云计算系统架构与实例研究
剖析了当前典型云计算参与企业所采用的云计算实现方案，分析了这些实例的作用和采用的技术，比较了各个企业实例的优缺点。旨在为了解云计算当前发展状况、研究趋势以及用户科学地选择云计算提供参考。
关键词：云计算；云计算平台；服务架构
中图分类号：TP3-0文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）012-0003-03
1云计算概述
1.1云计算相关定义
由于云计算是一个概念，而不是指某项具体的技术或标准，于是许多专家、研究组织以及相关厂家从不同的研究视角给出了云计算的定义。 虽然云计算的定义各有侧重，但其实大家对云计算基本上形成了一致的看法：云计算是一种模式，它实现了对共享可配置计算资源（网络、服务器、存储、应用和服务等）的方便、按需访问；这些资源可以通过极小的管理代价或者与服务提供者的交互被快速地准备和释放。如图1所示。
图1云计算定义
1.2SPI服务模式
根据NIST的权威定义，云计算有SPI， 即SaaS、PaaS和IaaS三大服务模式，这是目前被业界最广泛认同的划分。
（1）SaaS（Software-as-a-Service）：软件即服务。提供给客户的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，用户可以在各种设备上通过客户端界面访问，如浏览器。消费者不需要管理或控制任何云计算基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储等。
（2）PaaS（Platform-as-a-Service）：平台即服务。提供给消费者的服务是把客户开发的或收购的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上去。客户不需要管理或控制底层的云基础设施，包括网络、服务器、操作系统、存储等，但客户能控制部署的应用程序，也可能控制运行应用程序的托管环境配置。
（3）IaaS（Infrastructure-as-a-Service）：基础设施即服务。提供给消费者的服务是对所有设施的利用，包括处理、存储、网络和其它基本的计算资源，用户能够部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。消费者不管理或控制任何云计算基础设施，但能控制操作系统的选择、储存空间、部署的应用，也有可能获得有限制的网络组件（例如防火墙、负载均衡器等）的控制。
图2NIST云服务SPI模式
2云计算实例
云计算是一种基于互联网的商业计算模型，其目标是以低成本的方式提供高可靠、高可用、规模可伸缩的个性化服务。简言之，云计算就是由商家为人们提供服务。因此，本节详细介绍了典型厂商SPI各个层面的云计算实例。
2.1IBM
IBM有全面的云计算实例，服务器、存储、管理软件、中间件和应用软件，在云计算的SPI三个层次，IBM都有解决方案和实例。IBM的云计算提供了从硬件、软件到服务的全面支持。如图3所示是IBM的云计算实施框架以及在该框架中可以提供的实例。
图3IBM云计算实施框架
2.1.1IaaS层面
在该层面，IBM主要提供IT基础设施和完整的基础架构云计算解决方案。其中，CloudBurst是一个软硬件大包的实例，它内置了提供IaaS服务所需的各种硬件、软件，从而能够实现计算云的快速简捷部署；桌面云能够为用户提供私有的桌面云，从而实现桌面的安全集中化管理；存储云专门为企业用户提供存储和备份云服务；测试云提供针对开发测试的云服务。
2.1.2PaaS层面
在PaaS层面，IBM主要提供定制化的平台云层服务所需的中间件实例和云应用开发工具。其中，WebSphere Virtual Enterprise实例通过在中间件级别实现虚拟化，为应用提供对其服务级别协议的保证，它可以同时托管多个J2EE应用并保证动态的可扩展性，也可运行非J2EE应用，如PHP等；WebSphere CloudBurs是一个运行WebSphere中间件的硬件实例，可方便用户管理庞大的应用集群；WebSphere sMash和Lotus Mashup都是支持Mashup的实例，它们可以支持不同用户动态创建和发布即时应用；WebSphere eXtreme Scale和DB2 pureScale则用于帮助解决云计算中应用的扩展问题；WebSphere eXtreme Scale是一种分布式缓存平台，可以动态地处理、分区、复制和管理数百台服务器中的数据，用于帮助事务紧密型应用实现有弹性的伸缩。DB2 pureScale是一种新的数据库集群技术，可以实现多个节点对于同一数据的并行访问。
2.1.3SaaS层面
LotusLive实例是IBM在SaaS层面上的代表性解决方案，它是一个 IBM 托管的在线服务实例组合，可以提供可扩展的安全的电子邮件、Web 会议和协作解决方案，LotusLive 服务向用户提供更加有效的与公司内外人员（包括客户、合作伙伴和提供商）协作的新方式，只需支付合理的包月使用费；Rational 专门提供面向软件开发项目管理与交付的实例、服务和最佳实践，覆盖了从设计到交付的整个项目生命周期，包括需求定义、设计与开发、变更与发布、质量管理、安全与循规管理等；旨在帮助企业提升软件交付的创新能力和投资收益；随需应变容量管理也是内建于IBM 服务器及储存系统内的一大优点，客户在需要时可购买提供额外的容量，而不需要加入新的硬件来扩充。
2.2Google
2.2.1IaaS层面
以往，Google只有Google Storage的云存储服务。2012年，Google开始切入IaaS市场，Google宣布了最新的实例——实时可用性的Google Compute Engine。GCE部署大量的服务器，以便解决海量数据计算等问题。通过GCE可快速获取超级数据中心的计算能力。GCE提供4种规格，分别是配备1颗、2颗、4颗与8颗虚拟运算核心，每一运算核心配置3.75GB内存，它支持并行的工作，未来还将提供高伸缩性的集群（32+ Cores），提供了成熟、纯粹、高性能、高扩展计算基础架构，并按需计价。
2.2.2PaaS层面
Google App Engine（GAE），允许开发者在 Google 的基础架构上运行网络应用程序。GAE 应用程序易于构建和维护，并可根据访问量和数据存储需要的增长轻松扩展。使用 GAE将不再需要维护服务器，开发者只需上传应用程序，它便可立即为用户提供服务。GAE主要支持普通的Web应用，由应用服务器、Datastore、服务、管理界面、本地开发环境五大部分组成。
2.2.3SaaS层面
SaaS层面的实例分为两大部分，其一是主要面向个人的普通SaaS服务，其二是面向公司和机构的企业级SaaS服务。普通SaaS服务主要有搜索、地图产品、视频播放、照片共享、社交站点、协作工具；企业级SaaS服务主要有企业版Gmail、文档、日历、网上论坛、协作平台、视频等。
2.3Amazon
2.3.1IaaS层面
Simple Storage Service（S3），简易储存服务。S3是Amazon公司首先推出的云计算服务，可提供给企业和个人使用。S3 是一个公开的服务，Web 应用程序开发人员可以使用它存储数字资产，包括图片、视频、音乐和文档，S3是可伸缩的、可靠的、按需使用的。S3提供了REST和SOAP（简单对象访问协议）两套接口，而且还可以使用Elasticfox和Firefox插件来管理S3中的数据。在安全方面，S3提供了账户认证、访问控制列表、查询字符串认证和冗余备份四种机制来确保数据的安全。
Elastic Compute Cloud（EC2），弹性计算云。EC2是Amazon公司推出的最重要的云计算服务。EC2以提供多种类型的虚拟机（实例）为主。通过使用EC2，可以在任何时候根据个人或企业的需求来选择不同类型和大小的实例，并在几分钟内创建、启动和运行这个虚拟实例，主要根据实例的类型和实际使用的时间付费。另外，可以根据用户的需求来调整计算能力，比如关闭已经完成计算的实例，或者添加新的实例来应对新增的突发流量。
2.3.2PaaS层面
Amazon Elastic Beanstalk（来自 Amazon Web Services 的新实例），提供了基于 Amazon Elastic Computing Cloud （EC2） 基础设施的受管理的 Apache Tomcat 运行时环境。通过自动启动新的 EC2 实例并将WAR 文件部署到新的实例，Beanstalk 可以扩展应用程序。所有 Beanstalk EC2 实例都正运行在负载平衡器后面。可以使用基于 web 的管理控制台来监控可用于每一个 EC2 实例上的资源，并设置规则，从而在现有服务器负载超过预设限制时自动启动负载平衡器后面的新服务器实例。
2.4Microsoft
2.4.1PaaS层面
Windows Azure平台，如图4所示，微软云计算平台包括三大组成部分：Windows Azure、SQL Azure、Windows Azure Platform AppFabric。Windows Azure 可看成一个云计算服务的操作系统，也是云计算的基础服务层，主要从事虚拟化计算资源管理和智能化任务分配；SQL Azure是云中的数据库，SQL Azure运行云计算的关系数据库服务，是一种云存储的实现，并提供网络型的应用程序数据存储的服务，它的基础是SQL Server 2008；AppFabric 是一个基于 Web 的开发服务，它可以把现有应用和服务与云平台的连接和互操作变得更为简单，AppFabric作为中间件层，将起到连接非云端程序与云端程序桥梁的功能。它提供了两大服务，服务总线和访问控制。AppFabric 让开发人员可以把精力放在他们的应用逻辑上而不是在部署和管理云服务的基础架构上。微软云计算平台给用户提供的功能和服务主要包括计算、存储、通信、管理。可在微软云平台上进行Web应用程序、并行计算、分析应用程序3类开发。
图4Windows Azure 平台
3实例比较
3.1IBM
优点：有行业针对性的云解决方案，以及丰富的行业实践经验。有全面的云计算实例。基于蓝云计划的6+1行业解决方案提供7种典型的行业云应用场景。
缺点：价格上没有优势。
3.2Google
优点：在SaaS层面，Google的Gmail、文档、日历、网上论坛、协作平台、视频比较成功。
缺点：在PaaS层面， Google App Engine（GAE）可供处理的场景不多，这点不如Amazon 的Beanstalk。另外，在IaaS层面的Google Wave、Google Buzz以及Dodgeball都失败了，目前推出了Compute Engine，该实例还不成熟。
3.3Amazon
优点：是首个推出云服务的厂商，在IaaS领域独领风骚。
缺点：亚马逊云服务近期多次发生中断故障，这些服务中断事故严重影响到了用户对于亚马逊的信任。而且，由于亚马逊不具备真正的IT产品运维和平台运营基因，要进军PaaS和SaaS领域困难重重。
3.4Microsoft
优点：微软的Windows Azure，可以提供公有云、私有云服务。在私有云方面，扮演技术引导者角色。
缺点：成功的案例基本都是私有云，虽然微软大中华区开发总经理谢恩伟强调微软比IBM前卫，比Google应用广泛，但对应用云计算的企业来讲，成熟稳定比前卫更重要。
4结语
云计算是基于多种技术的新兴计算模式，随着现代软件应用和商务处理的全球化、信息化和自动化，必将为云计算的研究发展提供广泛的市场和应用背景。本文首先介绍了云计算的概念和架构，然后全面分析了典型的云供应商在云计算的三层架构IaaS、PaaS、SaaS上的代表性实例，研究了各个实例使用的技术以及能够提供的服务，最后比较了各个公司的云计算实例，分析了各个公司实例的优缺点，为企业、政府、个人选择云计算实例提供了帮助。
参考文献：
[1]BOSS G，MALLADI P，QUAN D，et al.Cloud computing.IBM White Paper[EB/OL].http：//download.boulder.ibm.com/ibmdl/pub/software/dw/wes/hipods/Cloud_computing_wp_final_8Oct.pdf，2007.
[2]MELL P，GRANCE T.The NIST definition of cloud computing[R].National Institute of Standard and Technology，U S Department of Commerce，2010.
[3]Issa百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2482595.htm.
[4]雷万云.云计算——技术、平台及应用案例[M].北京：清华大学出版社，2011.
[5]雷万云.云计算——企业信息化建设策略与实战[M].北京：清华大学出版社，2011.
[6]杨正洪.企业云计算架构与实施指南[M].北京：清华大学出版社，2011.
[7]陆嘉恒.分布式系统及云计算概论[M].北京：清华大学出版社，2011.
[8]朱近之.智慧的云计算[M].北京：电子工业出版社，2011.
（责任编辑：杜能钢）