloud）。这种云为用户提供可以为其直接所用的应用，这些应用一般是基于浏览器的，针对某一项特定的功能。应用云最容易被用户使用，因为它们都是开发完成的软件，只需要进行一些定制就可以交付。但是，它们也是灵活性最低的，因为一种应用云只针对一种特定的功能，无法提供其它功能的应用。按服务方式分： 公有云。由若干企业和用户共享的云环境。用户所需的服务由一个独立的、第三方云提供商提供。该云提供商也同时为

11、其他用户服务，这些用户共享这个云提供商所拥有的资源。 私有云。为企业或组织所专有的云计算环境。在私有云中，用户是这个企业或组织的内部成员，这些成员共享着该云计算环境所提供的所有资源，公司或组织以外的用户无法访问这个云计算环境提供的服务。 混合云。指公有云和私有云的混合。包含两种以上的云，每种云仍然保持独立，但通过标准化的或专门的技术结合在一起，实现数据和应用软件的可移植。综合考虑安全、监管、外界的干扰和控制等问题，用户可以根据自己的需要选择不同的服务方式。一般来说，对安全性、可靠性及IT可监控性要求高的公司或组织，如金融机构、政府机关、大型企业等，是私有云的潜在使用者。因为他们已经拥有了规模庞

12、大的IT基础设施，因此只需要进行少量的投资，将自己的IT系统升级，就可以拥有云计算带来的灵活与高效，同时有效地避免使用公有云可能带来的负面影响。除此之外，他们也可以选择混合云，将一些对安全性和可靠性需求相对较低的应用，如人力资源管理等，部署在公有云上，来减轻对自身IT基础设施的负担。相关分析指出，一般中小企业和创业公司将选择公有云，而金融机构、政府机关和大型企业则更倾向于选择私有云或混合云。（二） 云计算的优势与带来的变革云计算在优化信息产业布局和推进专业分工方面有其独特的优势，并且可以提升资源效率、减少运营投资、降低管理成本等。1. 云计算的优势优化产业布局。云计算将企业原先自给自足的信息技

13、术运用模式改变为由云计算提供商按需供给的模式。IT业界将出现一些实力雄厚的云计算提供商，他们拥有雄厚的技术实力和管理经验，雇用专业的商业专家和研发人员。最重要的是，他们有一座甚至许多座规模巨大的计算中心来支撑云中的服务。在摩尔定律在指引下，硬件成本正在不断降低，这些未来的云计算运营商心目中的关键资源不再是服务器，而是运行这些服务器所必不可少的电力资源。一些小规模的单个公司专有的数据中心将被淘汰。这种产业部局的更迭，生动地体现了信息产业的一次升级，从以前分散的、高耗能的模式转变为集中的、资源友好的模式，顺应了历史发展的潮流。推进专业分工。云计算提供商普通采用大规模数据中心，比中小型数据中心更专业

14、，管理水平更高，提供单位计算所需的成本更低廉；专业的云计算提供商可以有更多的科研和经费投入来推动数据中心的技术革新；云计算提供商还具有更完善的软件，这包括具有丰富知识和经验的管理团队及与其配套的管理软件；中小型公司尤其创业型公司可以通过购买云服务，将更多的精力放到自己的主业上去，提高效率。云计算带来的将是更加专业的分工，更进一步优化的信息产业格局。通过让专业的人做专业的事，各取所长，扬长避短，有效避免了信息产业中可能产生的内耗。另一方面，专业分工也孕育了新的产业契机，除了现有的大型IT公司外，一批新兴的高科技企业也将在云计算中找到自己的位置并逐渐成长起来。提升资源利用率。传统的数据中心无法兼顾

15、业务的可用性和资源的高效利用，只能在二者之间达到某种程度的平衡。一般来说，企业为了保证业务系统的高可用性，会牺牲掉资源的高效性。据统计，多数企业数据中心的资源利用率在15%以下，有的还不到5%。而在云计算的平台中，若干企业的业务系统共用同一个大的资源池，资源池的大小可以适时调整，还可以通过动态资源调度机制对资源进行实时的合理分配。即使有突发事件对某一个业务系统产生冲击，也不会对整个资源池造成很大影响。通过这些手段，云计算平台中的资源利用率可达80%以上，与传统数据中心的资源利用率相比有大幅度提升。减少初期投资。用户不再需要进行巨大的一次性IT投资，彻底省去了购置、安装、管理软硬件的费用，因为他

16、们可以从云计算提供商那里租用这些IT基础设施；用户在使用这些IT资源时，可以按照自己的实际使用量付费。降低管理开销。云计算可以帮助用户实现应用的自动化管理。对于应用的运行和管理来讲，云计算的出现能够使用户获得更高的灵活性和自动化。对应用管理的动态、高效率、自动化是云计算的核心。它要保证用户在创建一个服务的时候，能够用最少的操作和极短的时间就完成资源分配、服务配置、服务上线和服务激活等一系列操作。与此类似，当用户需要停用一个服务的时候，云计算能够自动完成服务停止、服务下线、删除服务配置和资源回收等操作。云计算可以在软件和解决方案等不同层次提供极大的灵活性与自动化。此外，对用户而言，云计算还会在很

17、多细节层面带来好处。如更低成本的用户电脑、增强的计算能力、无限的存储容量、增强的数据安全、改进的操作系统兼容性、改进的文件格式兼容性、更容易的群组协作、对文档的普适访问、最新版本的可用性、对特定设备依赖的消除等。2. 云计算带来的变革云计算作为一种新兴的运用模式，带来了信息产业调整和升级，同时也催生了一条全新的产业链。这条产业链中主要包含硬件供应商、基础软件提供商、云提供商、云服务提供商、应用提供商、企业机构用户和个人用户等不同角色。此外，云计算对人们的生活工作方式等也带来很多改变。从计算机到使用者，从应用到任务，从孤立的数据到可以随处访问、可以与任何人共享的数据的转变；储存信息和运行应用程序

18、的方式将发生重大变化；以PC为中心向以文件为中心演变；手动管理被自动化流程所取代。二、 云架构（一） 云架构基本层次云架构通过虚拟化、标准化和自动化的方式有机地整合了云中的硬件和软件资源，并通过网络将云中的服务交付给用户。典型的云架构分为基础设施层、平台层和应用层，这三种层次向上提供服务的方式有公有云、私有云和混合云三种类型。基础设施层。是指经过虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合。云硬件资源包括了计算、存储和网络等资源。基础设施层通过虚拟化技术对这些物理资源进行抽象，并且实现了内部流程自动化和资源管理优化，从而向外部提供动态、灵活的基础设施服务。其基本功能包括：资源抽象、资源监控、负载管理

19、、数据管理、资源部署、安全管理、计费管理等。平台层。平台层介于基础设施层和应用层之间，它是具有通用性和可复用性的软件资源的集合，为云应用提供了开发、运行、管理和监控的环境。平台层是优化的“云中间件”，能够更好地满足云的应用在可伸缩性、可用性和安全性等方面的要求。它的基本功能包括：开发测试环境、运行时环境、运营环境等。应用层。应用层是云上应用软件的集合，这些应用构建在基础设施层提供的资源和平台层提供的环境之上，通过网络交付给用户。云应用种类繁多，既可以是受众群体庞大的标准应用，也可以是定制的服务应用，还可以是用户开发的多元应用。第一类主要满足个人用户的日常生活办公需求，比如文档编辑、日历管理、登

20、录认证等；第二类主要面向企业和机构用户的可定制解决方案， 比如财务管理、供应链管理和客户关系管理等领域；第三类是由独立软件开发商或开发团队为了满足某一类特定需求而提供的创新型应用，一般在公有云平台上搭建。需要注意的是，并不是所有的云都必须在这三个层次上分别提供服务。对于云供应商来说，交付的层次越高，其内部需要实现的功能就越多。（二） 云架构服务层次由于云架构中的每一层都可以为用户提供服务，进而出现了如下三种服务。软件即服务（Cloud Software as a Service，简称SaaS）。交付给用户的是定制化的软件，即软件提供方根据用户的需求，将软件或应用通过租用的形式提供给用户使用。应

21、用程序能被各种客户端设备通过客户接口访问，如web浏览器。用户不管理和控制底层云基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储、甚至专用的应用程序，但只有有限的、用户专用的应用软件配置权限。主要有三个特征：用户不需要在本地安装该软件的副本，也不需要维护相应的硬件资源，该软件部署并运行在提供方自有的或第三方环境中；软件以服务的方式通过网络交付给用户，用户端只需要打开浏览器或者某种客户端节具就可以使用服务；虽然软件即服务面向多个用户，但每个用户都感觉是独自占有该服务。这种软件交付模式无论是在商业上还是技术上都是一个巨大的变革。对于用户来说，他们不再需要关心软件的安装和升级，也不需要一次性购买软件许可证

22、，而是根据租用服务的实际情况进行付费，也就是“按需付费”。另外，软件即服务更有利于知识产权的保护，因为软件的副本本身不会提供给客户，从而减少了反编译等恶意行为发生的可能。以S公司的Salesforce CRM以及谷歌公司的Gamil和Google Docs为典型代表。平台即服务（Cloud Platform as a Service，简称PaaS）。交付给用户的是丰富的“云中间件”资源，这些资源包括应用容器、数据库和消息处理等。用户不管理和控制底层云基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储，但可以控制部署的应用程序和应用配置环境。因此，平台即服务面向的并不是普通终端用户，而是软件开发人员，他

23、们可以充分利用这些开放的资源来开发定制化的应用。在平台即服务上开发应用和传统的开发模式相比有着很大的优势：由于平台即服务提供的高级编程接口简单易用，因此软件开发人员可以在较短时间内完成开发工作，从而缩短应用上线的时间；应用的开发和运行都是基于同样的平台，兼容性问题较少；开发者无需考虑应用的可伸缩性、服务容量等问题，因为平台即服务都已提供；平台层提供的运营管理功能还能够帮助开发人员对应用进行监控和计费。以谷歌公司的谷歌应用程序引擎（Google App Engine，简称GAE）为典型代表。基础设施即服务（Cloud Infrastructure as a Service，简称IaaS）。交付给

24、用户的是基本的基础设施资源。用户无需购买、维护硬件设备和相关系统软件，就可以直接在基础设施即服务层上构建自己的平台和应用。基础设施向用户提供了虚拟化的计算资源、存储资源和网络资源。这些资源能够根据用户的需求进行动态分配。用户不管理和控制底层云基础设施，但可以控制操作系统、存储、部署的应用程序，拥有有限的网络设备（如主机防火墙）控制和选择权。相对于软件即服务和平台即服务，基础设施即服务所提供的服务都比较偏底层，但使用也更为灵活。以亚马逊弹性云（Elastic Compute Cloud，简称EC2）为典型代表。三、 云计算的关键技术和挑战云计算的发展和应用离不开一系列创新技术的支持，云计算所追求

25、的愿景也为当下互联网时代的信息技术带来了一系列挑战。在这些挑战中，有些虽然是传统计算平台中的经典问题，但在云计算中又被赋予了新的内涵；有的则是云计算中的新问题、新技术。云计算的理念生动体现了互联网时代的信息服务特性，并且正在推动一系列以虚拟化、服务管理自动化和标准化为代表的大量革新技术创新去解决互联网平台生命周期管理问题、大规模分布式计算、存储、通信问题，以及资源按需提供、按量计费问题。表1列出的是云计算中涉及的主要技术。表1. 云计算涉及的主要技术先导技术飞速发展的芯片和硬件技术成熟的虚拟化技术广泛应用的面向服务架构流行的软件即服务模式进一步发展的互联网技术流行和广泛接受的Web 2.0技术

26、并行计算、网格计算、效用计算关键技术快速部署（虚拟化、并行部署、协同部署、物理解决方案的自动化部署）资源调度（资源实时监控和管理、负载均衡、调度算法的复杂度和有效性、吞吐量、传输率、响应时间、调度粒度）多租户技术（资源可伸缩性、数据隔离、客户化配置、架构扩展、性能定制、虚拟化与多租户技术的选择）海量数据处理（并行计算、编程模型）大规模消息通信（同步通信、异步通信、可伸缩的通信服务、消息传递的安全性、消息处理效率）大规模分布式存储（安全性、可靠性、性能、简单性、冗余备份机制、容错机制）许可证管理与计费（云计算计费模型）挑战性技术安全性（对外暴露变多、用户升级潜伏危险、政策法规不完善）可用性（异常

27、宕机、服务被攻击、操作系统崩溃、软件崩溃、停电、网络中断）可伸缩性（垂直伸缩、水平伸缩、及时、适量、细粒度、自动化、预动性）信息保密（用户数据隔离、国家间法规差异）高性能（虚拟化技术瓶颈、MapReduce性能缺陷、分布式存储性能问题）标准化（无统一标准）经济模型与互联网设施（一） 云计算的先导技术在计算机科学技术发展的历史上，曾经出现过一些里程碑式的技术。这些技术产生的时间或远或近，但都对当今世界的IT运用模式产生了巨大的影响。当然，云计算也不是一蹴而就的，而是从这些技术中逐渐演进而来，既一脉相承，又有所不同。下面重点介绍几项与云计算生产相关的重要的技术。第一是芯片和硬件技术的飞速发展，使得

28、硬件能力激增、成本大幅下降，让独立运作的公司集中可观的硬件能力实现规模效益成为可能。第二是虚拟化技术的成熟，使得这些硬件资源可以被有效地细粒度分割和管理，以服务的形式提供硬件和软件资源成为可能。第三是面向服务架构（Service-Oriented Architecture，简称SOA）的广泛应用，使得开放式的数据模型和通信标准越来越广泛地为人们使用，为云中资源与服务的组织方式提供了可行的方案。第四是软件即服务模式的流行，云计算以服务的形式向最终用户交付应用的模式被越来越多的用户所接受。第五是互联网技术的发展，让网络的带宽和可靠性都有了质的提高，使得云计算通过互联网为用户提供服务成为可能。第六是

29、Web 2.0技术的流行和广泛接受，改变了人们使用互联网的方式，通过创新的用户体验为云计算培育了使用群。最后，并行计算（Parallel Computing）、网格计算（Grid Computing）和效用计算（Utility Computing）也一起促进了云计算的演进。解决计算问题的并行程序往往需要特殊的算法，编写并行程序需要考虑很多问题之外的因素，例如各个并发执行的进程之间如何协调运行、任务如何分配到各个进程上去运行等。并行计算机可以说是云环境的重要组成部分。与云计算的思想相似，目前世界各国已经集中建立了若干超级计算中心来服务于该区域内有并行计算需求的用户，并采用分担成本的方式进行付费。

30、网格计算着重于管理通过网络连接起来的异构资源，并保证这些资源能够充分为计算任务服务。通常，用户需要基于某个网格的框架来构建自己的网格系统，并对其进行管理，在其上执行计算任务。效用计算强调的是IT资源，如计算和存储等，能够根据用户的要求被按需地提供，而且用户只需要按照其实际使用情况付费。效用计算的目标是IT资源能够像传统公共设施（如水和电等）一样的供应和收费。效用计算使得企业和个人不再需要一次性的巨额投入就可以拥有计算资源，而且能够降低使用和管理这些资源的成本。效用计算追求的是提高资源的有效利用率，最大程度地降低资源的使用成本和提高资源使用的灵活性。效用计算所提倡的资源按需供应、用户按使用量付费

31、的理念与云计算中的资源使用理念相符。（二） 云计算的关键技术1. 快速部署云计算环境对快速部署的要求将会比传统的数据中心更高。首先，在云环境中资源和应用不但规模变化范围大而且动态性高。用户所需的服务主要采用按需部署的方式，即用户随时提交对资源和应用的请求，云环境管理程序负责分配资源、部署服务。其次，不同层次云计算环境中服务的部署模式是不一样的，比如虚拟化的基础设施云上的应用都被打包在虚拟机里面，而多租户（Multi-tenant）平台上的应用则会选择更加轻量级的打包方案。另外，部署过程中所支持的软件系统形式多样，系统结构各不相同，部署工具应能适应被部署对象的变化。基于流传输的虚拟机部署方法可以

32、有效减少单个虚拟机的部署时间，但是包含了操作系统、中间件、应用软件的虚拟机镜像，大小通常为几个GB到几十个GB，镜像的复制速度会严重影响虚拟机的部署速度和用户体验。此外，在部署多个虚拟机时，基于流传输的虚拟机部署采用的是顺序、串行的部署方法，如果想进一步提高云环境中虚拟机的部署速度，则需要考虑并行部署或者协同部署技术。基于虚拟化技术和协同部署技术，可以构建一个协同部署系统，从而保证大规模数据中心中服务的部署速度、效率和质量。并行部署和协同部署技术同样可以运用到物理解决方案的自动化部署过程中，加速部署过程。并行部署和协同部署技术同样可以运用到物理解决方案的自动化部署过程中，加速部署过程。云环境中的物理解决方案的部署是指在物理平台上安装软件环境。首先，在云的硬件环境搭建起来以后，需要在这些硬件上安装云的软件环境，这就涉及到大规模的操作系统的部