云计算的基础概念

开篇1.1 计算模式的演变

目前，IT技术的发展日新月异，传统的计算模式已经越来越难适应当今大数据的处理以及各类工程或科学计算任务。事实上，伴随着计算机的逐步普及和半导体技术的不断进步，计算模式已经经历了几次大的变革，把这些变革总结归纳，主要包括4个阶段，即字符哑终端一主机、客户一服务器、集群计算和云计算。

1．字符哑终端一一主机

随着1964年第一台基于集成电路的通用电子计算机IBM 360问世，20世纪60～70年代，计算环境主要是主机（大型机）环境，字符哑终端一一主机成为主要的计算模式。这种计算环境主要由一台功能强大、允许多用户连接的主机（大型机）组成，它不具备客户端。多个哑终端通过网络连接到主机，并可以与主机进行通信。哑终端—般只是主机的扩展，用户从终端键盘输入的信息被传到主机，然后由主机将执行的结果以字符方式返回到终端上。哑终端上没有任何程序和数据，所有的程序和数据都集中在主机上，并在主机上运行。主机处理多个用户发出的指令时，处理的方案一般为分时，即计算机把它的运行时间分为多个时间段，并且将这些时间段平均分配给用户指定的任务，轮流地为每一个任务运行一定的时间，如此循环，直至完成所有任务。

“字符哑终端一一主机”是一种集中式的计算模式，可以实现集中管理，安全性也较好，但是，由于集中式的通信，很多任务如字处理软件的使用等就无法与主机进行交互。

2．客户一一服务器

集成电路的快速发展极大地降低了计算机的生产成本，从20世纪70年代末开始，计算机逐步进入家用市场。到了20世纪90年代，个人计算机开始普及，并且形成了相对统一的计算机操作系统，有了方便的计算机软件编程语言和工具。但是，由于个人计算机的计算和存储能力有限，仍有一些计算任务无法在单台个人计算机上完成。为此，“客户一一服务器”的计算模式逐渐兴起，它允许应用程序分别在客户工作站和服务器上执行。客户工作站向服务器发送处理请求，而服务器处理结束后返回处理结果给客户工作站。

在分布式系统的发展历程中，“客户一一服务器”模式扮演了重要角色。20世纪90年代，随着个人计算机的兴起，客户端的处理能力不断增强，促进了这一计算模式的快速发展。在这一模式中，客户端负责应用的呈现，服务器处理应用的逻辑并承担资源管理的任务。这种计算模式的好处是可以利用客户机的处理能力，降低服务器的运算负担，同时也使得针对不同个性的用户呈现不同的界面内容成为可能。然而，这种计算模式往往会造成客户瑞和服务器之间耦合紧密，可伸缩性差，服务器往往成为处理瓶颈。此外，一旦应用环境发生变化，需要改变业务逻辑，一般每个客户端的程序都要进行更新，给系统的维护和管理造成一定的困难。

3．集群计算

“客户一一服务器”计算模式可以将在单台个人计算机上无法完成的计算任务交给服务器协同来完成。但是，很多计算任务并不是单台普通的服务器能够完成的。这时，除了采用更高性能的计算机作为服务器之外，性价比更高的办法是采用计算机集群。尤其是近年来随着硬件能力激增、成本大幅下降，使得通过在电力、能源等较为便宜的地方将硬件设备集中起来实现规模效应成为可能。一些有研发实力的机构或组织开始使用大量廉价的个人计算机或普通服务器来建立集群，从而实现大规模数据中心的功能。

计算机集群通过将一维松散的计算机软件和硬件连接起来，高度紧密地协作完成大型计算工作。集群系统中的单个计算机通常被称为节点，一般通过局域网连接。在某种意义上，它们可以被看作一台计算机。然而，由个人计算机或普通服务器构成的大规模集群面临很多具有挑战性的问题，如可用性和可靠性保障。目前，一台个人计算机或普通服务器的平均无故障运行时间一般是几年，而用几千台个人计算机或普通服务器构成的集群平均几个小时就会有一个节点出现故障。这些问题对集群体系结构、硬件和系统软件设计等都提出了新的挑战。

4．云计算

集群计算将计算资源整合在一起，21世纪初，人们开始研究如何更加合理、高效地利用这样的计算资源，并以服务形式对外共享这些资源。“云计算”便在这样的思想中诞生，它是近十年来在IT领域出现并飞速发展的新技术之一。对于云计算中的“计算”一词大家并不陌生，而对于云计算中的“云”我们可以理解为一种提供资源的方式，或者说，提供资源的硬件和软件系统被统称为“云”。“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、随时扩展、按使用付费。“云计算”模式的出现是对计算资源使用方式的一种巨大的变革，有人打了个比方，从传统计算转向云计算就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便、费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。所以对于云计算，我们可以初步理解为通过网络随时随地获取到特定的计算资源。

1.1 计算模式的演变

目前，IT技术的发展日新月异，传统的计算模式已经越来越难适应当今大数据的处理以及各类工程或科学计算任务。事实上，伴随着计算机的逐步普及和半导体技术的不断进步，计算模式已经经历了几次大的变革，把这些变革总结归纳，主要包括4个阶段，即字符哑终端一主机、客户一服务器、集群计算和云计算。

1．字符哑终端一一主机

随着1964年第一台基于集成电路的通用电子计算机IBM 360问世，20世纪60～70年代，计算环境主要是主机（大型机）环境，字符哑终端一一主机成为主要的计算模式。这种计算环境主要由一台功能强大、允许多用户连接的主机（大型机）组成，它不具备客户端。多个哑终端通过网络连接到主机，并可以与主机进行通信。哑终端—般只是主机的扩展，用户从终端键盘输入的信息被传到主机，然后由主机将执行的结果以字符方式返回到终端上。哑终端上没有任何程序和数据，所有的程序和数据都集中在主机上，并在主机上运行。主机处理多个用户发出的指令时，处理的方案一般为分时，即计算机把它的运行时间分为多个时间段，并且将这些时间段平均分配给用户指定的任务，轮流地为每一个任务运行一定的时间，如此循环，直至完成所有任务。

“字符哑终端一一主机”是一种集中式的计算模式，可以实现集中管理，安全性也较好，但是，由于集中式的通信，很多任务如字处理软件的使用等就无法与主机进行交互。

2．客户一一服务器

集成电路的快速发展极大地降低了计算机的生产成本，从20世纪70年代末开始，计算机逐步进入家用市场。到了20世纪90年代，个人计算机开始普及，并且形成了相对统一的计算机操作系统，有了方便的计算机软件编程语言和工具。但是，由于个人计算机的计算和存储能力有限，仍有一些计算任务无法在单台个人计算机上完成。为此，“客户一一服务器”的计算模式逐渐兴起，它允许应用程序分别在客户工作站和服务器上执行。客户工作站向服务器发送处理请求，而服务器处理结束后返回处理结果给客户工作站。

在分布式系统的发展历程中，“客户一一服务器”模式扮演了重要角色。20世纪90年代，随着个人计算机的兴起，客户端的处理能力不断增强，促进了这一计算模式的快速发展。在这一模式中，客户端负责应用的呈现，服务器处理应用的逻辑并承担资源管理的任务。这种计算模式的好处是可以利用客户机的处理能力，降低服务器的运算负担，同时也使得针对不同个性的用户呈现不同的界面内容成为可能。然而，这种计算模式往往会造成客户瑞和服务器之间耦合紧密，可伸缩性差，服务器往往成为处理瓶颈。此外，一旦应用环境发生变化，需要改变业务逻辑，一般每个客户端的程序都要进行更新，给系统的维护和管理造成一定的困难。

3．集群计算

“客户一一服务器”计算模式可以将在单台个人计算机上无法完成的计算任务交给服务器协同来完成。但是，很多计算任务并不是单台普通的服务器能够完成的。这时，除了采用更高性能的计算机作为服务器之外，性价比更高的办法是采用计算机集群。尤其是近年来随着硬件能力激增、成本大幅下降，使得通过在电力、能源等较为便宜的地方将硬件设备集中起来实现规模效应成为可能。一些有研发实力的机构或组织开始使用大量廉价的个人计算机或普通服务器来建立集群，从而实现大规模数据中心的功能。

计算机集群通过将一维松散的计算机软件和硬件连接起来，高度紧密地协作完成大型计算工作。集群系统中的单个计算机通常被称为节点，一般通过局域网连接。在某种意义上，它们可以被看作一台计算机。然而，由个人计算机或普通服务器构成的大规模集群面临很多具有挑战性的问题，如可用性和可靠性保障。目前，一台个人计算机或普通服务器的平均无故障运行时间一般是几年云计算概念，而用几千台个人计算机或普通服务器构成的集群平均几个小时就会有一个节点出现故障。这些问题对集群体系结构、硬件和系统软件设计等都提出了新的挑战。

4．云计算

集群计算将计算资源整合在一起，21世纪初，人们开始研究如何更加合理、高效地利用这样的计算资源，并以服务形式对外共享这些资源。“云计算”便在这样的思想中诞生，它是近十年来在IT领域出现并飞速发展的新技术之一。对于云计算中的“计算”一词大家并不陌生，而对于云计算中的“云”我们可以理解为一种提供资源的方式，或者说，提供资源的硬件和软件系统被统称为“云”。“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、随时扩展、按使用付费。“云计算”模式的出现是对计算资源使用方式的一种巨大的变革，有人打了个比方，从传统计算转向云计算就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便、费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。所以对于云计算，我们可以初步理解为通过网络随时随地获取到特定的计算资源。

1.2 云计算的定义一、云计算的定义

通过上一节的介绍，我们不难看出云计算是一种新技术，同时也是一种新概念，一种新模式，而不是单纯地指某项具体的应用或标准。目前，许多人对云计算的理解就如同盲人摸象，不同的人从不同的角度出发就会有不同的理解，如图1.2.1所示。为了尽量准确而全面地理解云计算，了解云计算产业相关的方方面面，我们需要进一步了解来自业界的对于云计算的说法。

首先看看一些著名企业的观点，他们对于业界的众多厂商有著全面的了解，因而他们的说法有一定的中立性。

前Gartner研究副总裁Ben Pring认为，云计算正在成为一个大众化的词语。作为一个对互联网的比喻，“云”是很容易理解的。一旦同“计算”联系起来，它的意义就扩展了，而且开始变得模糊起来。

图1.2.1 对云计算的理解如同盲人摸象

美林证券认为，云计算是通过互联网从集中的服务器交付个人应用（E-mail、文档处理和演示文稿）和商业应用（销售管理、客户服务和财务管理）。这些服务器共享资源，如存储、处理能力和带宽。通过共享，资源能得到更有效的利用，而成本也可以降低80%～90%。

而美国知名IT网站Information Week的定义则更加宽泛，其认为云计算是一个环境，其中任何的IT资源都可以以服务的形式提供。

就连财经媒体也对云计算很感兴趣。美国最畅销的日报《华尔街日报》也在密切跟踪云计算的进展。它认为云计算使得企业可以通过互联网从超大数据中心获得计算能力、存储空间、软件应用和数据采集，客户只需要在必要时为他使用的资源付费，而不用建立自己的数据中心并采购服务器和存储设备。

下面再来看看各个IT厂商的看法。

IBM认为，云计算是一种计算风格，其基础是用公共或私有网络实现服务、软件及处理能力的交付。云计算的重点是用户体验，而核心是将计算服务的交付与底层技术相分离。在用户界面之外，云背后的技术对于用户来讲是不可见的，这使得云计算对于用户来说十分友好。云计算也是一种实现基础设施共享的方式，其中大的资源池在公共或私有网络中，被连接在一起来提供IT服务。云计算的推动力来自接入互联网设备的急剧增长、实时数据流、SOA及Web 2.0应用的广泛出现，比如Mashup、开放式协作、社会网络和移动商务。

微软认为，如果未来计算能力和软件全集中在云上，那么客户端就不需要很强的处理能力了，Windows也就失去了大部分的作用。因此，微软的提法一直是“云+端”。微软设想，未来的计算模式是云端计算，而不是单纯的云计算。一字之差，带来的含义却大不相同。这里的端是指客户端，也就是说云计算一定要有客户端来配合。微软全球资深副总裁张亚勤博士认为：“从经济学角度来说，带宽、存储和计算不会是免费的，消费者需要找到符合他们需要的模式，因而端的计算一定是存在的：从通信的供求关系来说，虽然带宽增长了，但内容也在同步增长，比如视频、3G图像等，带宽的限制总是存在的：从技术角度来说，端的计算能力强，才能带给用户更多精彩的应用。”其实微软对于云计算本身的定义并没有什么不同，只不过是强调了“端”在云计算中的重要性。

而在学术界，网格计算之父 Ian Foster 认为，云计算是一种大规模分布式计算的模式，其推动力来自规模化所带来的经济性。在这种模式下，一些抽象的、虚拟化的、可动态扩展和被管理的计算能力、存储、平台和服务汇聚成资源池，通过互联网按需交付给外部用户。他认为云计算的几个关键点是：大规模可扩展性；可以被封装成一个抽象的实体，并提供不同的服务水平给外部用户使用；由规模化带来的经济性；服务可以被动态配置（通过虚拟化或者其他途径），按需交付。

来自伯克利（Berkeley）大学的一篇技术报告则指出，云计算既是指透过互联网交付的应用，也是指在数据中心中提供这些服务的硬件和系统软件。前半部分即是SaaS，而后半部分则被称为Cloud。简单地说，其认为云计算就是“SaaS+效用计算（Utilitycomputing）”。如果这个基础架构可以按照根据使用付费的方式提供给外部用户，那么这就是公共云，否则便是私有云。公共云即是效用计算，SaaS的提供者同时也是公共云的用户。

根据以上这些说法不难发现，大家对于云计算的看法基本上还是一致的，只是在某些范围的划定上有所区别。现阶段广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义，该定义如下，云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，就可以让这些资源能够被快速提供。来自维基百科上的定义也基本上涵盖了各个方面的看法，可以认为是比较中立和值得借鉴的。维基百科上对云计算的定义是这样的：云计算是一种计算模式，在这种模式下，动态可扩展而且通常是虚拟化的资源通过互联网以服务的形式提供出来，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，也无须直接进行控制，而只需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。

由以上的分析我们可以给出一个更加技术性的定义：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。

（编辑：湘西站长网）

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