云計算基礎架構是云計算系統的重要組成部分。它通過(guò)資源虛擬化、分布式計算等技術(shù)為云計算系統搭建基礎運營(yíng)環(huán)境并為上層云計算應用提供存儲和計算能力。通過(guò)歸納分析對當前國內外相關(guān)研究成果進(jìn)行了綜述。定義了云計算基礎架構，指出了云基礎架構的特點(diǎn)，重點(diǎn)對云基礎架構進(jìn)行了理論抽象，得到了云基礎架構結構模型，并對云計算基礎架構的主要實(shí)現技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，指出了其優(yōu)點(diǎn)及不足。最后對現云計算基礎架構的未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　1.引言

　　自新千年IT業(yè)引入云計算概念以來(lái)，通過(guò)廣大的市場(chǎng)需求及雄厚的技術(shù)支持，大規模云計算系統已成為當今IT業(yè)發(fā)展的主流。實(shí)現云計算的基礎是實(shí)現云計算系統基礎架構。一個(gè)云計算系統的優(yōu)秀與否，關(guān)鍵在于其基礎架構是否能夠穩定、高效地完成各項任務(wù)。本文試圖結合相關(guān)資料，對云基礎架構及其效能進(jìn)行分析、定義及具體闡述，為下一步研究提供有力參考。

　　2.云計算簡(jiǎn)介

　　云計算的迅猛發(fā)展與廣大的市場(chǎng)需求和強大的技術(shù)支撐密切相關(guān)。首先，隨著(zhù)IT業(yè)的迅猛發(fā)展，各IT運營(yíng)商都形成了各自龐大的服務(wù)器集群。如何實(shí)現現有集群的重新整合以降低運維成本，提高效率成為運營(yíng)商考慮的首要問(wèn)題;另外，IT市場(chǎng)的迅猛發(fā)展也要求各運營(yíng)商提供更加穩定、快捷的服務(wù)。其次，分布式系統、虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展完善，使得服務(wù)集群性能的快速提升成為可能。所以，在上述兩方面原因的相互作用下，云計算得到了前所未有的發(fā)展。

　　目前，不同公司對云計算有著(zhù)不同的理解和實(shí)現方式。通過(guò)對現有云計算系統的分析及對相關(guān)資料的研究[1—5]，本文認為云計算是以商業(yè)需要為出發(fā)點(diǎn)，將數量龐大的服務(wù)器集群整合成為分布式的資源池，通過(guò)虛擬化技術(shù)、Web2.0技術(shù)將資源池強大的計算能力、存儲能力和構建在其基礎之上的各類(lèi)應用以按需計費的形式從不同的層次(Infrastructure、Platform、Application)租賃給用戶(hù)的一種新型網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)模式。

　　3.云計算基礎架構

　　3.1 云計算基礎架構的定義

　　目前，業(yè)界及學(xué)術(shù)界對云計算基礎架構還沒(méi)有一個(gè)統一的定義利標準。各IT運營(yíng)商均根據自身的實(shí)際情況，以各自的理解定義和實(shí)現云計算基礎架構的部署。解放軍理工大學(xué)教授劉鵬在其著(zhù)作《云計算》中提出：云基礎架構及管理層由數據中心與云基礎架構、安全產(chǎn)品、基礎架構和運營(yíng)管理三大部分組成[3]。作為虛擬化技術(shù)的龍頭，Vmware公司在談到其云基礎架構層產(chǎn)品時(shí)說(shuō)道：云計算基礎架構是指通過(guò)虛擬化技術(shù)將傳統數據中心轉變?yōu)樵苹�礎架構并在其之上創(chuàng )建云，將IT基礎架構作為服務(wù)交付給客戶(hù)使用[6]。Lenk等人在其文章談及云計算基礎設施層時(shí)也指出：云基礎架構可劃分為基礎設施服務(wù)和資源集兩大部分，其中資源集可分為虛擬資源集和物力資源集;而基礎設施服務(wù)又分為高級基礎設施服務(wù)、基本基礎設施服務(wù)、計算服務(wù)、存儲服務(wù)和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)[7]。

　　通過(guò)對現有云基礎架構以及對相關(guān)文獻資料的研究，本文認為云計算基礎架構是指由硬件資源(PC服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、路由器、交換機及相關(guān)配套設備)組成，通過(guò)虛擬化技術(shù)、分布式并行技術(shù)整合形成的用以直接對外提供存儲、計算服務(wù)或作為基礎設施為上層云計算應用提供存儲、計算能力支撐的一種高效、可靠并且具有良好擴展性的底層分布式系統。

　　3.2 云計算基礎架構的分類(lèi)

　　通過(guò)分析研究現有云計算系統及相關(guān)[8—12]，本文認為云基礎架構按照服務(wù)的對象可分為基礎型云基礎架構和外向型云基礎架構：基礎型云基礎架構指主要向運系統上層提供計算、存儲資源服務(wù)的云基礎架構，基礎型云基礎架構的代表系統有：TFS、GFS、Cassandra、KIDC;外向型云基礎架構指直接向用戶(hù)提供計算、存儲資源服務(wù)的云基礎架構，外向型云基礎架構的代表系統有：IBM Ensembles、Amazon EC2、Amazon S3、HyperCloud、Megastore。

　　3.3 云基礎架構的結構體系

　　通過(guò)對當前業(yè)界主流云基礎架構系統的分析和對相關(guān)學(xué)術(shù)成果的研究，可以看出云基礎架構的作用是通過(guò)將物理資源轉化為虛擬資源池，實(shí)現對資源的監控、調度和管理以達到為上層應用和用戶(hù)提供彈性的計算和存儲資源的目的。云基礎架構結構框架如圖2。

　　由此本文將云基礎架構分為以下五個(gè)層次：

　　1)物理層是指搭建、部署云基礎架構所需的物理設備和配套環(huán)境。起作用時(shí)為云基礎架構提供基本的物力資源，并保持物理設備的可靠性。

　　2)虛擬層是指通過(guò)虛擬化技術(shù)解除實(shí)現方式、地理位置或底層物理配置對計算機資源的限制，打破上層與物力資源之間的耦合關(guān)系，形成統一的虛擬資源。虛擬層的作用是為上層提供可靠且能夠靈活按需分配的虛擬資源。虛擬層由虛擬計算資源、虛擬存儲資源和虛擬網(wǎng)絡(luò )資源組成。

　　3)數據層是指對云基礎架構內運行的客戶(hù)數據進(jìn)行基本操作和管理的層次。數據層主要包含兩個(gè)部分，既數據處理與數據管理。

　　4)管理層是整個(gè)云基礎架構中的一個(gè)抽象層次。它對云基礎架構的各類(lèi)資源進(jìn)行監控，根據實(shí)際負載狀況對資源進(jìn)行管理和調度并且根據上層需求對資源進(jìn)行快速部署，以保證云基礎架構高效運行。云基礎架構管理層主要由資源監控、負載管理、資源部署和安全管理四個(gè)部分組成。

　　5)服務(wù)層是指為上層云計算應用調用云基礎架構計算、存儲資源預留的接口和對用戶(hù)使用云基礎架構計算、存儲資源提供的交互界面。服務(wù)層對云基礎架構效能的影響體現在服務(wù)層各類(lèi)接口的通用性上。因為服務(wù)層接口與上層的松耦合性能夠減小底層云基礎架構對上層應用的限制，從而提高云基礎架構自身的可用性。

　　3.4 云基礎架構實(shí)現的主要技術(shù)

　　3.4.1 虛擬化技術(shù) 虛擬化是表示計算機資源的一種抽象方法。通過(guò)虛擬化，可以簡(jiǎn)化基礎設施、系統和軟件等計算機資源的表示、訪(fǎng)問(wèn)和管理，并為這些資源提供標準的接口來(lái)接受輸入和提供輸出[2]。通過(guò)虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現在一臺服務(wù)器上運行多個(gè)虛擬機，從而提供服務(wù)器的效率。由于絕大部分PC產(chǎn)品均屬于X86架構，所以本文論述的虛擬化技術(shù)主要指X86架構的虛擬化技術(shù)。當前X86虛擬化技術(shù)的主流產(chǎn)品是VMware的VMware vSphere。

　　vSphere主要用于服務(wù)器的虛擬化，即在一臺物理服務(wù)器上運行多臺虛擬機，以次達到服務(wù)器整合和優(yōu)化的目的。vSphere的核心是ESX架構，它可分為兩部分：Service Console和VMKernel。其中前者提供管理服務(wù)，后者提供虛擬化能力。

　　隨著(zhù)虛擬化技術(shù)在云計算中發(fā)展中的作用越來(lái)越重要，對虛擬化技術(shù)的研究也成為熱點(diǎn)。對虛擬資源的管理便是熱點(diǎn)之一，[13]提出將VM模型集成到資源管理框架里，利用兩極調度將VM的管理集成至批調度器里，以次為用戶(hù)提供調度服務(wù)。

　　當前如Amazon EC2等云計算產(chǎn)品大多是以虛擬機的形式為用戶(hù)提供計算能力，但對于虛擬機的具體配置，需要用戶(hù)手動(dòng)完成，因此虛擬化技術(shù)在自適應方面還需要進(jìn)一步研究。

　　3.4.2 分布式存儲系統

　　隨著(zhù)IT業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)上交易、網(wǎng)上檢索等系統所要處理的數據量越來(lái)越大。如何利用最低的資源成本創(chuàng )造最高的運行效率成為各大運營(yíng)商考慮的首要問(wèn)題。因此研發(fā)人員開(kāi)發(fā)完成了一系列分布式存儲系統，為云計算提供了強有力的后盾。

　　分布式存儲系統研發(fā)目的是為云基礎架構提供高效、海量的數據存儲能力。各大運營(yíng)商在搭建自己的云基礎架構前都會(huì )開(kāi)發(fā)自己的分布式存儲系統如Google的GFS分布式文件系統。Google的GFS(Google File System)[14]是Google研發(fā)完成的作用于底層的分布式文件系統。GFS的作用是為大規模分布式應用系統提供強大的數據存儲服務(wù)。GFS的核心設計思路是將系統故障當作一種常態(tài)來(lái)處理，實(shí)現這一思路的技術(shù)主要是提供多個(gè)副本進(jìn)行操作。在接口方面GFS除提供基本的Creat、Delete、Open、Close、Read、Write外還提供Snapshot和記錄追加兩項操作。Snapshot以最低的開(kāi)銷(xiāo)創(chuàng )建一個(gè)文件或目錄副本，記錄追加則保證多客戶(hù)同時(shí)對文件進(jìn)行數據追加時(shí)的原子性和正確性。

　　GFS含有一個(gè)主控服務(wù)器(Master)和多個(gè)塊服務(wù)器(Chunk Server)。一份文件由外圍設備經(jīng)接口，會(huì )被分為有限個(gè)數據塊(每個(gè)數據塊64MB)。此外，每個(gè)數據塊都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)元數據( 當前分布式存儲系統已成為云基礎架構重要組成之一。在學(xué)術(shù)界，對分布式存儲系統的研究逐漸成為熱點(diǎn)。[11]提出并實(shí)現了一種對等結構分布式存儲系統NDSS，該系統取消了類(lèi)似GFS中主控服務(wù)器的中心節點(diǎn)，而是利用分布式共享內存(DSM，Distributed Shared Memory)實(shí)現了數據一致性模塊，利用分布式共享位圖(DSB，Distributed Shared Bitmap)限制了多個(gè)節點(diǎn)對信息的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，解決了同步訪(fǎng)問(wèn)控制問(wèn)題。以此在對等節點(diǎn)中完成了中心節點(diǎn)的主要功能。從測試結果看，NDSS系統的整體性能優(yōu)于有中心節點(diǎn)的YNS系統[10]。

　　目前，云基礎架構中著(zhù)名的分布式存儲系統還有Google的Bigtable分布式存儲系統和Amazon的Dynamo分布式數據存儲中心[11]等。它們雖然為云基礎架構提供了強大的動(dòng)力，但仍有改進(jìn)之處。

　　3.4.3 并行編程模型

　　并行編程模型是云計算中的一個(gè)重要概念。它是指系統為高效并行處理海量數據而設定的一組數據處理規則。研發(fā)人員為了解決輸入數據的并行計算、分發(fā)數據等問(wèn)題提出了并行編程模型的概念。

　　MapReduce是Google公司開(kāi)發(fā)的一種新的抽象模型，也是當前起主導作用的編程模型。它的設計思路來(lái)源于函數式編程語(yǔ)言的映射和簡(jiǎn)化操作[1]。MapReduce的核心思想是將數據邏輯列表通過(guò)Map函數處理成為鍵值對集