我國未來云計算技術(shù)及移動云前景

　　在過去的十年里，計算機在處理性能，存儲容量，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面獲得了長足的進步，并由此誕生了很多新興的計算機技術(shù)來方便人們的日常辦公和生活需要。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)是新興的研究熱點。云計算由于其較高的可擴展性，較低的設(shè)備價格及按需服務(wù)等特點越來越受到企業(yè)、院校、政府的青睞。學術(shù)界也對此也做了很多的研究性工作。

　　目前對于云計算的定義有很多種，比較常用的說法是云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設(shè)備。1961年John McCarthy在MIT一百周年的紀念典禮的演講上述，計算機的應(yīng)用性將越來越普遍，并且將成為將來新型的重要工業(yè)基礎(chǔ)。這段話在一定程度上也預(yù)示了云計算技術(shù)的產(chǎn)生。2006年在Google的搜索引擎戰(zhàn)略會議，Eric Schmidt首次提出了云計算這個整體性的概念。隨著計算機處理器性能和存儲容量的迅速發(fā)展，云計算技術(shù)所具有的優(yōu)勢使得對企業(yè)，政府機構(gòu)等組織非常有吸引力：

　　較少的資金開銷，一般云計算用戶可以通過租用的方式獲得服務(wù)，這樣在減少設(shè)備成本投入的同時也獲得了自己所需要的計算性能。

　　可擴展性，高度的可擴展性能無疑是云計算技術(shù)一大亮點，云服務(wù)提供者只需要增加一定數(shù)量的服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)帶寬等設(shè)備就能擴展云服務(wù)的能力。

　　災(zāi)難恢復(fù)的功能，大多數(shù)的中小型企業(yè)一般沒有災(zāi)難恢復(fù)的設(shè)施。由于云技術(shù)的虛擬化和冗余性備份功能，企業(yè)不太會丟失掉他們的數(shù)據(jù)。

　　虛擬化，云計算其實也是虛擬化技術(shù)的一種實現(xiàn)。通過虛擬化的技術(shù)，底層的硬件設(shè)備被抽象化了。由服務(wù)器構(gòu)成的虛擬資源將會動態(tài)的，按需的方式分配給應(yīng)用用戶。

　　一、云計算的體系結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)上來講，云計算體系的結(jié)構(gòu)可以分成四個部分，如圖1所示：物理層、虛擬層、平臺層和應(yīng)用層，接下來我們詳述每個層的功能。

圖1 云計算體系結(jié)構(gòu)

　　物理層：顧名思義，物理層負責管理云中的硬件資源，包含物理服務(wù)器、路由器、交換機、電力和冷卻系統(tǒng)。實際上，一般一個數(shù)據(jù)中心等同于一個物理層。數(shù)據(jù)中心包含了好幾千個的服務(wù)器，它們通過高速交換機、路由器或者其他的光纖介質(zhì)互聯(lián)起來形成一個整體。物理層上的事務(wù)性處理包括硬件設(shè)備的配置管理、容錯性保證、流量管理、電力和冷卻系統(tǒng)管理等。

　　虛擬層：虛擬層使用了諸如Xen、KVM和VMware等虛擬技術(shù)，將計算資源和存儲資源整合形成了一個資源池，應(yīng)用用戶就可以從這個資源池中獲取他需要的計算服務(wù)。虛擬層是云計算技術(shù)的-個重要組成成分，因為只有通過虛擬化技術(shù)才能實現(xiàn)像動態(tài)資源管理的功能。

　　平臺層：平臺層在虛擬層之上，該層的由操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序框架之類的構(gòu)建構(gòu)成。平臺層設(shè)置的目的主要是為了方便應(yīng)用層和虛擬機之間的連通，減少部署應(yīng)用程序時的負擔。例如，Google在平臺層的應(yīng)用引擎就提供了API接口用以支持存儲數(shù)據(jù)庫和Web應(yīng)用的常用操作。

　　應(yīng)用層：應(yīng)用層在體系結(jié)構(gòu)中的最高層，由實際的云應(yīng)用程序構(gòu)成。和傳統(tǒng)的應(yīng)用程序相比，云中的應(yīng)用程序的優(yōu)點在于它可以簡單地通過可擴展行的優(yōu)點獲得更高的性能、可用性，并減少運行開銷。

　　和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式相比較，云計算的體系結(jié)構(gòu)更加地模塊化。每一層和上下層的關(guān)系都是比較松散的耦合關(guān)系，這一點和OSI的體系結(jié)構(gòu)很類似，每一層可以很獨立的進行升級。

　　但在商業(yè)的角度來看，硬件和平臺級的資源是按需提供服務(wù)的基礎(chǔ)，根據(jù)每個公司具體的策略又將云計算分成了三類不同的模型Hl:軟件即服務(wù)（saas），平臺即服務(wù)（PaaS），基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）。但是這些不同的模型都具有按需服務(wù)，錯誤容忍，較好的彈性等特點。

　　基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)需要提供具體的基礎(chǔ)設(shè)備，它一般包含前面提到的虛擬層和物理層。通常以虛擬機的形式呈現(xiàn)給用戶，而提供IaaS服務(wù)的云擁有者就可以成為IaaS服務(wù)商，例如Amazon EC2、Flexicale和GoGrid等。平臺即服務(wù)是提供平臺級的資源，包括操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)框架等，為其他軟件開發(fā)人員提供開發(fā)的接口，并由此調(diào)用相應(yīng)的云計算功能。像Paas服務(wù)商有MicrosoftWindowsAzure,GoogleApp Engine和Force.com等。

　　軟件即服務(wù)是指在互聯(lián)網(wǎng)上以按需方式向用戶提供服務(wù)的應(yīng)用程序。例如Salesforce.com,Facebook等。

　　二、商用云計算平臺

　　目前，云計算以其優(yōu)異的性能特點，吸引了眾多的互聯(lián)網(wǎng)公司投入大量的人力物力進行研究和開發(fā)工作，并形成了各自的云計算技術(shù)理論體系，典型的代表有Google、Microsoft和Amazon,接下來將逐一進行介紹。

　　a）Google云；計算平臺。

　　Google公司由搜索引擎而著名，但同時它的郵件服務(wù)，地圖服務(wù)等其他的應(yīng)用也很受大眾的歡迎。這全得益于Google云計算技術(shù)。Google云計算技術(shù)大致主要包含三個內(nèi)容Google文件系統(tǒng)，MapReduce框架和BigTable數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

　　在計算機技術(shù)高度發(fā)達的今天，Google以一種特別另類的方式構(gòu)建了它們高性能的云計算系統(tǒng)。Google云物理設(shè)備只是將許多普通計算機形成一個集群的方式構(gòu)建而成，相比于其他的互聯(lián)網(wǎng)公司采用一些高性能服務(wù)器的方式，Google公司在減少設(shè)備開銷的同時，也獲得了良好的服務(wù)陛能，而且Google在可擴展|生方面更加的具有彈性。Google文件系統(tǒng)Google之件系統(tǒng)簡稱為GFS.GFS是Google云軟件框架的基礎(chǔ)，比較像類Unix文件系統(tǒng)。但與普通的Windows文件系統(tǒng)和Unix文件系統(tǒng)不一樣，GFS最小的存儲單元7是64MB,并稱為Chunk.雖然一個Chunk只有64MB的大小，導(dǎo)致在存儲空間利用率不是很理想，但在大數(shù)據(jù)文件中卻可以獲得很高的性能。另外，GFS還具有容錯性保證的特征，不像傳統(tǒng)的Unix文件系統(tǒng)基本塊都在一個磁盤上，GFS將Chunk分布到云中的各個機器上。而且GFS還會將一個Chunk拷貝到一個或多個機器上，這樣就不會出現(xiàn)單節(jié)點失效所造成的數(shù)據(jù)丟失。

　　MapReduce框架

　　在GFS基礎(chǔ)上，Google又設(shè)計了MapReduce框架。

　　MapReduce它包括兩個基本算法，Map和Reduce.簡單來說，Map算法用來對輸入進行映射，而Reduce算法則對Map算法的輸出結(jié)果進行化簡。例如開發(fā)者對于一個數(shù)據(jù)元祖<keyin,valuein>進行Tmap算法映射，并由此產(chǎn)生了一個<keyout,valueout>的輸出結(jié)果，那么多個<keyout,valueout>的輸出結(jié)果就可以通過reduce算法進行化簡了。

　　MapReduce框架可以自動將任務(wù)分割成若干個子任務(wù)并在許多機器上運行，實現(xiàn)了并行計算的能力。得益于此，MapReduce也增強了應(yīng)用程序的容錯性能，因為即使某個機器上由于硬件問題導(dǎo)致子任務(wù)沒完成，只需要重新再執(zhí)行這部分的子任務(wù)就好了。

　　BigTable數(shù)據(jù)存儲系

　　BigTable數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是Google云計算體系中三大重要技術(shù)之一，雖然在很多方面，BigTable表面上很像關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如以表格的形式存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的增刪改查。但BigTable主要是為大數(shù)據(jù)存儲所設(shè)計的，它們將數(shù)據(jù)列表進行分割并分布在Google云中的機器上，數(shù)據(jù)的存儲容量可以達到PB級別。

　　b）Amazon云-計算平臺

　　雖然Amazon以網(wǎng)上書城而著名，但是得益于其強大的計算資源，Amazon也為軟件開發(fā)人員提供API接口來訪問它們的設(shè)備。Amazon云計算體系屬于IaaS類型，以計費的方式向開發(fā)人員收費。Amazon云計算服務(wù)又稱為EC2.EC2為每個客戶創(chuàng)建一個Amazon虛擬機實例（AMI），包含了操作系統(tǒng)，個性化設(shè)置，庫函數(shù)以及所需要的應(yīng)用程序。AMI一啟動，就會被裝入Amazon簡單存儲服務(wù)（AS3）并獲得一個唯一的虛擬機標識。同時，AMI都是客戶自己進行定制的，要獲得較高的云服務(wù)，則相應(yīng)地要付出較高的費用。Amazon宣稱EC2是全球分布式的云計算，對于客戶而言是完全透明的。

　　c）Microsoft云計算平臺

　　Microsoft云計算稱為Azure服務(wù)平臺。類似于AmazonEC2,Azure服務(wù)平臺向客戶提供開發(fā)接口和系統(tǒng)程序的同時，也提供了可直接使用的云應(yīng)用程序。Azure服務(wù)平臺構(gòu)建在Windows Azure云操作系統(tǒng)之上，主要包括Live服務(wù)，SQL服務(wù)和。N硼艮務(wù)等。對于非商業(yè)用途，Azure是免費的。但如果是要用于商業(yè)用途，Azure將通過計算時間、占用帶寬、存儲容量和吞吐量等標準進行計費。同樣，WindowsAzure以虛擬機的方式提供服務(wù)。

　　三、云計算安全

　　隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，云計算的安全性問題越來越受到關(guān)注。根據(jù)2010年3月云安全聯(lián)盟（CSA）的研究報告《云計算主要安全威脅》指出云計算服務(wù)的主要威脅主要包括：云計算服務(wù)的濫用和惡意使用、不安全的接口和應(yīng)用程序編程接口（APIs）、惡意的內(nèi)部攻擊者、共享技術(shù)的弱點、數(shù)據(jù)丟失與泄露和賬號與服務(wù)劫持等。同樣，我們以三種不同的服務(wù)模型來討論云計算的安全性問題。

　　a）SaaS中的安全性問題

　　在SaaS的服務(wù)模型中，安全性保證主要取決于云計算服務(wù)提供商。在SaaS開發(fā)模型中，尤其需要注意數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)位置、虛擬化漏洞等安全性。

　　數(shù)據(jù)安全

　　在云計算這個服務(wù)出現(xiàn)之前，企業(yè)一般將數(shù)據(jù)都保存自己企業(yè)的本地邊界內(nèi)，這樣他們的敏感或者是商業(yè)機密性的數(shù)據(jù)則處于他們自己可以控制的范圍中。但使用云計算，企業(yè)的數(shù)據(jù)完全處于云端，甚至不知道存儲在網(wǎng)絡(luò)中的哪個位置，也因為這個原因，目前眾多的企業(yè)對于這種新的服務(wù)模式望而卻步。

　　SaaS服務(wù)提供商有必要保證企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性，防止數(shù)據(jù)的泄露和惡意訪問。這就需要使用較強的數(shù)據(jù)加密機制和身份認證機制。對這部分的問題包括：XSS、SQL注入攻擊、Cookie操作、不安全的存儲、不安全的配置和訪問控制漏洞等問題。

　　網(wǎng)絡(luò)安全

　　和傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)一樣，SaaS的服務(wù)模型同樣也面臨著網(wǎng)絡(luò)安全性的問題。由于用戶是通過網(wǎng)絡(luò)的方式接入云服務(wù)提供商，這樣不安全的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸就極易受到惡意攻擊，諸如網(wǎng)絡(luò)探針和數(shù)據(jù)包嗅探，不安全的SSL授信配置等。部分相關(guān)的安全技術(shù)包括安全套接層（SSL）和傳輸層安全（TLS）等。

　　數(shù)據(jù)隔離

　　云計算是一種多用戶的模式，由此意味著租戶之間的數(shù)據(jù)僅僅是邏輯上隔離的，但在物理上很可能會是在-個位置上的。這個也為潛在的非法數(shù)據(jù)訪問提供了可能，因為一個惡意用戶很可能利用系統(tǒng)中的訪問漏洞，突破邏輯上的安全限制，人侵并獲得其他用戶的敏感數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)位置

　　在云計算的服務(wù)模式下，數(shù)據(jù)以分布式的方式存儲網(wǎng)絡(luò)中，用戶無需知道數(shù)據(jù)具體存儲在網(wǎng)絡(luò)中的什么位置。但這種方式可能會給用戶帶來潛在的法律風險。在有些國家，例如南美的一些國家，由于潛在的敏感性問題，特定的商業(yè)數(shù)據(jù)是不允許離開這個國家的。因此，在SaaS的安全模型中也需要提供客戶數(shù)據(jù)的可靠定位服務(wù)。

　　虛擬化漏洞

　　虛擬化是云計算中的一項重要實現(xiàn)技術(shù)。使相對獨立的運行實例運行在一個物理設(shè)備上是虛擬化技術(shù)的一項主要功能。目前已在虛擬化軟件中發(fā)現(xiàn)漏洞很可能被惡意軟件或者內(nèi)部人員利用從而繞開安全的限制獲得非法權(quán)限。一個例子就是Xen中的一個漏洞，tools/pygrub/src/GrubConf.py會產(chǎn)生一個輸入確認的錯誤，而這個問題就很可能被利用來進行非法訪問。

　　b）PaaS中的安全問題

　　在PaaS中，云計算服務(wù)商會向客戶提供在平臺上搭建應(yīng)用程序的權(quán)限。PaaS模型是基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）。因此PaaS中也需要注意SOA中可能會出現(xiàn)的安全問題，諸如DoS攻擊，重放攻擊，注入攻擊，字典攻擊等。因此云計算服務(wù)商需要在這個模型中要用授權(quán)和認證的方式保證安全。另外，Paas服務(wù)模型的特征主要是向用戶提供各種開發(fā)用的API,如商業(yè)函數(shù)、安全函數(shù)、應(yīng)用管理等。因此這些API需要遵循相應(yīng)的安全控制標準，如OAuth.所有的這些都需要云計算服務(wù)商做好保障。

　　c）IaaS中的安全問題

　　然而在IaaS的服務(wù)模型中，云計算服務(wù)商和用戶都對云安全負有一定的責任，但具體的分工不太一樣。云計算服務(wù)商只需要保證基礎(chǔ)設(shè)施的安全，如物理設(shè)備，環(huán)境和虛擬化的安全。而用戶需要負責所有的其他安全性問題，諸如用戶的虛擬服務(wù)器，虛擬網(wǎng)絡(luò)，虛擬存儲以及IaaS平臺上的應(yīng)用程序等。

　　四、移動云計算展望

　　移動云計算其實是云計算的一個擴展，主要是指移動終端（如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）通過3G、WiFi、4G等無線上網(wǎng)的方式使用云計算的服務(wù)模式。移動終端可以通過移動云計算實現(xiàn)云端的數(shù)據(jù)存儲、處理和分析，這樣一來就大大降低了對終端設(shè)備性能的依賴，在獲得良好的可靠性的同時也延長了終端電池的使用時間。

　　a）移動醫(yī)療

　　移動醫(yī)療正是在移動云計算這個背景下發(fā)展起來的。得益于云計算的特點，移動終端設(shè)備低存儲容量、安全隱私問題和醫(yī)療錯誤問題可以得到一定程度的解決。在移動醫(yī)療方面，云計算可以在以下幾個方面得到具體的應(yīng)用：健康監(jiān)測服務(wù)可以通過寬帶無線通信技術(shù)隨時隨地監(jiān)測病人的健康狀況；智能應(yīng)急管理系統(tǒng)可以有效管理事故發(fā)生時應(yīng)急車輛的協(xié)調(diào)和管理；健康監(jiān)測移動設(shè)備可以探測心跳、血壓以及酒精量來提醒醫(yī)療應(yīng)急系統(tǒng)；健康信息記錄允許病人或醫(yī)療服務(wù)商訪問目前或歷史的醫(yī)療病史；移動醫(yī)療費用管理方便醫(yī)療開銷和其他相關(guān)費用的支付功能。

　　b）移動電子商務(wù)

　　很多傳統(tǒng)的電子商務(wù)公司如淘寶、亞馬遜、京東等都在IOS或者Android平臺上開發(fā)了自己的移動應(yīng)用。用戶只需要使用這些應(yīng)用就可以進行網(wǎng)上交易了。這些應(yīng)用程序一般具有移動性的特點，如移動交易支付，移動消息和移動訂票等。根據(jù)應(yīng)用面向的用戶群，可以將移動電子商務(wù)分成三類：金融、廣告和消費，但是目前移動電子商務(wù)需要面對許多的問題，諸如較低的網(wǎng)絡(luò)帶寬，較高的網(wǎng)絡(luò)延遲，異構(gòu)性的移動網(wǎng)絡(luò)，安全性等問題。因此，在移動電子商務(wù)上引入云計算的模式是一個比較好的解決方案。

　　c）移動社交網(wǎng)絡(luò)

　　隨著社交網(wǎng)絡(luò)的興起，在移動平臺上分享圖片和視頻文件也越來越成為一種趨勢。目前，國外的Facebook,Twitter,國內(nèi)的新浪微博和騰訊微博也都推出了相關(guān)的社交應(yīng)用軟件。以云計算的方式來支持這些移動社交網(wǎng)絡(luò)顯然具有很強的優(yōu)勢。目前，MeLog就已經(jīng)實現(xiàn)了在移動云平臺下導(dǎo)航、購物、微博、圖片等社交網(wǎng)絡(luò)的功能。

　　d）地理信息服務(wù)

　　地理信息服務(wù)是隨著智能終端和物聯(lián)網(wǎng)的普及而逐漸受到人們的關(guān)注。以移動云的方式向移動設(shè)備提供地理位置信息，道路選擇，面積測算等智能化的應(yīng)用服務(wù)具有很強的優(yōu)勢，對于優(yōu)化移動互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)提供了技術(shù)支持。對于該方面的研究還集中在路徑選擇，服務(wù)請求調(diào)度等問題上。

　　e）多媒體服務(wù)

　　在移動云計算模型中，資源服務(wù)在云端，移動終端設(shè)備通過無線的方式如3G、4G等方式接人到移動云中。但受限于終端設(shè)備有限的計算性能，不穩(wěn)定的延遲抖動，以及耗能方面的要求，注定了移動云計算中的多媒體服務(wù)的策略要做出一定的調(diào)整。文獻中就采用一種動態(tài)分割的框架來為終端提供數(shù)據(jù)流的應(yīng)用服務(wù)，該種方式具有更好的性能。

　　五、結(jié)語

　　本篇文章對于云計算技術(shù)的相關(guān)定義，體系結(jié)構(gòu)和商用的云計算體系結(jié)構(gòu)進行了簡單介紹。但與此同時云安全問題也要引起人們足夠的重視。隨著云計算技術(shù)的成熟，物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用普及，云計算的應(yīng)用前景也將會越來越廣闊。

來源：CIO時代網(wǎng)

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