云计算关键技术分析研究

摘要：针对云计算概念的多种技术组合特征，对其框架模型进行分析，研究面向服务的体系架构(SOA)的主要功能，服务抽象是面向服务模式中的主要设计原则；研究平台虚拟化、网络虚拟化、数据库虚拟化的不同特征和作用，强调数据中心虚拟化是所有虚拟化技术的整合；研究Web关键技术在云计算中的作用特征。明确了结论，即云计算中面向服务的体系架构使网络应用可以满足按需获取，虚拟化使应用与底层的基础设施相互分离，Web技术使云计算中信息内容的合作成为可能，在线社区交互简单易行。
关键词：云计算；SOA；虚拟化；Web技术

    云计算是基于因特网的超级计算模式，云代表了网络和组网，计算代表了与计算机相关的资源、应用和服务。云计算牵涉到人、应用、硬件、软件、服务供应商等，远远超出了纯技术的范畴。从云中的软件到平台和基础设施，计算产业扩展它的领域，云计算技术的优势在众多领域不断凸显出来。

1 云计算主要应用
    谷歌应用程序引擎(Google App Engine)允许用户运行、创建、维护和扩展其基础设施上的任意Web应用程序，其Datastore数据库支持独特属性的数据对象和实体，可进行更有效的数据查询，同时允许互不影响地完成多个事务，最终提高资源利用率。亚马逊提供的远程计算服务AWS，主要包括简单存储服务(Simple Storage Services，S3)和弹性计算云(Elastic Compute Cloud，EC2)。AWS S3使用最小组进行开发，不设定最低消费，按使用量收费。AWS EC2允许客户访问和控制虚拟计算机，通过Web服务界面运行需要的应用程序。微软Office Live允许对在线云文档和传统离线桌面版本文档进行同步或者异步的集成。Windows Azure Platform平台解决方案包括：操作系统Windows Azure，关系型数据库SQL Azure，Azure AppFabric是一种简化连接云应用或客户端内部应用程序的高效方法。VMware每个VMware工作站允许一台物理机器同时运行多个操作系统，VMware已经与数百台主机及云计算卖方取得合作，使在通用VMware平台上灵活传送成为可能，并允许在不同供应商之间轻松迁移。VMware vSphere使用户在使用基于云的管理和监控特征时，能够获得高度的应用保证。
    云计算的应用发展驱策标准制定团队创建所需的通用指南和规范，推动多种解决方案的实现，例如，电信管理论坛(TM Forum)组建了企业云购买者委员会ECBC，旨在服务调度和流程获取；分布式管理任务组DMTF开发了开放虚拟化格式OVF，用于打包和分发在虚拟机VM上运行的软件；开放网格论坛OGF创建开放云计算接口工作组OCCI，来定义可操作的解决方案，以实现与IaaS的接口；存储网络产业协会SNIA创建了云存储技术工作组，开发与云存储技术的系统实现相关的SNIA架构。

2 云计算关键技术
    如图1所示，云模型由5个关键特征、3个服务模型和4种部署模型组成。

    在云的关键技术中，面向服务的体系架构(SOA)使得网络应用可以按需获取，虚拟化使得应用与底层的基础设施相分离，Web技术使得信息内容的合作成为可能，同时使在线社区交互简单易行。
2．1 向服务的体系架构SOA
    面向服务的体系结构(SOA)的实现是一个分层架构，如图2描绘，其中垂直切分和水平层次适合企业服务架构。

2．1．1 SOA
    SOA分层架构被广泛作为实现业务功能的计算模式和标准，主要功能如下：
    业务应用层  包含2个主要的区域，即服务编排和业务展示。服务通过编排被捆绑为流，因此作为一个单独的应用行动。每一个应用组支持特定的应用案例和业务流程。业务展示区将用户接口(UI)桥接到成组的应用程序，以便构建端对端的解决方案。
    支持应用层  应用资源和数据可以动态发现或静态绑定，然后被调用，也可被设计为一个集成服务。服务资源通过企业服务总线(Enterp rise ServiceBuses，ESB)进行交换。
    计算基础设施层  为企业层资产，负责通过架构最佳实践来确保与服务等级协议(SIAs)保持一致。
    计算和网络框架层  由应用程序包、计算硬件和通信设备等组成。SOA的集成分层架构能推动现有系统，并通过使用面向服务的集成技术来集成它们。
    信息保证部分  提供监控、管理和维护服务的完整性和安全性的能力。通过感知和反应机制，这一后台进程和工具在事务处理和会话层确保了端对端的保护。
    系统管理部分  使服务集成成为可能，涉及服务计划、配置、监控、测试和重新配置。包括Web服务管理以及其他相关的通信和应用管理，支持SOA中指定的所有功能。
2．1．2 服务抽象
    为了支持真正的分布式计算环境，对所提供的服务进行抽象是SOA和云计算解决方案的基本特征。从实现的视角看，服务抽象是面向服务模式中的主要设计原则之一，强调隐藏尽可能多的服务底层细节。抽象实现了对暴露在外部世界的底层服务逻辑的控制，确保把服务实例设计为通用模式，可以使集成服务更加灵活地完成大量潜在服务请求。因此，这样的服务能够更好的定位成可重用的IT资产。
2．2 虚拟化
    虚拟化将应用程序与它的底层资源相分离，允许多个客户不受地理位置或资源的限制共享应用程序：平台虚拟化使得依赖于操作系统的应用程序更具可移植性和可扩展性；网络虚拟化确保更好的通信共享和服务质量保证；数据库虚拟化提高了数据的完整性和信息共享；平台虚拟化简化了软件的开发和发行；数据中心虚拟化整合了所有的虚拟化技术，以提供一个综合的IT操作环境；所有这些都是成功实现云服务的关键。
2．2．1 虚拟平台
    平台虚拟化可以为多个客户端软件实例创建一个模拟的计算机环境，就好像各自都运行在一个专用的物理硬件单元上。虚拟化主机软件为客户端软件决定、执行和实施硬件访问策略。因此，在这样的模拟环境中运行时，客户端软件实例访问系统物理资源没有任何限制。虚拟平台是较好的联合服务器的解决方案，许多小的服务器被一个大的物理服务器替代，从而节约了成本、提高了利用率。使用虚拟平台，单个的操作系统可以转化为不同的操作系统实例，并且能独立存在于公共虚拟机上，即物理到虚拟(Physical to Virtual，P2V)的迁移。
    虚拟平台使IT人员能够通过虚拟平台对一个公共平台上运行的多个应用程序进行集中配置、管理和监控，从而提高操作效率、降低空间消耗。虚拟平台提供了高级别的可移植性，使得虚拟机能够被重新部署成不同规模的计算资源，可扩展性更好。
2．2．2 虚拟网络
    网络虚拟化通过一个共享的基础设施支持多种并发网络，然后每一个实例都被定制，以满足不同的业务需求。在虚拟网络中，组合带宽为目标用户、服务器或者设备服务，被分为多个独立、可靠的虚拟通道。有2种常见的虚拟网络形式：基于协议的虚拟网络和基于设备的虚拟网络。基于协议的虚拟网络的例子包括虚拟局域网VLAN、虚拟专用网VPN、虚拟专用局域网服务VPLS。
    网络虚拟化技术提供了一种有效的解决方案，来处理使用中经常遭遇突然、巨大和未知的网络应用问题，同时降低了网络管理复杂性。
2．2．3 虚拟数据库
    虚拟数据库或者联邦数据库使用逻辑数据库索引，访问和管理异构的物理数据库。无论本地还是远程，物理数据库组通过一个计算机网络内部互联，虚拟数据库以对比和联邦的方式聚集，消减物理上合并异构数据库所需的人力、花费。使用虚拟数据库解决方案的一个最显著的好处，就是免去物理资源限制的能力，即使构成联邦的数据库是异构的，也可通过统一前端用户接口，使用户存储和获取他们的信息。
2．2．4 虚拟应用
    虚拟应用(Virtual Applications，VApps)指的是在虚拟机上执行的软件映像，这个概念建立在虚拟机、虚拟平台和虚拟网络成熟的基础上，允许虚拟基础设施上软件实例的存在。利用必需操作系统，虚拟应用技术帮助开发者在虚拟环境中轻松设计、完成、部署和维护他们基于服务器的应用。

2．3 Web技术
    图3描绘了三代Web技术和操作上的不同。Web 1．0时代，信息是由拥有相关知识的个人和组织所专有，信息主要是只读的内容，并且以静态超文本标记语言HTML网页的形式呈现，信息用户通过链接目录导航网页，供应商以每一次点击的消费作为主要的商业收入。如图3所示，虽然服务器可以位于因特网上的任意位置，服务供应商主要以单一C／S模式使用网页技术，Web 1．0在客户交互作用和服务可扩展性上缺乏灵活性。

    传统的Web 1．0商业模型创建了众多的站点，同时希望人们能够浏览它。在Web 2．0中，网络被认作是一个商业平台，用户能够在网页上定制内容。Web2．0强调和提升了创新性、全球信息共享，建立了一个更加全面的体系结构，包含客户端应用、同步、商业服务、综合和资源层，及其贯穿其中的开发和管理工具。使用这一体系结构，许多服务供应商能够一起工作，通过更高的综合和交互技术，为社区相关的客户实现数据提供、连接、共享和协作。Web 2．0中使用的虚拟化概念，消除了信息的边界，模糊了数据所有者。在这种模型下基础的应用和服务是免费的，为了鼓励更多的人参与到信息的创建中，创建工具必须更加简单、更友好和更易交互。
    发展中的Web 3．0将拥有语义网页、跨浏览器、超浏览器的内容投递和请求机制、智能搜索、地理映射网、运用3D技术搭建网站甚至虚拟世界等其他新的特征，Web 3．0在信息的组合、组织和提供等方面都有别于Web 2．0。Web 3．0的数据网络概念，使数据像网页一样容易访问和链接。语义网页拓宽语义范围，使结构化、半结构化甚至零散的数据内容(比如传统的网页、文档等)都能以资源描述框架(Resource Description Framework，RDF)和网页控制语言(Web Ontology Language，OWL)语义格式的形式普遍存在。Web 3．0的人工智能特征能自动执行信息抓取和定制网页内容，使它的外观和感受与用户喜好保持一致，最终能以类似人类的方式思辩网络。

3 结语
    云计算被视为科技业的下一次革命，它将带来工作方式和商业模式的根本性改变。云计算在IT市场上的雏形正在逐步形成，它提供了全新的机遇，并催生传统IT产品的转变。随着智能移动设备、高速无线连接以及基于浏览器的Web 2．0接口的不断增加，使得基于网络的云计算模型不仅切实可行，而且还有助于降低IT资源的复杂性。