1.1 云计算基础

1.1.1 云计算的定义和特征

从并行计算、分布式计算、网格计算、普适计算到云计算，整体计算技术的不断发展推动了整个互联网技术和应用模式的演变，互联网已进入一个全新的云计算时代。但在全世界“云计算热”的今天，对于“云计算究竟是什么”业界并没有达成共识，不同机构赋予云计算不同的定义和内涵，造成目前众说纷“云”的局面。以下给出几个较典型的云计算定义：

美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）认为，云计算是一个模型，这个模型可以方便地按需访问一个可配置的计算资源（例如，网络、服务器、存储设备、应用程序，以及服务）的公共集。这些资源可以在实现管理成本或服务提供商干预最小化的同时被快速提供和发布。

中国电子学会云计算专家委员会认为，云计算是一种基于互联网的大众参与的计算模式，其计算资源（包括计算能力、存储能力、交互能力等）是动态、可伸缩、被虚拟化的，以服务的方式提供，可以方便地实现分享和交互，并形成群体智能。

尽管各个机构对云计算有不同的理解，但从以上几个典型的云计算定义不难看出，云计算既是一种技术，也是一种服务，甚至还是一种商业模式。云计算是一种将池化的集群计算能力通过互联网向内外部用户提供自助、按需服务的互联网新业务、新技术，是传统IT领域和通信领域技术进步、需求推动和商业模式转换共同促进的结果。云计算具备一些共性的特征，它通过虚拟化、分布式处理、在线软件等技术的发展应用，将计算、存储、网络等基础设施及其上的开发平台、软件等信息服务抽象成可运营、可管理的资源，然后通过互联网动态按需提供给用户。总体来说，云计算具有以下四个特征：

●以网络为中心——云计算的组件和整体架构由网络连接在一起并存在于网络中，同时通过网络向用户提供服务。

●以服务为提供方式——有别于传统的一次性买断统一规格的有形产品，用户通过云计算可以根据自己的个性化需求得到多层次的服务；云服务的提供者可以从一片大云中切割，组合或塑造出各种形态特征的云以满足不同用户的个性化需求。

●资源的池化与透明化——对云服务的提供者而言，各种底层资源（计算/存储/网络/逻辑资源等）的异构性（如果存在某种异构性）被屏蔽，边界被打破，所有资源可以被统一管理、调度，成为所谓的“资源池”，从而为用户提供按需服务；对用户而言，这些资源是透明的、无限大的，用户无须了解资源池复杂的内部结构、实现方法和地理分布等，只需要关心自己的需求是否得到满足。

●高扩展高可靠性——云计算要快速灵活高效安全地满足海量用户的海量需求，必须有非常完善的底层技术架构，这个架构应该有足够大的容量，足够好的弹性，足够快的业务响应和故障冗余机制，足够完备的安全和用户管理措施；对商业运营而言，层次化的SLA、灵活的计费也是必需的。

从云计算的定义和特征来看，云计算有别于传统的高性能计算和科学计算，它并不单纯是一种技术，还是一种服务模式，不论从技术、需求和商业模式等角度，云计算都是天然的适合于面向大众的开放式服务。首先，云计算的核心技术和业务主要基于中低端硬件和开放式架构（如x86体系的服务器、形形色色的开源项目、可共享的异构存储、分布式并行计算、以开放而获得强大生命力的互联网、开放式的业务提供平台和产业链聚合平台等），目前很多传统的高端计算已经显示出明显的向开放式架构迁移的趋势；其次，云计算的用户需求是人们对于低成本、高效率的信息化应用的需求；最后，云计算的商业模式是面向全社会的以网络为中心、按需付费的模式。

云计算也有别于个人终端计算，其按需定制能力、随时随地的提供能力，以及低廉的成本、丰富的应用、简易的操作维护使其相较于个人终端计算具备天然的优势。云计算可以按照特定用户的要求提供计算能力和网络能力，也可以提供任意所需的软件服务给个人用户。云计算的架构降低了对客户终端的要求，终端可以是任意计算机、手机、智能手持设备等，操作系统也不再重要，只需要能够联上互联网，运行浏览器即可。而同时，用户的应用却极大丰富和简单了，再也不需要为了打开某些格式的文件而安装软件，再也不用频繁地进行软件升级，不同终端之间共享信息也变得容易了。

从部署应用架构来讲，目前业界通常将云计算平台分为公有云、私有云和混合云等。其中公有云是IT业互联网化的体现，由公共客户共享，提供较为完整的IT应用外包的云计算服务。私有云则针对单个机构（例如一些金融机构或政府机构等）特别定制，专为该机构内部提供各类云计算服务。混合云表现为公有云和私有云等的组合，同时向公共客户和机构内部客户等提供相关云计算服务。

1.1.2 云计算体系架构

前面提到，云计算不仅是一种技术，更是一种服务模式。从技术的角度看，它包括了多类互联网技术（包括虚拟化、分布式处理、在线软件等）的发展演进。然而当我们跳出技术的视野，从服务模式的角度来梳理云计算，会发现云计算所提供的三类服务模式几乎将整个IT生态系统全面覆盖，因此，从服务模式的角度理解云计算将更为清晰。

目前，普遍认为云计算的服务模式可以分为基础设施即服务（IaaS，Infrastructure as a Service）、平台即服务（PaaS，Platform as a Service）和软件即服务（SaaS，Software as a Service）三类。其中，IaaS通常面向企业用户，提供包括服务器、存储、网络和管理工具在内的IT基础设施，可以帮助企业削减IT资源的建设成本和运维成本。PaaS通常面向互联网应用开发者，提供简化的分布式软件开发、测试和部署环境，它屏蔽了分布式软件开发底层复杂的操作，使得开发人员可以快速开发出基于云计算平台的高性能、高可扩展的互联网应用。SaaS通常面向个人用户，提供各种各样的在线软件服务。这三类服务模式被认为是云计算体系架构的三个层次，但它们在技术实现上并没有必然的联系，SaaS可以在IaaS的基础上实现，也可以在PaaS的基础上实现，也可以独立实现；类似地，PaaS可以在IaaS的基础上实现，也可以独立实现。云计算体系架构如图1-1所示。

1.IaaS

IaaS是把计算、存储、网络及搭建应用环境所需的一些工具当成服务提供给用户，使得用户能够按需获取IT基础设施。它由计算机硬件、网络、平台虚拟化环境、效用计算计费方法、服务级别协议等组成。IaaS具有以下几个主要特点。

●把IT资源当做服务传送给客户。

●基础设施可动态扩展，即可以根据应用的需求动态增加/减少资源。

●计费服务灵活多变，按实际使用的资源进行计费。

●多租户，相同的基础设施资源可以同时提供给多个用户。

●企业级的基础设施，使得中小企业可以从聚集的计算资源池中获利。

从业务上看，IaaS要把计算、存储、网络等IT基础设施通过虚拟化整合和复用后，通过互联网提供给用户。提供的IT基础设施要能够根据应用进行动态扩展，并按照实际的使用量进行计费。因此，要开展IaaS业务，需要重点解决资源提供和运营管理两个问题。目前，典型的IaaS应用有Amazon EC2/S3、世纪互联CloudEx、Nirvanix、3Tera等。AT&T、NTT、BT等运营商也计划建立虚拟云为用户提供IaaS服务。

2.PaaS

PaaS是把分布式软件的开发、测试和部署环境当做服务，通过互联网提供给用户。PaaS可以构建在IaaS的虚拟化资源池上，也可以直接构建在数据中心的物理基础设施之上。与IaaS只提供IT资源相比，PaaS可为用户提供包括中间件、数据库、操作系统、开发环境等在内的软件栈，允许用户通过网络来远程开发、配置、部署应用，并最终在服务商提供的数据中心内运行。

从服务层级上看，PaaS在IaaS之上SaaS之下，实际上PaaS的出现要比IaaS和SaaS晚。某种程度上说，PaaS是SaaS发展的一种必然结果，它是SaaS企业为提高自己的影响力、增加用户黏度而作出的一种努力和尝试。SaaS企业把支撑应用开发的平台发布出来，软件开发商根据自身需求，利用平台提供的能力在线开发、部署，然后快速推出自己的SaaS产品和应用。目前提供PaaS平台的企业并不多，Salesforce公司的Force.com是业内第一个PaaS平台，PaaS的概念也由该公司提出；八百客的800APP是国内第一个PaaS平台；Google的App Engine和微软的Azure也都是典型的PaaS平台。此外，随着Hadoop开源PaaS平台的成熟，越来越多的IaaS企业开始尝试在自己的IaaS平台上部署Hadoop以提供PaaS服务，如Amazon、Yahoo、IBM等。

3.SaaS

SaaS是一种基于互联网来提供软件服务的应用模式，它通过浏览器把服务器端的程序软件传给千万用户，供用户在线使用。SaaS提供商为用户搭建信息化所需要的所有网络基础设施及软硬件运作平台，并负责所有前期的实施、后期的维护等一系列服务；而用户则根据自己的实际需要，向SaaS提供商租赁软件服务，无须购买软硬件、建设机房、招聘IT人员，即可通过互联网使用信息系统。SaaS具有以下几方面的特点。

●多重租赁性和自定制性。SaaS提供商只需提供一套软件系统就能够同时支持多个租户。客户可结合实际需求，定制个性化的SaaS软件。

●可扩展性和灵活应变性。SaaS可以通过参数应用、自定制空间、集成器，把多个不同的在线应用软件服务重新整合，形成新的软件服务，具有良好的可扩展性。此外，对SaaS应用程序的使用是动态的，用户能够根据市场需求变化，随时对应用软件作出调整，以应对新需求。

●经济性。SaaS提供商只需要维护和升级一套软件系统，无须提供售后技术服务，从而降低了软件的维护和售后服务费用。用户以租赁的方式在线使用SaaS软件，不用购买软硬件、建设机房、招聘IT人员等，减少了前期投资、设备维护费、软件授权费等。

●在线工作性。SaaS通过互联网提供软件托管服务，简单易用。在线软件一般容易操作，在服务器端自动升级，无须安装任何插件或软件；不需要专职人员维护，随时随处可以操作，从而为用户带来了极大的便利。

●可配置性。在SaaS模式下，所有实例都使用相同的代码实施，供应商提供详细的配置选择，用户可以根据自己的实际需要选择配置。

SaaS的出现实际上先于云计算概念的提出，目前已经有相当多的企业在提供SaaS服务，其中最成功的当属Salesforce公司，它的在线CRM、ERP等业务的成功运营使其成为首家年度收入达10亿美元的云计算企业。Google Docs是Google在SaaS领域的重要尝试，由于它操作简易、成本低廉且协同工作方便，越来越多的企业和个人已开始放弃微软Office应用程序。八百客被认为是国内企业对Salesforce公司的成功复制，提供在线CRM、进销存、OA等SaaS服务。随着云计算技术的逐渐成熟，SaaS将以更快的速度向前发展，未来软件业必将朝着在线运营的方向发展。

1.1.3 云计算应用现状

云计算最早由Google等国外厂商提出，并随互联网技术的进步迅速发展。目前在国外云计算理论已经较为成熟，网络上既有成熟的商业应用，也有成熟的企业/内部云架构方案，美国等政府机构的介入，更是推动了国外云计算的快速发展。在国内云计算发展起步较晚，目前仍处于起步阶段，但随着运营商、厂商、应用商和科研机构对云计算研究的不断深入，国内的云计算也呈快速发展趋势。

在各国国家战略层面，一些发达国家的政府已开始积极部署、主导国家云计算发展。比如，美国一方面积极在军事领域部署云计算架构，另一方面也大力支持其IT公司的全球云计算发展战略。英国在最近发布的“数字英国报告”中，呼吁加强政府的云计算部署。而韩国也计划在2014年前向云计算投入巨资，争取将其相关企业的全球云计算市场占有率提高至10%。

在云计算服务市场应用层面，云计算服务在降低企业、政府、个人的信息化建设成本和运营维护成本方面的优势获得了越来越多的认可，许多全球500强企业、国外重要政府部门都已经在使用云计算服务处理内部数据和管理流程。

在云计算服务提供厂商方面，众多互联网知名厂商群雄逐鹿，抢夺云计算市场这块“蛋糕”，积极研发和推出相关云计算产品和服务。以下对Google、亚马逊、IBM、微软、红帽等几家主要云计算厂商的产品进行简单介绍。

Google是最早提出云计算概念的厂商，其云计算服务起初主要面向个人客户，近几年逐步涉足企业用户领域，陆续推出了Google Docs、Google Apps、Google Sites、Google App Engine等一系列云计算应用和平台，以SaaS或PaaS的模式向用户提供。此外，Google针对其提供的搜索等服务构建了内部的云计算基础架构，包括集群的文件系统、大规模分布式数据库BigTable、MapReduce分布式编程环境，以及分布式的锁机制Chubby等四个相互独立又紧密结合在一起的系统，从而优化其内部的网络基础架构。

亚马逊是互联网上最大的在线零售商，也是最早提供远程云计算平台服务的公司。亚马逊主要以IaaS的模式面向企业用户提供亚马逊网络服务（Amazon Web Services，AWS），该服务提供四类核心服务，包括简单存储服务（Simple Storage Service，S3）、弹性计算云（Elastic Compute Cloud，EC2）、简单消息服务（Simple Queuing Service，SQS）、简单数据库（Simple DataBase，SDB）等。其中S3向用户提供可伸缩、可靠、高可用、低成本的云存储能力；EC2提供弹性的技术资源能力；SQS提供不受限的可靠消息传递；SDB则提供可伸缩、包含索引且无须维护的数据集存储，以及数据处理和查询能力。

IBM从2007年开始推出“蓝云计划”，通过构筑云数据中心面向企业提供IaaS服务，目前已形成一系列的云计算解决方案，包括软件开发测试云、SaaS云、创新协作云、高性能计算云、云计算IDC、企业云等，同时还为企业提供一个可快速部署的云计算平台，使企业能够快速体验到云计算所带来的优势。此外，IBM结合其提出的“智慧的地球”理念推出“物联网云”和“分析云”解决方案，为各种物联网应用提供统一的服务交付平台和一个自服务的统一商业智能分析环境。

微软基于Windows技术和市场的优势推出了三类云计算解决方案，即Live和Online解决方案、Windows Azure平台（Windows Azure Platform）解决方案，以及动态数据中心（Dynamic Data Center Toolkit）解决方案。其中Live和Online解决方案既有针对消费者的服务，也有针对企业的服务，包括操作系统、办公软件、即时通信、邮件、中间件、应用管理软件等系列产品。Windows Azure 平台解决方案作为一个运行在微软数据中心的云计算平台，包括一个云计算操作系统和一个为开发者提供的服务集合。动态数据中心解决方案面向云计算数据中心的优化和管理，企业可以基于该方案快速构建内部私有云平台，服务提供商也可以基于该方案在短时间内搭建云计算服务平台对外提供服务。

红帽提供的云计算服务以开源为特征，包括混合云和私有云构建平台CloudForms，以及PaaS平台OpenShift。其中CloudForms是类似于亚马逊弹性云技术的纯软件云计算平台，支持服务器、存储设备及网络环境的异构性，可搭建在HP、IBM、Dell等异构服务器，EMC、Dell、IBM、NetApp等异构存储设备，以及IP、IPX等异构网络环境之上，并具有较高的可扩展性。OpenShift是一款开源的PaaS平台，支持多种语言开发。

随着越来越多的互联网厂商介入云计算市场，云计算应用将日益丰富。通过各国政府、厂商、用户等多方面的推动，云计算时代也将进入飞速发展的阶段。有人预言，未来，云计算将成为类似水电、煤气的公共基础设施，但目前，在云计算技术和服务的标准化、云计算技术和产品的开放性和互操作性、“纯云”和“云+端”应用模式、可运营性、云计算安全等方面还需进一步研究完善。