玫瑰美食屋:云计算的概念及分类

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有人认为云计算是计算机发展的未来，是革命性的变化，所谓云计算就像水和电一样，打开开关或者拧开水龙头就可以了。但也有人对云计算嗤之以鼻，认为这是业界的概念炒作。究竟什么是云计算，它对我们又意味着什么？它在企业信息化建设中有什么样的重要地位？
 
本章将对其进行简要剖析，认清其庐山真面目。
 
1 云计算的由来
 
云计算这个概念其实并不像它的名字一样凭空出现的，而是IT产业发展到一定阶段的必然产物。在云计算概念诞生之前，很多公司就可以通过互联网发送诸多服务，比如订票、地图、搜索，以及其他硬件租赁业务，随着服务内容和用户规模的不断增加，对于服务的可靠性、可用性的要求急剧增加，这种需求变化通过集群等方式很难满足要求，于是通过在各地建设数据中心来达成。对于像Google和Amazon这样有实力的大公司来说，有能力建设分散于全球各地的数据中心来满足各自业务发展的需求，并且有富余的可用资源，于是Google、Amazon等就可以将自己的基础设施能力作为服务提供给相关的用户，这就是云计算的由来。在云计算的概念诞生后，从IBM、Google、Amazon到Dell、微软等，这些公司都在不遗余力地推进云计算的发展，并且都从各自的角度诠释着云计算以及相关的应用。
 
早在20世纪60年代麦卡锡（John McCarthy）就提出了把计算能力作为一种像水和电一样的公共事业提供给用户。云计算的第一个里程碑是1999年Salesforce.com提出的通过一个网站向企业提供企业级的应用的概念；另一个重要进展是2002年亚马逊（Amazon）提供一组包括存储空间、计算能力甚至人力智能等资源服务的Web Service；2005年亚马逊又提出了弹性计算云（Elastic Compute Cloud），也称亚马逊EC2的Web Service，允许小企业和私人租用亚马逊的计算机来运行它们自己的应用。到2008年，几乎所有的主流IT厂商开始谈论云计算，这里既包括硬件厂商（IBM、HP、Intel、思科、SUN等）、软件厂商（微软、Oracle、VMware等），也包括互联网服务提供商（Google、亚马逊、Salesforce等）和电信运营商（中国移动、中国电信、AT&T等），当然还有一些小的IT企业也将云计算作为企业发展战略。这些企业覆盖了整个IT产业链，也构成了完整的云计算生态系统。
 
云计算（Cloud Computing）是一种新兴的商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算及构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和各种软件服务。之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。之所以称为“云”，还因为云计算的鼻祖之一亚马逊公司将曾经大家称作网格计算的东西取了一个新名称“弹性计算云”（EC2），并取得了商业上的成功。云计算被视为“革命性的计算模型”，因为它使得超级计算能力通过互联网自由流通成为可能。
 
2 云计算定义
 
虽然云计算这一概念炒得火热，但业界对其定义却千差万别，各不相同。一方面说明了大家对这一概念理解存在差异，更重要的是所有人都从自身角度出发来定义云计算。我们在剖析各种云计算定义的基础上，给出一个更为中立的云计算定义，以更加客观、全面的来描述云计算研究的内容、范畴和重要意义。
 
维基百科（Wikipedia.com）认为云计算是一种基于互联网的计算新方式，通过互联网上异构、自治的服务为个人和企业用户提供按需即取的计算。云计算的资源是动态易扩展而且虚拟化的，通过互联网提供，终端用户不需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制，只关注自己真正需要什么样的资源以及如何通过网络来得到相应的服务。
 
美国加州大学伯克利分校最近发表了一篇关于云计算的报告，该报告认为云计算既指在互联网上以服务形式提供的的应用，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（Business Week.com）的文章指出，Google的云就是由网络连接起来的几十万甚至上百万台廉价计算机，这些大规模的计算机集群每天都处理着来自于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道，从Amazon的角度看，云计算就是在一个大规模的系统环境中，不同的系统之间互相提供服务，软件就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了云。
 
IBM认为，云计算是一种计算风格，其基础使用公有或私有网络实现服务、软件及处理能力的交付。云计算也是一种实现基础设施共享的方式，云计算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。
 
Google的云计算概念接近于一种应用云。因为对Google公司来说，由于其最大的业务为搜索引擎，其做云计算的目的最早就是为了优化其搜索引擎的性能，在发展了其基础设施规模之后，希望将其作为服务提供给用户使用，只不过它在上面加载了很多服务，包括文字处理、地图、图片处理等。
 
我们认为云计算是一种IT资源的交付和使用模式，只通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件及服务等），提供资源的网络被称为“云”。
 
为方便理解以上云计算的思想，可从图2-2的类比来进行阐述和表达。“服务器群”类似于“发电机”提供“电力”资源；虚拟技术类似于“变压装置”使电压成倍增加或降低，从而实现弹性计算；资源调度器类似于“整流装置”，可以整合各个“发电站”的电力进行集中供电；服务管理器传送运服务；安全监控系统类似于“保险装置”，可以保证传输过来的“电”安全可靠，不会由于异常情况（如短路）损害家电和人身安全；云电脑、云手机等终端设备类似于加点，可以通过它们获取“电”（云资源）。
 
“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。目前看来，云计算主要包括：基础设施即服务（IaaS）、数据存储即服务（DaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）、“云安全”和虚拟化应用等内容。云计算的定义中有4个关键要素。
 
（1）硬件、平台、软件和服务都是资源，通过互联网以服务的方式提供给用户，在云计算中，资源已经不限定在诸如处理器、网络带宽等物理范畴，而是扩展到了软件平台、Web服务和应用程序的软件范畴。传统模式下自给自足的IT运用模式在云计算中已经改变成为分工专业、协同配合的运用模式。对于企业和机构而言，他们不需要规划属于自己的数据中心，也不需要将尽力耗费在与自己主管业务无关的IT管理上。对于个人用户而言，也不需要一次性投入大量费用购买软件，因为云中的服务已提供了他所需要的功能。
 
（2）这些资源都可以根据需要进行动态扩展和配置。云计算可以根据访问用户的多少，增减相应的IT资源（包括CPU、存储、带宽和中间件应用等），使得IT资源的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模变化的需要。云计算模式具有极大的灵活性，足以适应各个开发与部署阶段的各种类型和规模的应用程序，提供者可以根据用户的需要及时部署资源，最终用户也可按需选择。
 
（3）这些资源在物理上一份不是的共享方式存在，但最终在逻辑上一旦以整体的形式呈现，对于分布式的理解有两个方面。一方面，计算密集型应用需要并行计算来实现，此类的分布式系统往往是在同一个数据中心中实现，虽然有较大的规模，有几千甚至上万台计算机组成。例如，一款商业应用的服务器可以设在与北京的金融街，但是它的数据备份却又位于成都的的数据中心完成。
 
（4）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。即付即用的方式已广泛应用于存储和网络带宽中（计费单位为字节）。虚拟程度的不同导致了计算能力的差异。例如，Google的App Engine按照增加或减少负载来达到其可伸缩性，而其用户按照使用CPU的周期来付费；亚马逊的AWS则是按照用户所占用的虚拟机节点的时间来进行付费（一小时为单位），根据用户指定的策略，系统可以根据负债情况进行快速扩张或者缩减，从而保证用户只使用他所需要的资源，达到为用户省钱的目的。
 
3 对云计算的理解
 
3.1 为什么需要云计算
 
任何新的技术和新的概念，都是两种因素驱动的结果：需求拉动和技术推动。业务需求的拉动，希望解决业务应用的问题，云计算本质上是希望解决资源利用率、计算能力不足和成本的问题。技术发展的推动，使得云计算具备了技术上的可行性，技术的发展推动了IT创新的商业价值。云计算的出现也有其必然性。
 
3.2 推动云计算的产业力量
 
1、云计算首先是产业界的商业利益推动的结果
 
目前云计算的解决方案都反映了不同的商业诉求，包括互联网公司，如Google、Yahoo、Amazon等，以及基础架构提供商，如IBM何Microsoft等。
 
分析最早出现的云计算--Amazon的弹性计算EC2对理解云计算的来历非常有意义。弹性计算云采用VPS/VDS技术，使用虚拟软件（XEN），将一台实体机器虚拟成多个实例出租；当遇到大流量偶发事件时，多增加实例即可，也可以根据规律，譬如每天的繁忙时段租用多个实例等方式；他们不销售物理的部署平台（因为他们不是硬件设备生产商），而是以实力租用的方式对外提供服务，除了实力租用服务之外，另外提供简单队列服务和简单存储服务，所有服务都按需付费，例如，10美分每小时的价格可以租用到一个如下配置的实例：1.7GB的内存，1个EC2的计算单元、160GB的虚拟存储容量。
 
这种商业模式本质上是源于互联网高潮期建设的庞大计算资源的过剩，最初动机是过剩计算能力的输出。因为许多的互联网公司在20世纪90年代末期、21世纪初那段互联网泡沫期购买了大量的计算机服务器和存储设备、网络设备等。互联网高潮之后，留下来的计算资源相对于他们现有的业务就是大大过剩了。变卖设备是不现实的，计算机产品的贬值和折旧速度是相当惊人的，几乎不值什么钱了。于是，出租就是最好的出路。受到SaaS的启发，他们发明了一种新的业务类型叫做IaaS。这就是最初的云计算概念，显然这是商业推动的结果，没有太多技术上的创新。
 
伺候，Google和Yahoo、Apache等互联网企业，利用其庞大的计算资源和强大的软件研发和软件产品服务能力，期望以一种不对称的竞争优势来彻底颠覆软、硬件霸主IBM和软件巨头微软等现存帝国。他们的武器就是SaaS加上IaaS，外加他们强大的软件平台和解决方案，如Google的分布式文件系统GFS，资料库BigTable以及Google搜索引擎，Gmail、Google Reader等。他们的云计算本质上是一种复核的计算资源虚拟化运营，提供不依赖于Windows桌面和后台强大的IBM数据库、中间件以及SAP ERP等IT“强权”的解决方案。目前，他们是云计算的始作俑者，也是话语权的主导方。
 
当然，传统巨头们也不会坐以待毙。显然，云计算有其市场需求的基础，消灭它，显然不大可能。因此，在云计算的话语权和市场争夺中，出现了IBM和微软等传统霸主。
 
微软迅速推出了Windows Azure操作系统，对外提供Live Mesh网络服务，目标是互联网作为个人的数据中心，更换计算机将不会对用户带来影响。微软强调“云+端”解决方案，所谓短期是就是Windows桌面，很明显，微软的云计算策略是希望确保并强化其Windows及其系列桌面软件在云计算时代的优势。谷歌那种只需要浏览器就能使用计算机网络完成计算任务的云计算，对微软来说那就是真正的“革命”。
 
云计算这种东西对IBM来说是左右逢源。无论是Google还是Yahoo，不管哪片云，都需要在云上建设强大的计算能力和存储能力，这是必不可少的。在目前，还有谁可以在计算能力上与IBM争雄呢！曾经一度担心，随着互联网和PC普及和计算分散化，IBM巨无霸的大型主机将会失去市场。云计算的概念就是计算资源的集中化，大型主机真是又有枯木逢春之感啊。当然，IBM还是企业计算市场的霸主，为了将这块大市场也拉入云计算大家庭。“私有云”应运而生。IBM蓝云解决方案提供整体云计算平台，包括软硬件资源，配合Tivoli管理软件，用于企业数据中心的建设，强调私有云的解决方案，很明显这也强化了IBM所拥有的DB2数据库、Websphere中间件、硬件等平台的优势。因此，云计算的繁荣对IBM来说是非常有利的，况且这些技术本身来自于网格计算和效用计算，这些都是IBM以前就鼓吹的东西，只不过不是那么火而已。
 
2、需求拉动
 
问题来自于传统的IT架构，其资源利用率低，管理和维护成本高。需求就是传统IT架构的利用率需要提升。目前的IT运营关键指标显示，IT资产的利用率是很低的。计算的虚拟化正好是解决这个IT需求的最佳技术。
 
现在这个阶段，一般中小企业如果要建设IT系统，增加的一个选项就是SaaS。有不少SaaS运营商提供ERP、CRM、OA等各种各样的应用系统，只要开通互联网，就可以解决业务问题。但这种应用提供方式有两个方面的问题：解决方案的完整性，个性化的业务流程的适应性。因此，到目前为止SaaS还只能作为小企业的选择，中心企业只能作为信息化的一个补充，大中型企业基本上还是需要建立自己的信息基础设施和应用系统。
 
企业建立IT系统的基础设施，一般是应用软件安装在特定的服务器上，操作系统和硬件资源都是在安装时配置好的，如运行在什么操作系统上，服务的CPU数量和主频，内存大小和分配的硬盘存储空间都是专用的。因此，企业会根据各种应用系统的软件需求，配置电子邮件、文件打印、门户网站、ERP、CRM等各种不同的服务器，如图2-3所示。
 
由于应用与计算资源的紧耦合问题，我们配置服务器都基本上按照最大负荷时的峰值来配置服务器的资源容量。例如财务软件月底结账，需要的CPU和内存资源是最大的，如配置8CPU/16GB内存的服务器，但平时账户处理并更不需要那么大的处理能力，如只需要4CPU/8GB内存，但为了应付月底结账，账务软件服务器的配置必须按照月底的峰值来购买。限制的计算能力是非常庞大的。
 
IT运营的关键指标如表2-1所示。
 
如果我们具备动态分配资源的能力，就可以将平时的财务服务器的剩余计算资源分配给月初收费和开票的应用系统使用，而收费和开票在月底业务会急剧下降，这段时间计算资源正好可以满足财务月结的峰值需求，云计算的虚拟化正好是解决这个IT需求的最佳技术。
 
在第I章分析了后危机时期企业对IT建设的需求说明，而云计算的方式正是企业对IT所追求的理想模式。因此，云计算技术的不断演进和发展的结果也正是企业业务需求拉动的结果。
 
3、技术可行性
 
计算技术的发展，一直沿着增加计算能力的方向前进。早起，大型主机时代，通过多通道和并行技术，计算能力和资源被完全集中，支配大量“傻”或“哑”终端，可以实现大规模的计算能力。
 
随着网络技术和分布式计算技术的发展，网络终端很强大，通过网络资源的互联，形成信息交互的能力。
 
而云计算式主机技术与网络技术的结合，可以提供更强大的分布式网络计算能力。云计算是一种商业计算模型，计算可作为一种资源服务，根据需要而配置为智能终端提供服务。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和各种软件服务。
 
3.3 对云计算的理解
 
云计算是传统信息技术和通信技术（ICT）不断交融、需求和商业模式驱动与促进的结果。通过引入云计算平台，可以极大降低企业IT建设和运营维护成本，同时降低能源消耗，加快企业信息化建设的进程，满足企业在后危机时期对IT的需求。此外，云计算与互联网的结合也催生了信息服务产业商业模式的革命。
 
4 云计算的分类
 
云计算可以从两个方面来分类，一是从其架构的三层应用业务模式来分，二是从其三大部署方式来分。另外，美国国家标准与技术研究院重新定义了云的三中服务模式和四大配置方式，下面分别进行描述。
 
4.1公共、私有和混合云
 
下面介绍云的三大主要类型。
 
Ø        公共云是由第三方（供应商）提供的云服务。他们在公司防火墙之外，由云提供商完全承载和管理。公共云尝试为使用者提供无后顾之忧的IT元素。无论是软件、应用程序基础结构，还是物理接触结构，云提供商都负责安装、管理、供给和维护。客户只要为其使用的资源付费即可，根本不存在利用率低这一问题。但是，这要付出一些代价。这些服务通常根据“配置惯例”提供，即根据适应最常见使用的情形这一思想提供。如果资源有使用者直接控制，则配置选项一般是这些资源的一个较小子集。另一件需要记住的事情是，由于使用者几乎无法控制基础结构，需要严格的安全性和法规遵从性的流程并不总能很好的适合于公共云。
 
Ø        私有云是在企业内提供的运服务。这些云在公司放火墙之内，由企业管理。私有云可以提供公共云所提供的许多好处，一个主要不同点是企业负责设置和维护云。建立内部云的困难和成本优势后难以承担，且内部云的持续运营成本可能会超出使用公共云的成本。
 
私有云确实可提供超过公共云的优势。这构成云的各种资源的较细粒度控制可为公司提供所有的全部配置选项。此外，由于安全性和法规问题，当要执行的工作类型对公共云不适用时，用私有云比较合适。
 
Ø        混合云是公共云和私有云的混合。这些云一般由企业创建，而管理职责由企业和公共云提供商分担。混合云提供及在公共空间又在私有空间中的服务。当公司需要使用即时公共云又是私有云的服务时，选择混合云比较合适。从这个意义上说，公司可以列出服务目标和需要，然后对应地从公共云或私有云中获取。结构完好的混合云可以为安全、至关重要的流程（如接收客户支付）以及辅助业务流程（如员工工资单流程）提供服务。该云的主要缺陷是很难有效创建和管理此类解决方案，必须获取来自不同源的服务并且必须向源自单一位置那样进行供给，并且私有和公共组件之间的交互会使实施更加复杂。由于这是云计算中一个相对新颖的体系结构概念，因此有关此模式的最佳实践和工具将继续出现，但是在对其进行更多了解之前，一般都不太愿意采用此模型。
 
4.2 按服务分类
 
按服务类型分来，可以将云计算分为基础设施即服务、平台即服务、软件即服务三种类型，如图2-5.
 
（1）基础设施即服务：是网络上提供虚拟存储的一种服务方式，可以可以根据实际存储容量来支付费用。IaaS即把厂商的由多台服务器组成的“云端”基础设施作为计量服务提供给客户。它将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。这是一种托管型硬件方式，用户付费使用厂商的硬件设施。例如亚马逊的EC2、中国电信上海公司与EMC合作的“e云”等。
 
IaaS的优点是用户只需低成本硬件，按需租用相应计算能力和存储能力，大大降低了用户在硬件上的开销。
 
（2）平台即服务：把开发环境作为一种服务来提供。这是一种分布式平台服务，厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给用户，用户在其平台基础上定制开发自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他用户。PaaS能够给企业或个人提供研发的中间件平台。
 
Google App Engine、Salesforce的force.com平台、八百客的800APP是PaaS的代表产品。以Google App Engine为例，它是一个由Python应用服务器群、BigTable数据库及GFS组成的平台，为开发者提供一体化主机服务器及可自动升级的在线应用服务。用户编写应用程序并在Google的基础架构上运行就可以为互联网用户提供服务，Google提供应用运行及维护所需要的平台资源。
 
（3）软件即服务：SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上，用户根据需求通过互联网向厂商订购应用软件服务，服务提供商根据用户所定软件的数量、时间的长短等因素收费，并且通过浏览器向客户提供软件的模式。这种服务模式的优势是，由服务提供商维护和管理软件、提供软件运行的硬件设施，用户只需拥有能够接入互联网的终端，即可随时随地使用软件。这种模式下，客户不再像传统模式那样花费大量资金在硬件、软件、维护人员上，只需要支出一定的租赁服务费用，通过互联网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务，这是网络应用最具效益的运营模式。对于小型企业来说，SaaS是采用先进技术的最好途径。
 
以企业管理软件来说，SaaS模式的云计算ERP可以让客户根据并发用户数量，所用功能多少、数据存储容量、使用时间长短等因素的不同组合按需支付服务费用，既不用支付软件许可费用，也不需要支付采购服务器等硬件设备费用，也不需要支付购买操作系统、数据库等平台软件费用，也不用承担软件项目定制、开发、实施费用，也不需要承担IT维护部门开支费用，实际上云计算ERP正式继承了开源ERP免许可费用只收服务费用的最重要特征，是突出了服务的ERP产品。
 
目前Salesforce.com是提供这类服务最有名的公司，Google Doc、Google Apps和Zoho Office也属于这类服务。
 
4.3 云计算的三大模式和四大部署方式
 
美国国家标准与技术研究室（NIST）制订了一套广泛采用的术语用于描述云计算的各方面的内容。NIST针对“云”定义了三大支付模式，成为S-P-I模式。
 
²       软件即服务SaaS，即将整个商业应用作为一项服务来提供。
 
²       平台即服务PaaS，允许在云中进行快速应用开发。
 
²       基础设施即服务IaaS，即将简单操作系统OS和存储功能作为一项服务来提供。
 
NIST还提出了四种不同的云部署方式。
 
Ø        公共云：顾名思义，这种类型的云服务通常遍布整个因特网，能够服务于几乎不限数量的、拥有相同基础架构的客户。亚马逊、Rackspace、Salesforce.com、微软以及谷歌等公司推出的一些流行的公共云产品为用户提供了丰富多彩的IT服务和商业应用。
 
Ø        私有云：这种类型的云针对单个机构特别定制，例如一些金融机构或政府机构。一般来说，这类机构都会采用一些虚拟化操作系统和网络技术，因此能够降低使用服务器和网络设备的数量，或者至少能够使这些设备的管理更加清晰。
 
Ø        社区云：这类云专为一系列互不相连的、严格界定的机构而设立，提到这种云，我们想到供应链或是多个政府机构的联合体这类比较好的使用实例。
 
Ø        混合云：这种云表现为以上多种云配置的组合，数个云以某种方式整合在一起，为一些商业计划提供支持。有时用户可能需要用一套单独的证书访问多个晕，有时数据可能需要再多个云之间流动，或者某个私有云的应用可能需要临时使用公共云的资源（这种情况成为“云爆”）。
 
队许多制定云计算策略的企业而言，他们的注意力集中在公共云与私有云之间的比较上，这是一个比较合理的出发点。大型的机构已经慢慢建立了较为复杂的IT架构、系统和流程。这一“内部”网络为我们考虑使用私有云提供了一个平台，而外包的概念为我们讲各种系统移植到公共云提供了良好的环境。今天各种机构在公共云和私有云中作比较时，通常会考虑以下因素。
 
²       成本：哪种云现在比较省钱，哪种云长期看比较省钱？
 
Ø        安全性：同内部网络相比，公共云的安全性如何？对我的机构有何风险？
 
²       法规遵守：如果采用公共云的话，我是否能够证明自己遵守必要的法规？
 
Ø        管制：公共云供应商能够为我提供怎样的技术和商业实务方面的透明度？我是否拥有管理运服务供应商的工具？
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