云计算基本架构例1

1.引言

云基础架构作为云计算体系的基础，位于云计算系统的底层。云基础架构的良好运行对云计算系统有着至关重要的作用。

2.云计算基础架构

2.1 云基础架构的定义

目前，业界及学术界对云基础架构还没有一个统一的定义利标准。各IT运营商均根据自身的实际情况，以各自的理解定义和实现云计算基础架构的部署。

通过对现有云计算系统基础架构以及相关文献资料的分析研究，可以得出以下结论：云计算基础架构是指由硬件资源（PC服务器、磁盘阵列、路由器、交换机及相关配套设备）组成，通过虚拟化技术、分布式并行技术整合形成的用以直接对外提供存储、计算服务或作为基础设施为上层云计算应用提供存储、计算能力支撑的一种高效、可靠并且具有良好扩展性的底层分布式系统。

2.2 云基础架构的结构体系

目前云基础架构的体系结构还没有一个统一的定义及标准，业界各厂家均有自己的解决方案及实现方式，学术界也根据现有技术产品提出改进方案。IBM公司在其IBM Cloud Foundation Stuck基础架构云计算解决方案中把云基础架构分为4个层次：物力资源层、逻辑资源层、虚拟化管理平台层和云计算服务平台层。物力资源层主要提供云基础架构所需的服务器等硬件设施。逻辑资源层是指物理资源层与虚拟化的软硬结合，使资源能够拥有更好的扩展性、可分配性和可调度性。虚拟化平台层是对逻辑资源进行管理、调度的平台。云计算服务管理层则是云平台的门户，用户通过云计算服务管理层对虚拟化资源进行操作。苏州大学董昊晶、崔志明等通过研究VMware虚拟化相关技术产品，对VMware vSphere原有逻辑结构框架进行了实例验证，并用TCO计算器得到构建私有云的成本，数据显示在部署大量高性能服务器进行虚拟化的前提下具有比传统数据中心更低的成本优势。

通过对当前业界主流云基础架构系统的分析和对相关学术成果的研究，可以看出云基础架构的作用是通过将物理资源转化为虚拟资源池，实现对资源的监控、调度和管理以达到为上层应用和用户提供弹性的计算和存储资源的目的。由此本文将云基础架构分为图1所示的五个层次。

3.云基础架构的效能分析

3.1 云基础架构效能的定义

系统的效能是指对系统所具有能达到规定任务要求能力的度量。系统的效能不仅是其所具有的内在的执行任务的能力，而且是在系统的全寿命周期中围绕系统的一些活动所取得的效果，也称之为系统的效能。通过对复杂电子系统进行效能研究，可以量化系统标称能力与实际能力的匹配程度。通过研究系统效能可以对系统的运行进行科学的预测，并对系统进行有效的维护和改进。云基础架构作为一个庞大、复杂的电子信息系统，其效能对于整个云计算服务起着至关重要的作用。通过研究，本文对云基础架构效能加以概括既云基础架构效能是指在其运行周期内对云基础架构完成任务效果的度量。云基础架构作为一个大型的分布式系统，其效能并不能简单以完成任务数量的多少来衡量，其分布式的基本架构和良好的扩展性都使其能够完成数量庞大的任务。所以简单的以完成任务的多少来衡量其效能的方法有待改进。因此本文利用完成任务的效果作为衡量云基础架构效能的标准。

3.2 云基础架构效能的层次化分析

根据云计算的定义，云计算系统是在云基础架构之上，将置于其上层的应用以服务的形式提供给用户的系统。所以整个云计算系统运行的过程。也可以看作是云基础架构、云应用和用户三者间数据交互的过程。由此可得到云数据交互模型如图4所示。

由图3可知，用户端通过网络将所需请求发送至云应用端。云应用端根据用户请求，利用云基础架构的计算及存储能力对数据进行处理，最后将结果返回至用户端。通过云数据交互模型，可以得出云基础架构效能与云计算效能之间的关系。既云计算系统要想提供给用户良好的用户体验，其效能应该由云基础架构效能、云应用效能及网络效能共同组成。因此云基础架构效能不完全等同于云计算效能，它是云计算效能的重要组成部分之一。

通过上述分析可知云基础架构在整个云系统交互中所处的位置，由此可知云基础架构效能的具体表现形式在于对数据的处理上。因此本文根据云基础架构的体系结构图.1构造云基础架构的任务请求处理流程图，以此作为层次化分析云基础架构效能的理论基础。通过研究分析得云基础架构请求处理流程如图4。

根据上述描述，可以推出云基础架构效能是以各层次良好运行的共同结果来体现的，既云基础架构完成任务的效果是由云基础架构各层次的共同作用来体现的。因此研究各层次之间的运行参数指标及其之间的联系对研究云基础架构效能有着重要作用。

云计算与传统服务器运营模式上最大的区别在于云计算将交互过程中绝大部分的数据计算与存储工作都放到云中来处理，客户端几乎就是一个用于显示结果的显示器。因此在分析云基础架构效能上，不能再延续传统的分析服务器的方式方法。而是应该从云基础架构的入手，研究其效能问题。因此本文尝试基于功能节点和结构网络的云基础架构效能分析方法。

所谓功能节点是指具有特定功能的基础物理资源，如PC服务器、存储矩阵等。它作为构成云基础架构的基本物理单元，其效能对整个云基础架构效能有着重要影响。结构网络是指以控制软件为依托的由功能点相互连接而形成的云基础架构网络拓扑结构。结构面是一个抽象的概念，它依托在物理功能点之上，对功能点起着支配、调度的作用，因此研究结构面的效能问题对研究云基础架构效能同样起着重要的作用。通过上述思想，可以抽象出云基础架构的组成要素如表2。

通过抽象云基础架构的功能节点与结构网络，可以对云基础架构进行形式化描述：

CN—A=（FN—A1，…，FN—An）

CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）

CN—E=（FN—E1，…，FN—En）

CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）

CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）

3.3 云基础架构效能的研究参数指标

通过对相关材料的分析与研究，本文提出云基础架构效能指标体系如图5。

表3为各指标定义及表示符号。

通过云基础架构效能指标体系，可得云基础架构效能数学模型：

功能节点效能：EFN=f（PFN、TFN、BFN）结构网络效能：ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）

交互效能：EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T）

云基础架构效能：E=（EFN、ECN、EIF）

4.理论分析

通过上述指标体系，可以得出云基础架构效能的实质是不同结构网络之间数据交互过程。不同结构网络之间的数据交互又被参与交互的结构网络效能及交互信道效能所影响。不同的结构网络由相同属性的功能节点相互组成，所以结构网络的效能又受到结构网络效能的自身组织特性与同属节点的效能的影响。而功能节点的效能可由其功能特性所决定。因为通过一个数据交互过程不仅可以得到运算结果，还可以通过过程找出影响过程的因素。所以在研究云基础架构效能的过程中，研究整个云基础架构的数据交互过程，既研究功能节点效能，进而研究同属性结构网络效能，最后研究不同属性结构网络间数据交互效能，通过数据交互过程来研究云基础架构效能是可行的。本文通过构建云基础架构典型结构（如图6），分析验证从功能节点到结构网络的分析思路对云基础架构效能研究的可行性。

为计算方便，设所有服务器同构。图6（a）是一个典型的分布式云基础架构处理模型：上层向服务器A提出任务请求，服务器A（负责请求分析与控制分配）完成任务要涉及服务器B、C，服务器C要想完成任务要涉及服务器E、D。现假设有n个不同的任务请求同时发送至服务器A处，通过分析可以得到完成第n个任务所需时间为

，

其中表示C1的任服务器A完成第i个任务所需的时间。将图6（a）中所有服务器数量扩张至原数量的两倍得到图6（b）。在图6（b）中，相同功能服务节点间可形成同属性结构网络。同一时刻同时发出n个任务请求，其中有m个任务请求分配至服务器A1，n—m个任务请求分配至服务器A2，由推算可知第n个任务请求的应答时间为：

其中参数l、k是上层服务器A1、A2分配给服务器B1的任务请求，参数分别是服务器A1、A2发送给务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给D1的任务请求，参数分别是服务器C1、C2发送给E1的任务请求。由服务器A1、A2的总任务数是m+n—m=n可知m

同理可以推出

由此可知

5.结论

本文对云基础架构进行了定义和结构框架分析，定义了云基础架构效能。并从层次化的角度分析了云基础架构数据交互过程，利用基于功能节点和结构网络的云基础架构效能研究方法对云基础架构数据交互过程进行了形式化描述：CN—A=（FN—A1，…，FN—An）、CN—C=（FN—C1，…，FN—Cn）、CN—E=（FN—E1，…，FN—En）、CN—B=（FN—B1，…，FN—Bn）CCI=（CN—A，CN—C，CN—E，CN—B）。并在此基础上提出建立了云基础架构效能体系指标，构造了云基础架构效能数学模型：E=（EFN、ECN、EIF）其中（EFN=f（PFN、TFN、BFN）、ECN=h（EFN、ND、ASP、NMD、EC）、EIF=（IF、NBU、FQ、TLQ、IIF、T））。最后本文通过理论分析对研究方法进行了可行性分析。通过分析可知，基于功能节点与结构网络的云基础架构效能分析方法，能有正确地根据云计算的模式特点为云基础架构效能的研究提供方向。

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作者简介：

冯昊（1987—），男，仡佬族，贵州贵阳人，武警工程大学硕士研究生在读，主要研究方向：通信安全、计算机网络、云计算。

云计算基本架构例2

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云计算基本架构例3

中图分类号：TP371.11

互联网的快速发展使人们的生活更加便利，传统门户网已经无法满足人们的需求，而对高业务量的互联网服务需求与日俱增。随着计算机存储信息及硬件设备、数据库建设及维护等方面的相对成本逐渐上升，利用新的平台及调度机制以进行高效的数据处理显得尤为重要。近多年来，云计算成为国际上业界学者进行相关研究的热潮，是信息产业较大的一项创新。云计算是基于互联网的一种动态的能够伸缩虚拟化的新型计算模式，为用户提供了包括计算能力、存储能力、交互能力等多种计算资源的服务。云计算不同于传统方式下采用桌面计算资源的模式，其新型的资源管理模式使计算资源成为提供大众服务的一项社会基础设施。随着云计算的不断发展和深入，更多的应用逐步迁移到云计算。不过，云计算在发展过程中也存在着一些非常关键的问题，最突出的莫过于数据的安全性问题，这也是限制云计算发展的首要因素。只有对云计算所存在的众多问题进行全面正确的分析，才能够使其在众多组织、企业中被普遍的应用，将自身的数据资源安心的存放到云计算所提供的服务中以便进行企业的管理。因此，提出一种能够安全可靠的进行数据访问的方案对用户来说至关重要。

1 云计算的基本概念

云计算逐渐的被大众认可，其概念与相关技术也被普遍的提及并得到大量的研究，但是并没有出台世界范围内认可的标准。根据我国云计算网所给出的定义，云计算在分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）及网格计算（Grid Comouting）的基础上发展而来，是较为新型的一种商业性计算模型。云计算的基本特性有分布式计算、存储特性、较高的扩展性以及良好的管理等。该技术的特征：云计算系统提供服务的实现机制是透明的，不需要用户作具体的了解便可方便的获取所需服务；云计算系统利用软件即数据冗余及分布式存储的方式降低系统的出错率，确保数据可靠；云计算具有海量存储及高效的计算性能而为用户提供更好的服务，具有较高的可用性；云计算系统采用高层次的编程模型方便用户根据自身的数据特点编写满足自身需求的云计算程序；服务多样且具有良好的经济性。

2 基于云计算平台的软件架构

2.1 云计算的软件架构层

通过对现有的关于云计算产品及其系统架构的分析和总结，可以将云计算的架构分为三层，它们分别是核心服务层、服务管理层和用户访问接口层。核心服务层作为架构层的主体，其主要作用是将系统的硬件基础设施、软件运行环境及应用程序整合成面向用户的，具有高可靠性、多样化及适应能力强的应用服务。而服务管理层则主要是对核心服务层的活动进行管理和控制，以确保其始终安全稳定的提供面向用户的服务。用户访问接口层的作用是为用户端与云系统之间提供访问和交流的通道。

2.1.1 核心服务层

一般来说，云计算的核心服务层又可以分为3个子层：基础设施即服务层（IaaS）、平台即服务层（PaaS）和软件即服务层（SaaS）。其中IaaS主要是为用户按需提供实体或虚拟的计算、存储和网络资源等基础设施部署服务。在这个过程中，用户需要向供应商提供相关的配置信息及个人数据。而PaaS是为云计算应用程序部署及其管理提供服务。通过基于该层的软件工具和开发语言，软件开发者可以绕过底层网络、系统和存储的限制，很方便的使用云计算平台进行软件架构。SaaS是一种基于云计算基础平台所开发的应用程序。对于企业来说，通过该层可以建立自己的电子邮件服务系统。而对于普通用户来说，SaaS可以实现对云系统应用程序的泛在访问。

2.1.2 服务管理层

服务管理层主要是面向核心服务层，它能为核心服务层的安全稳定及可靠运行提供保障。其服务内容包括服务质量保障和安全管理等。由于云计算系统结构庞大、服务繁杂，用户很难直接找到自己所需的资源。因此，通过服务质量保障协议，云计算服务提供商就能根据用户的具体需求，提供相应的服务，保障其面向每一个用户的服务质量。而用户在获取云数据和云服务时，确保信息交流的安全性是非常重要的。通过安全管理协议，可以对云系统采取数据隔离、隐私保护和访问控制等安全保护措施，确保核心服务层的安全稳定运行。

2.1.3 用户访问接口层

用户访问接口层能够实现用户对云系统程序的泛在访问。其表现形式一般包括命令行、Web服务和Web门户等。其中命令行和Web服务作为一种直接的访问云系统的工具，能够实现多种服务方式的组合。而Web门户则是将用户端与云系统连接起来的通道和平台。通过它，用户可以将本地的应用程序转移到云系统中。这样用户只要能连接到云系统服务器，就可以随时随地的访问其本地的数据和程序。这显然可以极大的释放本地服务器的压力，提高用户的办公效率。

2.2 云计算软件架构关键技术

云计算是以数据为中心的一种数据密集型的超级计算方式。在数据的存储、管理及编程模式方面都采用特有的多种先进技术，其中主要的关键性技术包括海量数据存储与处理、编程模型及虚拟化技术。

2.2.1 海量数据存储与处理技术

云计算系统以数据冗余和分布式方式进行大数据集的分析、处理以保证高可用性和经济性。为及时满足海量用户的不同需求，并行提供各种服务，云计算所采用的数据存储技术必然具备高传输率、高吞吐率的能力。未来的发展方向会集中于高效的数据定位及超大规模的数据存储、加密、安全可靠性和持续提高I/O速率等方面。

2.2.2 编程模型

为了让用户可以利用编程模型根据自身需要编写简单的程序而更加轻松的获得云计算带来的服务，所采用的编程模型须非常简单。同时要保证后台的并行执行及任务调度对用户及编程人员的透明化。改进现有的编程模式以便程序员可以方便的进行紧耦合程序的编写，实现运行过程中的高效调度和任务的执行，是将来MapReduce发展的主要方向。

2.2.3 虚拟化技术

虚拟化的实质是将整合之后的资源用和物理量没有关联的方式进行调用，是一种由物理资源转变为服务形态的过程。虚拟化的应用使硬件的容量增大同时使软件的管理维护过程得到简化，提高了资源的灵活性和使用率，实现了物理资源的复用，是未来实现资源的自动协调和配置的基础。虚拟化技术把操作系统和物理硬件相隔离，允许多个操作系统不相同的虚拟机在一个物理机上独立运行。不管所采用的物理硬件是否相同，操作系统均把它们看作是一致的标准化硬件。

2.3 云计算的软件架构应用

软件系统框架有架构元件、联结器及任务流三个元素，为提高软件的安全可靠性及扩展能力需要对软件架构进行设计。三层架构设计是软件框架设计的一种重要结构，它将系统在应用逻辑上分成数据服务层、业务逻辑层及表示层。表示层主要用于用户与系统的交互，通常指的是系统的操作界面。业务逻辑层的功能是数据的格式及其是否有效进行验证，用户的合法性验证等以保证系统能够健壮的运行。数据服务层专用于数据库的交互并执行数据的修改、增删、显示等操作。目前的软件系统大都采用基于C/S技术的三层架构，数据的存储一般采用DBMS或者XML文档的方式易使服务器发生不可修复的错误后产生数据丢失的可能。

软件的设计开发随着云计算技术的迅猛发展而面临挑战，三层架构模式能够完全迁移至云计算中的SaaS服务模式中。不过SaaS服务模式也存在一些较为突出的问题，包括与云计算服务供应商之间的信任，以及软件对云计算服务过于依赖的问题。此外，在云计算服务正常时，网络状况也会对软件的使用产生影响。基于云计算技术目前的发展情况，为降低软件对云计算和网络性能的依赖程度，下面提出一种较为可行的基于云计算平台的软件架构模式

与传统的三层架构模式相比，基于云计算平台的软件架构在表示层及业务逻辑层并不发生变化，只是在数据服务层提供包括本地数据及云数据的两种数据服务。本地数据服务不需安装DBMS软件而只采用XML文档存储数据，从而使服务器的性能得到提升。不论是选择本地服务器的XML文档或是云计算服务中的数据服务，软件均能够一次读取数据到内存中，在完成数据处理以后再把数据处理结果传回数据服务并长久储存，有效的提高了系统的工作效率。

基于云计算平台的软件架构新增了同步服务层，它不仅使本地服务器XML文档与云计算服务中的数据实现同步，也能够监测数据服务的运行状态。在软件系统将数据信息一次读入内存之后，用户在内存中进行各种数据操作。数据同步服务可以利用时间控件在用户不使用软件系统的时间终止业务逻辑层的相关服务，同时把放入内存的数据更新到本地服务器的XML文档及云计算服务中，完成同步操作以后就可以重新进行业务逻辑层的服务，提高了网络宽带的使用率。同步服务监测软件可以保证在发现数据服务问题后立刻启动新的数据服务，使其不再依赖云计算。

在基于云计算平台的软件架构中，系统中的数据同时备份在本地服务器的XML文档及云计算服务中的数据服务中。即使出现云计算服务障碍，软件依旧保存相对应的数据备份。在本地服务器发生故障而导致数据的丢失时，云计算服务保留数据备份，从而使软件系统中的数据具有双重备份而得到保障。此外，这种软件架构模式具有不产生孤岛信息、不需涉及数据迁移等优点。

从软件架构的数据流图中能够看到本地数据及云数据是通过数据缓存实现同步的。在用户需要获取系统中的数据信息时，会把被访问的数据表存入到缓存区域以方便用户能够进行再次访问。用户进行数据的再次访问时不需反复的读取数据库而只是从内存中对系统的数据进行操作。这样就在很大程度上缩短了系统响应的时间，从而有效的提升了运行的效率。

3 结束语

上述基于云计算平台的软件架构模型提高了云计算条件下数据的安全可靠性。随着云计算的广泛应用，为提高系统的运行效率，系统架构的升级有待进一步的研究。

参考文献：

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云计算基本架构例4

DOIDOI：10.11907/rjdk.162256

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011009103

0 引言

当前，我国教育信息化整体推进已步入全面发展阶段。基于教育信息技术、网络多媒体技术、人工智能技术等构建的网络教育系统成为教育信息化服务的重要平台[13]。云计算因能够提供海量数据存储和方便快捷的网络服务而逐渐应用于教育领域，在云计算环境下实现网络学习资源的全面共享，能够有效避免重复建设，对推进教育信息化发展具有现实意义[45]。如何将云计算技术和云服务更好地用于网络学习平台建设，对提高信息化环境下的教育服务质量，促进网络学习资源有效共享具有非常重要的现实意义。探讨基于云计算的多媒体网络学习平台系统架构，可为推进云计算技术在教育信息化中的应用提供参考。

1 网络学习与云计算

网络学习也称在线学习，是通过在网络教育平台，利用网络资源进行学习的一种全新学习方式。与传统学习方式相比，网络学习打破了传统教学时空的局限，能够满足学习者随时随地学习的需求。网络教学平台作为连接学习资源和学习者的载体，有效整合了教学资源，学习者通过学习平台能够不受时间、地点的限制，自主控制学习进度，实现更加个性化的学习。然而，目前我国网络学习平台建设资源分布不均匀、共享程度较低、网络计算方式较落后[610]。

云计算是并行计算、分布式计算、网络存储、虚拟化、负载均衡、热备份冗余等传统计算机技术和网络技术融合发展的一种新型计算模型，面对的是超大规模的分布式环境，核心是提供数据存储和网络服务[11]。云计算的出现为我国网络学习平台建设提供了理论基础和技术解决途径。

不同于传统网络学习系统开发，云计算网络学习平台更重要的是如何基于云计算的基础架构来构建系统，使得系统能够充分利用云计算技术的优势，提供更为全面、实用、高效的服务[1213]。基于云计算的网络学习平台应该满足以下几点需求：①充分利用网络计算资源，降低系统建设成本；②充分利用网络教学资源，使学习者能够了解更多课程相关知识；③充分利用学习者在学习过程中产生的学习轨迹大数据，通过数据挖掘分析平台用户习惯，为其提供更精准有效的学习建议。

2 总体目标与需求分析

已有关于云计算学习平台的研究主要关注云计算技术的基本情况和学习平台的结构设计，忽视了平台建设的需求分析[1415]。而需求分析是应用软件开发的前提，是一切应用研究的基础。

基于云计算的网络学习平台的核心服务是提供网络学习。基于管理工程的研究思想，学习平台设计和管理的核心目标可以用6个 R表示：即将正确的学习资源（Right Resource），在正确的时间（Right Time），按照正确的数量（Right Quantity）、正确的质量（Right Quality）、正确的状态（Right Status），送给准确的目标用户（Right Learner）。同时，出于成本考虑，还应当综合管控整个学习过程在时间、人力、物力、财力等多方面的综合花费。

在此核心目标的基础上，按照“信息通透、交流方便，功能务实、系统健壮、应用灵活、结构开放”的基本原则，设计系统功能目标如下：①提供更加丰富的学习内容，使学习者实现网络自主学习；②有机组合多种功能模块，实现教师导学、学生自主学习、在线练习测试以及多人交互；③整合各门课程所需的课程内容，提供教案、知识点、练习题库、测试题库、辅助软件等多种资源；④系统框架清晰，操作界面友好，符合教育学习理论的认知习惯；⑤注重安全，根据云计算平台数据安全需求，从云计算各层全面考虑安全预防和管控措施，增强平台整体安全性。

3 基于云计算的在线学习平台架构

3.1 基于分层思路的云计算应用平台的架构模型

一个网络应用平台通常包含3个部分：①核心基础。指在计算机上运行的平台软件和支撑功能，如操作系统、存储资源、标准库等；②基础设施服务。指由其它计算机提供的基本服务，如远程存储服务、集成服务等；③应用服务。指封装后的面向服务化的应用，这些应用提供的功能可为新的应用使用。

基于云计算的平台是一种更为高级的网络应用平台，其本质是通过网络提供服务，因此其体系结构以服务为核心。基于分层思路可以将云计算应用平台架构模型分为4层，其中横向三层，分别为应用层、平台层和资源层，据此可以提供非常丰富的云计算能力和友好的用户界面；纵向一层，为管理层，用来实现对横向三层的管理和维护，具体如图1所示。

资源层将分布式系统中分散的资源进行汇聚。平台层首先将资源层的资源封装成通信、存储和计算能力，提供资源描述、分配和调度功能，然后将封装好的资源能力以服务形式展现，提供面向服务和能力的管理和调度功能。应用层由基于平台层提供的系统能力所实现的诸多业务逻辑模块构成，这些模块通过定义好的接口对外提供服务，模块之间的交互通信则通过管理层的各种服务管理功能来完成。

图1系统架构能够充分发挥云计算技术在面向大规模数据的分布式系统资源汇聚、资源管理和资源调度上的优势，提供高性能、可延展的分布式通信、存储和计算能力。并且因为融合了SOA理念，在系统范围内能够提供数据统一支撑，支持服务的安全管理、生命周期管理、交互管理、可靠性管理和可用性管理，实现系统范围内的架构松耦合。

3.2 基于云计算的多媒体网络学习平台的架构模型

根据基于分层思路的云计算应用平台架构模型，结合云计算在线学习平台建设的总体需求分析，提出如图2所示总体结构。

学习是平台最主要的服务，所有应用都是围绕支撑学习来提供的。用户终端包括用户和客户端，是整个云计算系统的消费者。应用层、管理层、平台层和基础设施资源层是整个云计算体系的支撑和服务提供者。各种支持学习的应用都是该平台中的一个应用业务，围绕使业务应用具有良好的适应性来构建应用层、平台层、资源层和管理层。通过实现云计算的分层式架构，更好地反映学习业务应用的基本元素和功能构成，从而满足以功能为目标导向的学习平台应用开发需求。

在此总体结构的基础上，进一步结合基于分层式架构设计思路的云计算应用平台架构模型，按照以学习应用为中心，以功能为目标的建设思路构建体系架构，将分层的思路从单一业务应用的架构中延伸到系统范围，将整个信息系统按照分层的思路统一规划设计，得到如图3所示的系统架构。

以上基于云计算平台的多媒体学习平台贯彻了系统架构设计分层的思路，在逻辑上将系统分为：

（1） 平台层。包括分布式数据总线（通信能力）、分布式统一存储系统（存储能力）、分布式工作流程和调度引擎（计算能力和资源调度），统一数据管理和访问，统一服务管理框架，统一服务交付框架，自动化运维管理系统。

（2）资源层。学习平台资源层由虚拟化和实体化的分布式服务器集群和存储设备构成。

（3）应用层。学习平台应用由运行在平台层之上的服务化软件模块构成。软件模块的服务管理和交付都通过平台层提供的服务交付模块实现。如此设计的分层框架能够封装资源抽取和能力，根据上层业务应用需求，方便灵活地动态调整系统中各个支撑模块的组织模式，从而适应学习活动中复杂的学习科目和学科支撑工具对技术上的需求。

该体系架构设计符合以数据流为中心的数据驱动架构理论，在功能构架上将整个系统划分为数据采集、数据存储、数据处理和数据交付等4个关键功能模块。映射平台中数据流动的基本流程，通过分布式数据总线联接各功能模块，实现高效可靠的数据交换，系统整体数据流向清晰，数据交换模式和接口明确。因此，可以有效地控制分布在网络上的众多组件之间的数据流向和顺序，使得即使在网络稳定性不佳的情况下，仍然能够保证数据通道畅通、数据交换安全可靠。实现高速、可信、易于扩展和管理的数据交换、传输和存储，满足基于云计算的网络学习平台对实时数据同步、海量数据集中存储、海量数据统一访问的要求。此外，它还具备高效的基于策略的资源调度和管理机制，能够实现资源的自动部署和灵活调度，从而大幅提升学习服务的执行效率和可靠性。

4 结语

随着云计算模式的逐渐发展和普及，学校、 教育机构和个人的信息处理逐渐迁移到“云”上，研究基于云计算的网络学习平台关键技术势在必行。本文深入研究基于云计算的多媒体网络学习平台的系统架构，基于分层思路和模块化思想提出了一种符合数据驱动架构理论的系

统架构设想。基于云计算平台的网络学习系统架构能够根据业务应用的需求和服务场景，快速作出调整，适应需求和环境，从而使网络信息系统资源利用最大化。通过平台建设，可以使未来的在线学习系统及时收集和分析各区域及各子系统的相关数据，实现在全系统范围内实时监控、动态调整、智能决策的高效信息网络，为网络教育领域的信息共享、信息协作和交互学习提供新的环境和模式。

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云计算基本架构例5

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）23-0037-03

Cloud Computing Security： Architecture， Mechanism and Modeling

XU Jie

（Department of Computer Science and Technology， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： With the wide use of cloud computing services， tenants require higher and higher security assurance. The characteristics of cloud computing are dynamics， randomness， complexity and openness， which make the original security solutions difficult to be applied to the cloud environment， so this is a big obstacle to the development of cloud computing. We analyze the features and security challenges of cloud computing， and do a survey on security architecture， mechanism and model. In this paper， we show that the security architecture of cloud computing needs not only the security of many kinds of trusted services， but also the security evaluation of the management and can be controlled.

Key words： cloud computing； security architecture； security mechanism； security modeling

1 概述

继个人计算机、互联网变革之后，2010年，我们迎来了以云计算为代表的第三次IT浪潮。云计算技术的出现能够很大程度的改变传统的管理模式，对于企业来说可以不需要购置大量的计算机的基础设施和软件，可以直接将这些设施和软件的工作需要提供给云计算的供应商进行处理。通过这种管理模式，企业不再需要购置服务器来增加信息化建设的存储空间，只需要按照云计算的要求来选择适当的服务，可以有效地降低企业的运营的成本，更好地为企业服务。本文研究的目的就在于更加详细、明白地了解云计算对于中小企业的作用以及云计算实施当中的一些不足。

越来越多云及云计算用户的数量增加，用户的需求与云计算服务供给之间的矛盾日益加剧，如何最大限度减少安全威胁并提供安全的云环境仍然缺少完善的方案，同时提供商根据使用者所在组织的安全要求强制实施一定的安全机制成为必然。尽管云计算带来了灵活性、可扩展性和敏捷性等诸多好处，但安全性依然是使用者在采用云时所担心的关键因素之一。为了深入全面的探讨云计算，本文分析了云计算安全的架构、机制及相应的模型。

本文第2节介绍云计算对应服务的相关特点，当前面临的安全挑战，并给出了相应的云计算框架；第3节重点从可管、可控、可度量的角度分析云计算架构；第4节对目前的云计算安全机制进行说明；第5节对云计算安全的度量指标进行阐述；第6节总结云计算安全并给出进一步研究方向。

2 云计算的安全概述

2.1 云计算的服务模式

随着对云计算相关技术和应用的深入理解，用户也逐步理性。首先对云计算的概念和价值已经充分理解，并能够与自身的应用、短期和中长期规划、IT环境相结合，分步骤、分阶段的部署和使用云计算进行应用系统的整合、优化、其次在选择方案、产品和服务的时候，需求和目标更清晰，更多的是从自身实际出发。通过调用云基础设置的开放接口，用户获得计算、网络、存储能力，并能自由灵活按需选择。中小企业为了减少运营成本，提高运行效率，采用这样的模式是最好的途径，企业无需购买、构建和维护基础设施和应用程序。平台云可以被视为用户的一个托管平台，用户将他们自己的应用托管到云平台上交给云提供商管理维护。如图1所示，云服务模型知道了提供商向使用者提供的服务及功能，NIST在SP 800-145中将云服务产品划分为基础架构即服务（IAAS）、平台即服务（PAAS）、软件即服务（SAAS）。基础架构即服务为使用者提供部署其操作系统、应用程序和数据所需的技术架构资源；平台即服务为使用者提供应用程序需要的开发平台及其所需的计算资源，支持达赖操作系统、应用程序的开发工具和部署工具；软件即服务提使用者需要的软件，并确保提供的软件经过全面测试，并且能根据使用者需求开发新特性和功能。目前更多的中小企业更愿意尝试IAAS，以此降低IT投入成本。当然，随着IAAS和SAAS之间的界限越来越模糊，更多的用户需求将会催生各种混合式的云服务。

2.2 云计算服务框架

针对以上所阐述的云计算安全问题，本节中讨论云计算安全的服务框架，讨论的方法是基于模型的分析。

通常情况下，可以将云计算其当做是一个用来服务的应用系统，主要包括用户和服务的供应商这两个使用主体。服务供应商在开发出云计算系统之后，通过网络其可提供的具体服务项目和内容；用户则是结合自身需求，选择服务供应商网站提供的具体服务和项目，鱼刺同事服务供应商给予用户相关访问权限。

如下图2所示。从图中可以看出系统的监控和模型分析是云计算服务框架的重要组成部分，安全架构及其机制会很大程度上影响系统相关机制的选取，进而对系统运行效率进行影响，云计算供应商应该尽可能从安全角度设计理想的云计算安全架构模型，从而使得用户可以合理地选择。

在对云计算安全服务进行模型分析和监控的过程中，可以针对云计算的系统可用性、系统的基础性能等从多个维度的分析模型，其中多个维度包括瞬时维度、稳态维度和区间值以及其它一些维度，而且通过分析比对对云计算用户的监控数据和服务供应商相关的用户属性对应的指标，根据这个提供的性能指标数据值，可以进行相关机制和模式选择。

云计算的供应商可以或更新云用户所选择的安全机制，按照需要动态地增删机制的机制集合。通过比对供应商提供的云计算机制和实时监测到的系统性能指标数据，云用户可以按照业务的实际需求选择安全的机制。云用户和供应商两者通过达成一定的协议来约定彼此的安全责任，类似的协议有SLA（Service-Level-Agreement）协议等。

3 云计算安全架构

安全框架一般设计到人员、流程和技术这三个方面以及他们之间的关系。安全框架可以是管理性机制或技术性机制。管理性机制包括安全和人事政策火鹤用来指导各种操作的安全执行的标准规程。技术性机制通常通过IT技术架构上部署的工具或设备加以执行。

SOA架构是目前流行的云计算安全架构，这种架构主要是能够充分地考虑到云计算环境中的用户的个性化与多样化的需求，在这个基础上提出一种以云计算为导向的一种安全架构。但是比较缺少云计算环境中用户及其相关的供应商获取安全需求的相关方法。因此，在这个基础上，吸取相应的架构优点信息，提出一种基于云计算安全模型评价的可控可管可度量的安全架构。但是如何能让云计算用户明确云计算安全的重要性，在后期中如何更好地选择最好的安全管理机制，这个是目前很多学者研究的重要方向。

4 云计算安全机制

云计算从生命周期来看，可以划分为上线前、实际应用阶段、运行维护这三个阶段，以下从安全的测试与验证机制、认证访问和权限控制机制以及隔离机制等角度进一步介绍和阐述云计算安全。

4.1 安全测试与验证机制

在云计算产品的开发阶段，针对安全进行专门的测试和验证是必不可少的，这对发现安全漏洞和隐患至关重要。现阶段，即便是针对传统软件产品的安全性测试已经非常困难，而云计算自身的独特环境又增加了安全性测试的挑战性，因此当前学术界和产业界非常关注云计算环境中的安全性测试问题。就目前来看，云计算的安全行测试与验证机制主要有、增量测试机制、自动化测试机制以及基于web的一些专门测试工具。

4.2 认证访问和权限控制机制

云计算环境中的授权认证访问和权限控制机制是防止云计算服务滥用、避免服务被劫持的重要安全手段之一。这里主要从服务和云用户两个视角说明对云计算认证访问和权限控制机制的应用方式。

以服务为中心的认证访问和权限控制机制是对请求验证和授权的用户设置相应权限和控制列表来验证和授权。在进行认证与权限访问控制的方面，对于云计算用户中中采用联合认证的方式来对系统中的用户权限控制保证其安全性，需要将用户的相关信息交给第三方进行相应的维护与管理，这种方式能够很大程度上解决用户的安全隐患问题。

4.3 安全隔离机制

在进行安全隔离管理机制处理的过程中，主要有两个方面的考虑，第一个方面是需要对云计算中用户的基础信息的安全性进行管理与保护，方便云计算服务提供商对云计算中用户的基础信息管理，另外一个方面是需要降低其他的恶意的对用户的行为进行攻击及一些误操作带来的安全隐患行为。

5 云计算安全模型评价

在云计算的环境中，云计算的环境相对来说比较的复杂，因此在对云计算环境下进行安全保证的过程中，不能够仅仅从原来的一些安全保障措施进行处理，还需要作为一个非常特别的服务系统进行处理，需要从系统的角度来重点考虑，对系统中的考虑指标包括可用性、可靠性、可生存性、可维护性、可扩展性；安全性包括机密性、完整性和可用性。各个属性之间的关系示意图如图3所示。

6 总结

本文在分析目前的云服务的基础上，进一步阐述了云计算面临的安全挑战和问题；并从云计算安全架构、机制以及模型三个方面对云计算安全技术进行了说明，并对现有的一些研究成果进行了总结。当然，云计算的安全研究问题还有很多需要进一步的深入研究和解决。比如，云计算安全机制的动态变化和适用范围问题。目前，伴随云计算的各种技术和应用在快速动态变化，这种变化对云计算安全机制的适用性问题提出了很高的要求，因为动态变化的云计算环境意味着要有着灵活和易于扩展的解决方案。还比如，云计算安全机制的具体实施问题。本文提出的架构及评价模型即便在一定程度上能够保证云计算应用系统的安全性，但是怎样在实际应用环境中对模型的实际部署实施是一个重要的问题。

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云计算基本架构例6

自2007年云计算概念提出以来，云计算产业链在中国发展至今已初具规模，特别是企业私有云市场，虽然还没有出现一个在云计算市场拥有绝对优势的拳头产品，但百家争鸣，百花齐放的局面正预示着云计算的建设正胁潮涌之势而来。在继一些大型IT企业之后，越来越多的政府开始走向云，并且有更多的应用在向云靠拢。截止到2012年，已经有北京、上海、成都、杭州、青岛和西安等城市在政府应用云平台方面进行了积极的探索，总结出了一些成功的经验。在大家热烈讨论云计算技术能带来什么丰硕成果的同时，就政府云计算基础架构的建设方式在业界也未形成一个相对一致的说法。但众所周知，一个高效稳定的基础架构平台对于其上的应用和业务运营是至关重要的，而搭建这样一个基础架构的成本也是必须考虑在内的。

首先我们先来谈谈使用最普遍的x86架构，廉价、开放、标准化、简单易用，x86所具备的这些优点使其成为了众多云计算用户的最佳构架选择。目前，决大多数的大规模云的构建也都是基于x86架构的，例如亚马逊、微软、Google、百度、阿里巴巴等。但是，使用最多就是最好的吗？也不尽然，x86在人才资源、总体成本上是有优势，但一旦大规模部署后，由于单台服务器的性能问题，只能依靠大规模来实现计算能力和存储扩展，这样相应的就会带来一些管理和稳定性方面的问题。由于x86架构服务器系统的稳定性不如小型机系统，因此还需要有完善的备份和容错方案。这些都是x86在云计算架构中不可避免的问题，而这些问题的解决方式只能依靠第三方来进行。作为x86架构的忠实拥趸，VMware或许是能解决这些问题的最好方式。毕竟在x86平台虚拟化市场上，VMware的占有率超过了85%，而作为VMware虚拟化和云计算的核心系统平台，vSphere已经成为虚拟化平台的一个事实上的标准。2012年7月13日，VMware正式云基础架构套件，这标志着VMware从虚拟化向云计算的全面转型，其中的VMware vShield安全解决方案对云计算环境提供了全面的保护方案，但能否实现预期的效果，还有待市场的检验。总之，x86平台对于缺少更多技术支持的部门而言是不错的选择，首先平台搭建相对快捷简单、易于维护，其次又可以保持构架的灵活性和可扩展性。

相对分布式的x86架构而言，以IBM的Power架构为首的集中式构架方式在关键性核心业务上有着更大的可靠性及稳定性优势。很多人认为，政府部门没有那么多像很多大型企业那样的对计算性能和技术支持要求较高的业务，Power架构的优势有时候得不到体现。其实不然，随着政务信息化的推进，这几年很多大规模的政府部门应用系统陆续上线，这些业务应用系统涉及的人员范围、地域范围都很大，影响面也很广，而且业务也相对单一，对于这类重点业务，Power架构将是不错的选择，它能更好的满足业务的RAS（可靠性、可用性、稳定性）要求。Power架构所提供的虚拟化环境所使用的是IBM自己的PowerVM虚拟化软件，这在系统稳定性方面就有先天的优势，其先进的自动化管理功能，可以使资源池达到良好的利用，最终形成自适应、自服务的云计算基础架构。除了这些关键性业务，对数据库领域而言Power架构也具有更大的I/O吞吐量和稳定优势，尤其是基于关系型数据库的关键应用。如果我们在x86架构的横向扩展出现瓶颈时，再考虑向Power上进行迁移，迁移所付出代价恐怕不止是新建一套Power虚拟机那么简单了。当然，Power架构对云计算人才的要求是很高的，但是相对于那种大规模的x86云平台，维护它所需要的人力资源却少很多。就好比用一个在AIx系统及虚拟化方面技术很强的人维护1台Power计算机和用10个技术一般的人维护10台x86服务器一样，到底那种方式更节约成本，更能很好的实现管理就只能靠自己判断了。

我们都知道，云计算的最终目的是整合IT资源及应用，使其发挥更大的效能。在政府部门也一样，庞大的IT资源不仅耗资耗能巨大，对其很好的管理也是一个麻烦的问题。就笔者所在的单位而言，光服务器设备就有80多台，加上为之服务的网络及存储设备就足足填满了一个200平方的机房。 在进行虚拟化改造建设之前，我们就单位信息化应用的现状分析，发现服务器架构存着机器部分老化，故障率偏高；系统可用性、兼容性差；系统结构复杂；运行成本高；电力资源紧张；维护工作量大等等问题。

为了解决以上问题，我们决定使用虚拟化技术打造单位的云平台。考虑到单位这种已经存在大量业务应用的情况，我们在建设云计算平台过程中采取了循序渐进，避开关键业务，在不断探索过程中逐步推进的方式。根据如今政府的情况，一般都是自购服务器、各自有自己的信息中心负责运维。很多部门为了保证业务的正常运行，都花费很大的资金在容灾备份之上，这当中存在着诸多的浪费，很多高端的服务器及存储设备其实只用到了很少一部分的硬件系统资源，为了提高服务器的利用率，利用这部分高端硬件搭建云计算环境是对资源充分利用的一个好办法。比如我们先可以利用原有的IT资源，搭建相对简单的x86的云架构，在这个过程中会遇到一些无法绕过的问题，比如数据迁移、数据的隔离和控制等等，通过一些具体实践，我们可以同时积累部分云计算的人才和经验，为今后全面推行云计算打下基础。在关键性业务上， 我们可以直接部署IBM Power架构，其实Power并不像很多人想象的那么高深，IBM为了帮助用户快速构架基于Power的云平台，推出了从应用出发的解决方案以提升用户在应用部署、日常维护方面的易操作性。不过，不能否认的是，相比x86，Power平台在后期维护、管理上还是要更难一些，需要更加专业的管理人员。我们的数据库系统就是利用两台IBM小机进行Power架构的部署，实施期间，AIX系统及Power虚拟化软件确实让人头疼不已，但一旦部署成功，其I/O大吞吐量，高稳定性的特点也确实为用户带来了全新的体验。

对于云计算基础架构，套用一句老话：没有最好，只有最合适。这点在政府机构也同样适用。不管是x86还是Power架构，其实通用才是云平台最核心的要求，只有满足了能够将软件部署在不同的硬件和系统上的要求，这才是真正意义上的云计算平台。

云计算基本架构例7

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2014）02-0247-01

一、引言

随着我国教育体制改革的不断深入以及经济社会发展对人才质量内涵提出的新要求，学校内部单一教学资源平台己经不能应对更加复杂的需求，出现了学校内部教学资源与外部教学资源的集成应用需求。为解决扩展性教学资源集成，急需研究和建立开放教学资源平台体系结构，支持学校间教学资源平台协同开发，透明地获取所需资源，实现学校间的松耦合协作和面向任务的资源动态重构。云计算技术的出现，为高校教育提供了一个新的具有集成、开放、虚拟和自治特征的服务平台，可以有效的解决当前教育领域面临的资源共享与协作难题。

二、云计算在国外教育资源共享的应用

美国肯塔基州就将云计算应用到拥有10200名学生的该学区中。通过云服务平台，将原来过时废弃在仓库中的1400台计算机转变为能够起作用的虚拟机。正因为云服务不需要本地计算机有硬盘，这种转换才成为可能。云计算在英国的院校中也有一席之地。很多英国高等教育机构，均利用了谷歌的程序。学生的应用需求和削减支出是主要的推动因素。同样非洲也欢迎云计算。已经有很多非洲的教育机构选择了云计算服务，选择云计算的主要动力来自于不完备的IT基础设备和没有资金去更新软硬件设备。谷歌已经与很多东非教育机构达成合作关系，为这些学校提供谷歌的云计算服务。

三、云计算在高校教学资源共享平台中的实施方案

（一）资源共享平台系统架构

为了更好的对云计算中的教育资源进行管理，首先需要了解其宏观的资源管理架构。架构通常可以分为物理架构和逻辑架构。物理架构是指计算机、服务器以及网络等设备的物理连接结构；而逻辑架构则是从各个元素所发挥的功能角度来区分它们的角色并描述了它们之间的关系。物理架构和逻辑架构是可以相互进行映射的。

系统架构是建立云计算环境首先需要考虑的关键问题。调度系统架构通常与数据中心架构密切相关，目前在有管理需求的大规模分布式环境下多是考虑的多级分布式体系结构。

（二）云计算框架Hadoop

在目前许多开源的云计算框架之中，Hadoop是其中最为著名的一个。很多大型企业都对Hadoop进行了应用，并结合企业的具体业务进行了大量的改进工作。Hadoop由许多模块组成，其包括Hadoop Common，HDFS，Mapreduce和Zookeeper等等。Hadoop框架允许用户在大规模集群设备上使用简单的并行编程语言泛型对海量数据集合进行分布式地处理。在Hadoop集群系统中可能拥有成百上千个独立的物理设备。每个物理设备都有其各自的计算与存储能力。不像其它传统方案依靠硬件设备来提供高可靠性，Hadoop本身就被设计为在应用软件层可以随时检测并处理节点失效问题。

（三）如何消除HDFS性能瓶颈

教育资源共享平台在设计过程中就不应对所有数据都一视同仁，而需要根据实际需求区别对待，例如更为有价值的数据理应得到更多的重视，并为其分配更多的存储资源，即建立更多的副本以应对高并发访问，降低访问延迟，同时还可以提高数据的安全性与稳定性。因此可以在HDFS的基础上进行改进，在名字节点之上增加了一个系统控制器。

在HDFS的原型设计中，其通过文件数据块（Block ）副本的方式解决其并行读取的问题。副本的数目在整个集群运行之前被存储，并且在整个系统运行中是统一且固定的（系统管理员可以通过配置文件进行重新配置，但更改的也是全局配置）。所有的数据节点都会采用这个配置，即数据节点上的所有文件块都会有相同的副本数目。

因此在此场景下文件副本的差异化配置就显得十分必要了。但数据节点以及云计算运营商难以知晓哪一个或哪一些文件会在较长时间内被高频率访问从而成为热点文件。如果采用固定的配置方法，则系统配置难以跟上用户需求的快速变化。基于Hadoop分布式开源架构的云计算本身就拥有简单的副本机制，包括副本的创建、故障节点检测与处理等等功能。但是该架构缺乏对副本的动态调整功能，无法灵活应对用户需求的快速变化。

四、结论

综上所述文件数据块副本数目的动态调整成为最好的选择。云计算存储资源动态调度机制（Cloud computing Storage resource Dynamically Scheduling scheme，CSDS）能够解决上述问题。

云计算基本架构例8

历史上曾发生过三次技术革命，分别是十八世纪中叶的工业革命、十九世纪的电力革命和二十世纪至今的信息技术革命。每一次技术革命都促进了生产力的大幅度提高，尤其是信息技术革命期间，计算机和互联网的发展，极大地提高了生产力，甚至从许多方面改变了人们的生活和工作方式，人们也因此步入了信息时代。物联网、电子商务、ERP等新的互联网技术的发展为企业运营管理带来便利的同时，也产生了大量结构化的非格式化的数据。如何通过数据挖掘，从海量数据和大数据中获得有用的信息，为用户提供更好的用户体验，从而增强企业的竞争力，这对企业来说是一个巨大的挑战，同时又是一个难得的机遇。

随着信息时代的来临，企业为解决大数据难题，在传统的网格计算等计算技术的基础上，开发出了云计算技术。云计算是被改进了的分布式计算技术的一种，它能够以极低的成本高效处理海量数据，被越来越多的企业所关注和研究。数据处理是企业运营的一个重要内容，也是其关键部分。云计算技术凭借其众多优点和无限的发展潜力，必将继计算机和互联网之后，成为信息技术革命期间第三个深刻影响未来的发明。

1 云计算概述

云计算最早的定义是由Ramnath Chellappa教授于1997年在美国芝加哥召开的INFORMS（运筹学和管理学研究协会）会议上提出的，那时的云计算界限是由经济的合理性来决定的。后来云计算凭借其“高效率，低成本”的优越性，被许多IT企业所关注 ，并被越来越多地应用于商业领域，经过如亚马逊、Google、IBM、微软等众多大型IT企业近两年的研究实践，云计算技术的商业特性得到了前所未有的开发。云计算从单纯的一种架构技术，发展成为一种服务，甚至是一种资源。

1.1概念

云计算是一种计算服务的交付和使用模式，它通过网络架构、分布式计算、虚拟化等技术将若干计算机硬件个体连接成为一个巨大的计算资源池，也就是所谓的“云”。

云计算也有广义的云计算和狭义的云计算。所谓狭义的云计算，是指基于IT基础设施交付和使用的一种服务。所谓广义的云计算，是指云计算作为一种服务被交付和使用，这种服务的范畴很广，可以是与IT、软件和互联网相关的，也可以是其他任意领域的服务。但是不论是狭义的云计算还是广义的云计算，他们的共同特点是易扩展，而且是按需分配和收费。

可以说，云计算既是一项技术，也是一种服务。本文是将云计算作为一种服务来解读的。

1.2发展过程

Google成立之初并没有充足的资金购买大量的服务器，他们的创始人布林和佩奇就通过购买被淘汰的主板、过期的CPU、便宜的小容量硬盘和廉价的电源等最便宜的器件自己搭建服务器，并通过自己设计的一套新型运算方法将这些独立的服务器连接起来，实现了高性能运算，这就是“云计算”的雏形。

在WEB2.0时代，个人电脑和互联网得到了前所未有的普及，人们也从单纯的信息消费者成为了信息的生产者，信息的数量出现了爆炸性的增长，如何以高性价比的方式存储和处理数据成为一个被大家热议的话题。2005年，Apache基金会开发出了一个类似于Google的开源的云计算架构的Hadoop基础架构，许多IT企业基于这个架构开发出了自己的云计算架构，并出租他们的云计算服务，极大地促进了云计算技术的推广和发展，也为许多中小型企业提供了成本极低而功能强大的计算平台。

1.3原理

以Google云计算为例，云计算架构主要由以下几个部分构成：Google文件系统GFS，并行编程模式MapReduce，分布式锁服务Chubby，分布式结构化数据表Bigtable，分布式存储系统Megastore以及大规模分布式系统的监控基础架构Dapper。Google将海量数据分成若干块分布存储在GFS上，然后通过MapReduce技术高效处理这些数据然后生成结构化文件存储在Bigtable上。

也就是说，要实现云计算必须要有一个分布式文件系统，然后通过MapReduce这种处理海量数据的并行编程模式将文件系统上的海量数据进行处理，并将结果存储到另外一个结构化数据库中，从而实现高效的信息处理。

1.4应用形式

从功能方面来讲，云计算的应用形式有三种，它们分别是：基础设施即服务Iaas（Infrastructure as a Service）、平台即服务Paas（Platform as a Service）以及将软件即服务Saas（Software as a service）。Iaas提供的服务是云计算架构中的各种硬件设施等基础资源，用户可以根据自己的需求任意部署和安装运行任意软件，同时管理和控制底层的云基础设施。Paas为用户提供一个已经部署好的云计算基础架构，用户可以在这个既成架构上任意部署自己需要的应用程序，但不用自己管理和控制云基础设施。Saas为用户直接提供已经安装在云基础设施上的应用程序，用户不用自己管理云基础设施和上面的应用程序，只需通过客户端对云平台进行访问即可应用云基础设施上面的应用程序。

2 云计算在商业应用中的局限性

虽然云计算在商业应用领域有着独特的优越性，但其自身拥有的局限性是云计算技术进一步发展和普及的最大障碍。

2.1安全性

安全性是用户选择云计算时的首要考虑的因素，也是云计算实现可持续发展的关键。由于多个用户共享同一个云基础设施，这就必然造成用户对自身企业数据泄露的担忧，这也是许多大型企业对云计算技术始终保持观望态度的重要原因。

目前许多提供云计算服务的企业开发出了公有云、私有云和混合云等不同的云架构，其目的就在于为企业提供更多的选择，从而更好的避免数据泄露的风险。

云计算的安全性研究是今后云计算发展的一个重要课题，解决好云计算的安全性问题，必将推动云计算向更高水平发展。

2.2带宽限制

云计算的服务是通过互联网实现的，而云计算资源池中的海量数据也是通过互联网流动的，由此就容易发生服务中断、网络延迟等问题。企业如果要实现云计算的流畅运行和操作，多多少少都要改变企业自身的网络架构，而且需要更大的宽带带宽。然而企业并不是每时每刻都面临海量数据的挑战，改变自身网络架构和一次性部署大带宽对他们来说并不划算。因此要使云计算走进企业，解决网络接入和宽带带宽技术的问题也成为一项重要议题。

3 结束语

云计算技术具有“低成本，高效，环保”的独特商业特性，该特性不但能够被应用于商业领域，更能被拓展利用于科研、数据挖掘和人工智能等社会的各方各面，必将在今后对社会经济文化的发展产生深刻的影响。

【参考文献】

云计算基本架构例9

1.云计算概述

早在上世纪60年代，麦卡锡就提出了计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户的理念，这成为云计算思想的起源。在20世纪80年代网格计算、90年代公用计算、21世纪初虚拟化技术、存储网络、SOA、SaaS[1]应用的支撑下，云计算作为一种新型的资源使用和应用交付模式逐渐成为学界和产业界所认知。所以，云计算是IT（Information Technology，简称IT）资源管理和应用模式的深刻变革[2][3]，也是一种IT基础架构管理和应用的方法论;可使业务、应用和IT资源基于网络，以服务的形式呈现给用户，供用户按需、定量和定制化获取使用。

从技术发展角度看，20世纪90年代，随着Windows的广泛使用及Linux服务器操作系统的出现，奠定了x86服务器的行业标准地位，然而x86服务器部署的增长带来了新的IT基础架构建设和运维困难，包括基础架构利用率低、物理基础架构成本日益攀升、IT管理成本不断提高以及对关键应用故障和灾难保护不足等问题。X86服务器虚拟化技术的出现，通过将x86系统转变成通用的共享硬件基础架构，充分挖掘硬件的潜力，提高硬件的利用效率，降低硬件和运营成本，并且简化运维降低管理成本，最终帮助用户把更多的时间和成本转移到对业务的投入上。

因此，云计算技术是IT行业的第三次变革，是信息技术和应用发展的必然趋势。随着云计算和虚拟化技术向构建新一代数据中心方向发展，关键以虚拟化为基础，实现管理以及业务的集中，对数据中心资源进行动态调整和分配，重点满足企业关键应用向X86系统迁移对于资源高性能、高可靠、安全性和高可适应性上的要求，同时提高基础架构的自动化管理水平，确保满足基础设施快速适应业务的商业敏捷诉求，同时进一步减少企业的IT整体投入。

2.云计算的应用模式

从运营角度看，云计算是网格计算和虚拟化技术的商业化模式，如同水厂和电厂通过管道和电网统一提供水、电资源一样，而通过网络实现信息基础资源（计算、存储、网络等）的统一供给和统一调度管理。按照运营模式可以分为三种，即公共云、私有云和混合云。

（1）公共云：专业运营企业建设，直接向最终用户提供服务，用户通过互联网访问获得资源服务，但并不拥有资源。

（2）私有云：企业自己搭建的基于云计算的数据中心基础架构，面向内部用户或外部客户提供云计算服务。企业拥有基础架构的自，并且可以基于自己的需求改进服务，进行自主创新。

（3）混合云：同时具备公共云和私有云特征，既有自已的云计算基础架构，也使用外部公共云提供的服务。

通常，云计算的资源也可从三个层面以服务的方式提供给使用者。

（1）IaaS基础架构即服务（Infrastruct-ure as a service）：提供的是计算资源、存储资源及网络资源等资源。

（2）PaaS平台即服务（Platform as a ser-vice）：提供的是优化的中间件平台，包括应用服务器、数据库服务器等。

（3）SaaS软件即服务（Software as a ser-vice）：包括应用、流程和信息等服务。

图1

3.云计算的技术特点和应用价值

云计算的核心是虚拟化技术，其原理是资源的逻辑表示，实现形式是在系统中加入一个虚拟化层，将下层的资源抽象成另一形式的资源，提供给上层使用，而不受物理限制的约束。即使基础的服务器、存储、网络等硬件资源形成统一的资源池，上层业务系统可按需取用。

与传统企业IT技术相比，云计算技术对企业信息化建设具有很高的应用价值[4]：

（1）实现动态的、可伸缩的扩展。云的规模根据业务需求是可以动态伸缩的，它可以随时扩展自己的存储和计算容量，满足企业用户对信息资源不断变化的需求。

（2）为业务提供随需即取的基础设施，按需求提供资源。云计算把互联网变成一种全新的计算机平台，所有的资源在物理上以分布式的共享方式存在，在逻辑上以单一整体的形式呈现给用户。

（3）精简IT资源、降低运维成本。利用云平台统一资源管理，统一的运维管理平台，降低维护维护成本，从降成本中贡献净利润。

（4）信息资源的整合度更高。使同一架构的物理资源统一整合，实现资源共享，提高利用效率，解决企业信息孤岛问题。

4.企业信息化应用主要需求

私有云是目前能得到较快接受的应用场景，而且能够满足企业对数据安全性、系统可用性的要求，因此构建私有云是建设数据中心的首选方案。企业业务在快速增长，而企业信息化建设与业务发展之间却存在着较大差距;运营问题、全球化问题、越来越高的 IT 复杂性带来的管理难题、运营成本的不断上升，企业的IT基础架构正面临着巨大挑战：

（1）IT基础架构正向资源共享方向发展。企业力求降低计算成本，众多企业首先对IT基础架构进行了整合，然后又引入资源虚拟化技术。如何进一步提高资源利用率、降低管理和基础架构成本及加快部署周期，如何实现软件、应用、数据和硬件资源的共享成为新的挑战。

（2）企业IT基础架构面临对于业务支撑具有相当灵活度的压力。增加自动化和智能化程度，在有效控制成本的同时，轻松、灵活地应对快速变化的业务需求，是大多数企业对于其IT基础架构的期望。

（3）管理系统和网络的日常开支不断提高。有17%的CIO们深受技术人员平时工作不饱和、出现故障时又不能及时解决这种矛盾的困扰，复杂的IT基础架构带来管理难题。

（4）IT采购模式将发生巨大变化。以往根据项目需求采购设备、部署基础架构的方法，已经不能满足业务变化的要求，新的采购模式应该以有规划的、整体的基础架构升级来适应不断增加的新应用、提高对业务支撑的灵活性。

由此可见，企业正迫切需要一种及时的和节约成本的方法来满足动态改进和日益增长的业务需求。

表1

公有云 虚拟私有云 私有云 混合云

数据安全性 √ √ √

节省前期投入 √ √

高可用性 √ √

对现有IT流程的影响 √

技术成熟性 √

与现有资源的兼容性 √ √

适合小企业使用 √ √

资源利用率和节能减排 √ √ √

图2 企业云计算应用基础架构

5.云计算技术在企业信息化中的应用分析

对于大多数企业来说，信息化系统已经不仅仅是企业的辅助系统和成本中心，而已成为企业的关键生产管理系统和价值中心，更是企业的核心竞争力和持续发展能力的体现，对企业的生存发展至关重要。企业信息化一方面促进了企业生产率和管理水平的提高，另一方面也给企业引入了新的成本，而且随着企业信息化水平的不断提高，信息系统的成本也在不断增长，如果继续采用传统模式建设，必然形成烟囱式的信息孤岛，造成信息基础资源利用率低下、无法共享，难以为企业创造高效价值，反而成为沉重的负担。据统计，在传统模式下，企业每年有三分之二的IT投入都花费在旧系统的运维和管理上。

为保证这些担负着企业生产、管理和运营功能的重要信息应用系统正常运行，必须保证计算、存储、网络设备等硬件平台的可靠运行，还需要进行数据库的建设和管理，同时还要进行用户管理、信息安全控制、业务系统的软硬件升级等工作。为支持信息应用业务的高效、可靠运行，企业需建设专业的数据中心基础设施和平台。随着业务种类和业务量的不断增加和应用需求的增长，数据中心硬件基础设施和平台规模也在日益扩大;因此亟需采用更加先进的云计算模式进行数据中心建设，以解决现有数据中心面临的各种挑战。

对于Email、Web、OA、CRM及ERP等大多数采用x86硬件平台的企业应用来说，利用云计算和虚拟化技术完全可以满足业务的需求;对于企业核心生产业务以及部分高性能数据库业务，在技术上也完全可以采用虚拟机部署，但需要根据业务的实际工作负载进行评估，如果业务本身对物理资源的使用率已超过50%，则不太适合再采用云计算和虚拟化技术。企业在进行云计算建设时，主要可分为两种场景：一种是利旧，企业需对原有信息系统架构进行虚拟化改造，将原来各个独立的信息基础设施整合为可以弹性调度的信息“资源池”，这一过程可由相应的软件系统自动实现，基本不需人为参与;另一种场景就是新建，企业可以完全按照自己的需求进行整体设计和交付，也可采用业界相应的虚拟化一体机产品，本身已实现了软、硬件的整合，这样可以大大减少项目的建设周期和复杂度。两种场景相比，利旧则相对复杂一些，主要是需要评估现有的硬件平台架构及业务系统与新平台的兼容性，一般在建设初期可采用小范围的测试进行验证。

从建设模式来说，私有云是居于企业防火墙内部（也可以将它们部署在一个安全的主机托管场所）的一种更加安全稳定的云计算环境。所以，企业的云计算平台建设主要是采用私有云，私有云即可以满足企业大规模服务、高扩展性、高可靠性、虚拟化和按需服务，实现企业的管控、业务协同、供应链管理、共享服务等，又具有更高的安全特性，内部管理也更加有效。构建私有云从初期来看并不一定会比构建一套传统的架构节约成本，但是从长远来来看，云计算技术减少了人工管理的成本，使企业的信息系统利用率更高，能够更精准地按需提供资源，它带来的方便和快捷能给企业的运营带来无限的价值。

总之，云计算是IT行业的第三次变革，已经成为目前IT系统建设和应用的主要趋势， 同时云计算技术也为企业大数据应用、高性能计算等新兴业务提供了基础平台，可为企业丰富的信息业务创新和发展提供有效支撑。

参考文献

[1]Anderson，Tim.full form of SaaS.The Register.5 May 2011

云计算基本架构例10

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）07-1537-03

中间件处于操作系统、网络、数据库与应用软件中间的一类软件。是基于分布式处理的软件或服务程序，它管理计算资源和网络通信，为上层的分布式应用软件提供运行与开发的环境，而应用软件借助中间件在不同的技术之间共享资源。

1 中间件的优势

中间件产品对各种硬件平台、操作系统、网络数据库实现了兼容和开放。基于中间件开发的产品容易在不同的架构与系统之间互相移植，中间件保持了平台的透明性，实现了对交易的一致性和完整性的保护，提高了系统的可靠性。用各类不同的中间件产品组合，配合可复用的商务对象构件进行开发，大大降低开发成本，节约编程周期，提高工作效率。

2 中间件作用与分类

1）终端仿真/屏幕转换：实现图形用户接口客户机与字符接口的服务器应用程序之间的互操作。

2）数据访问中间件：是对异构环境下的数据库或文件系统实现联接的中间件。在分布式系统中，重要的数据都集中存放在数据服务器中，这些数据有关系型的、复合文档型，多媒体型的，还有一些数据是经过加密或压缩存放的，这类中间件将可以实现在网络上虚拟缓冲存取、格式转换、解压等工作。

3）远程过程调用中间件：通过这种远程过程调用机制，编程人员编写客户端的应用，需要时可以调用位于远端服务器上的过程。

4）消息中间件：用来屏蔽掉各种平台及协议之间的特性，实现在不同平台之间通信，实现分布式系统中可靠的、高效的、实时的跨平台数据传输。

5）交易中间件：是在分布、异构环境下提供保证交易完整性和数据完整性的中间件。在分布式事务处理系统中事务通常要多台服务器上的协调完成，一旦某台服务器发生故障，交易中间件要保证系统恢复、自动切换，高可靠不停机的运行。同时要使多台应用服务器大量事务实时并发运行并保持负载平衡。

6）对象中间件：在分布异构的网络计算环境实现分布对象有机地结合，完成系统的快速集成、对象重用。

7）Web服务器中间件

Web服务器中间件可以弥补基于HTTP协议浏览器，数据写入与、会话能力差的缺陷。

8）安全中间件

操作系统被国外垄断，安全高效的安全中间件将成为我国信息网络安全的要求。

3 云计算概念

云计算是一种商业计算模型。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力、存储空间和信息服务。云计算具有大规模、虚拟化、可靠安全特征。它完全建立在虚拟资源层上，容易实现自我维护和管理。用户根据自己的需求动态获取所需云资源和云服务。

4 云计算特点

1）云计算集成资源提高计算效率与计算能力

云计算把大量计算资源集中到一个公共资源池中，用户通过租用的方式共享CPU等计算资源。按需所取，从而提高了计算资源利用率。

2）分布式数据中心保证系统安全性

分布式数据中心可将云终端的用户信息存储到地理上相互隔离的数据库主机中，用户不需知道信息的确切存储地点。增加了黑客的攻击门槛，提高云系统的安全性。

3）虚拟化层彻底隔离软硬件

虚拟化层将云平台上方的系统软件、应用软件和下方的硬件设备隔离开来。用户只能看到虚拟化层中虚拟出来的各类硬件设备，这种架构减少软件对硬件设备依赖性，实现了资源的动态配置。

4）模块化平台设计实现高可扩展性

云计算平台均在各层集成功能各异的软硬件设备和中间件软件。这些中间件软件和设备提供针对该平台的通用接口，允许用户扩展设备。用户利用云与云之间的对应接口，实现在不同云之间进行数据迁移、最大化满足用户需求。

5）虚拟资源池为用户提供弹

云管理软件将整合的计算资源根据应用访问的具体情况进行动态调整。云计算对于非固定的需求应用，如波动性需求、阶段性需求等可以通过增大或减少资源来实现。而对规律性的固定需求可根据事先设定的规则进行预测分配、实时调整。总之弹性的云服务可以提供按需分配的计算资源。

6）按需付费降低使用成本

云计算的企业（如Google微软等）按需提供服务、按需付费。对用户来说，云计算不但省去了基础设备的购置运维费用，而且能根据企业成长的需要不断扩展订购的服务，不断更换更加适合的服务，提高了资金的利用率。

5 云计算中间件在云中的定位与作用

云计算中间件定位在是云计算的Paas层，如下图1所示， 它主要进行云计算的资源管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务。均衡使用云资源节点，检测节点故障并试图恢复或屏蔽之，并对资源的使用情况进行监视统计，执行用户或应用提交的任务，包括完成用户任务映象（Image）的部署和管理、任务调度、任务执行、任务生命期管理等，云计算中间件也可提供用户交互接口、管理和识别用户身份、创建用户程序的执行环境、对用户的使用进行计费等，云计算中间件也要保障云计算设施的整体安全，包括身份认证、访问授权、综合防护和安全审计等。

6 基于云计算中间件的系统架构

云计算中间件是集成了云计算能力的中间件平台，其系统架构如下图2所示。云计算中间件平台具备以下云计算能力：

1）对虚拟资源池的管理能力，包括虚拟资源的创建，使用，回收全生命周期的管理。

2）对虚拟计算资源的动态调度能力，即中间件平台可以动态调度虚拟资源满足业务需求。

3）对分布式存储的扩展支撑能力，包括基于hadoop+hdfs的云存储架构

4）对分布式数据库的支持能力，包括key-value半结构化数据库，也包括hive等数据云数据库。

把云计算这四个能力合并到云中间件平台去。可达到在系统应用和底层IaaS层之间建立集成。云计算中间件平台可以通过IaaS层的服务接口动态创建虚拟机，并下发部署包完成程序的部署。在部署完成后可以根据业务系统的并发访问情况动态调度后台的虚拟资源池资源，真正实现计算和存储能力的弹性和可伸缩。云计算中间件实现底层资源完成黑盒，完全根据应用并发量和调度策略动态调度后台资源。完成了传统的负载均衡和集群技术往云中间件转移与动态实现。云计算中间件产品通过提供的web service去调度后台的分布式存储资源和存储节点或api开发，保证了中间件平台分布式存储能力。例如IBM有个中间件产品叫WebSphere eXtreme Scale具备提供分布式缓存的能力可以为数据层提供高性能，高扩展性数据密集型的计算应用。增加了云计算服务能力的传统中间件即是云计算中间件。云中间件是构成PaaS平台必备部份，提供PaaS层和IaaS层的集成能力。云计算中间件也可以细化为介于PaaS平台和IaaS平台之间的一个中间层。

7 基于SOA的应用集成云中间件架构

1）基础应用Framework（核心运行时）

该层是整个SOA应用集成中间件系统的最底核心层，该层包含了支撑云中间件正常运行的基础框架、基本类库等，同时还需要从底层上实现一个ESB，保证将外部的各类软件插接到上面，实现应用集成。ESB能够实现到何种程度也就意味着最终能够实现多大程度的应用集成。

2）业务支持组件

SOA应用集成中间件本身具备普通应用系统具备的公共模块，比如中间件本身需要负责的事务管理模块，数据访问控制模块，基本业务配置模块，日志管理模块，异常处理模块，邮件及消息管理模块甚至还有商业系统之间交互管理的模块。这些组件虽然不直接用于应用集成，但是对于云中间件的运行是必不可少的。

3）可扩展的服务库

基于SOA的云中间件对外部应用进行集成并转化为相应的服务。云系统服务必需随业务的变化不断扩展，必须将外部应用不断导入，并注册为预置的服务。故云中间件的服务库就会得到扩充从而使得功能越来越强大。

4）集成开发环境IDE

扩展性对SOA的云中间件产品也是非常重要的，提供开发工具让业务人员根据自己的需要调整、增加云中间件的功能，也能够使产品体系得以完善。

5）企业级Portal

基于SOA的应用集成云中间件必须提供一个外部可以访问并进行配置甚至直接操作的接口，用户可以通过浏览器登录、浏览或者使用上面的各种服务功能。这个应用集成还要具有动态配置与的能力、一站式登录的能力、较强的交互能力。

8 基于SOA架构的云计算中间件实现