云计算研究现状综述Word文档格式.docx

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来，随着网络技术的不断发展，按照高负载配置的服务器集

群，在遇到低负载的时候，会有资源的浪费和闲置，导致用户

的运行维护成本提高。

而云计算把网络上的服务资源虚拟

化，整个服务资源的调度、管理、维护等工作由专门的人员负

责，用户不必关心“云”内部的实现，因此云计算实质上是给用

户提供像传统的电力、水、煤气一样的按需计算服务［２，３］，它

是一种新的有效的计算使用范式。

并且，云计算是分布式计

算、效用计算、虚拟化技术、Ｗｅｂ服务、网格计算等技术的融

合和发展，其目标是用户通过网络能够在任何时间、任何地点

最大限度地使用虚拟资源池，处理大规模计算问题。

目前，在

学术界和工业界共同推动之下，云计算及其应用呈现迅速增

长的趋势，各大云计算厂商如Ａｍａｚｏｎ，ＩＢＭ，Ｇｏｏｇｌｅ，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ，

Ｓｕｎ等公司都推出自己研发的云计算服务平台［４］。

而学术界也源于云计算的现实背景纷纷对模型、应用、成本、

仿真、性能优化、测试等诸多问题进行了深入研究，提出了各

自的理论方法和技术成果，极大地推动了云计算继续向前发

展。

图１　云计算模式的演化

文献［５］从几种典型的云计算实现方案角度，综述了云计

算背后所采用的技术；

文献［６］提出了云计算服务栈框架，综

述归类了不同的云计算服务对应的服务层次；

文献［３］从云计

·

３２·

算定义描述的视角，分析了云计算的特点。

但上述综述文献

没有说明云计算服务类型和框架层次的对应关系，以及最新

的研究工作是在何种服务类型和框架内进行。

本文则是从云

计算服务类型和框架的二维角度综合分析了云计算的本质，

阐述了源于这些服务类型和框架的相关研究工作。

本文第２

节针对云计算的概念从不同角度给出多种描述的定义，揭示

其本质的特征；

第３节比较Ｗｅｂ服务、网格、云计算３个概

念，强调云计算不同于以往相近技术的特征；

第４节剖析云计

算的服务类型和框架；

第５节就云计算所涉及的范畴的研究

作了分类概括；

最后总结全文，指出未来研究方向并展望后续

工作。

２　云计算的定义和特点

目前，不同文献和资料对云计算的定义有不同的表

述［３，１８，１９］，主要有以下几种代表性的定义。

定义１　云计算［１８］是一种能够在短时间内迅速按需提供

资源的服务，可以避免资源过度和过低使用。

定义２　云计算［１９］是一种并行的、分布式的系统，由虚拟

化的计算资源构成，能够根据服务提供者和用户事先商定好

的服务等级协议动态地提供服务。

定义３　云计算［３］是一种可以调用的虚拟化__________的资源池，

这些资源池可以根据负载动态重新配置，以达到最优化使用

的目的。

用户和服务提供商事先约定服务等级协议，用户以

用时付费模式使用服务。

３个不同文献的定义中，定义１强调了按需使用方式，定

义２中突出了用户和服务提供商双方事先商定的服务等级协

议。

这两个定义都从一定的角度给出定义。

定义３综合了前

面两种定义的描述，更好地揭示了云计算的特点和本质。

通

过以上的定义分析，可以得出云计算具有如下一些特点。

（１）服务资源池化：

通过虚拟化技术，对存储、计算、内存、

网络等资源化，按用户需求动态地分配。

（２）可扩展性：

用户随时随地可以根据实际需求，快速弹

性地请求和购买服务资源，扩展处理能力。

（３）宽带网络调用：

用户使用各种客户端软件，通过网络

调用云计算资源。

（４）可度量性：

服务资源的使用可以被监控、报告给用户

和服务提供商，并可根据具体使用类型（如带宽、活动用户数、

存储等）收取费用。

（５）可靠性：

自动检测失效节点，通过数据的冗余能够继

续正常工作，提供高质量的服务，达到服务等级协议要求

（ＳＬＡ）。

云计算新的范式的特点带来了众多的优势，同时引入了

一些新的问题亟待解决。

这些因素制约着云计算技术及其应

用的发展，如表１所列。

表１　云计算的优势和对应问题

云计算优势问题

安全性

缩短单机密集数据处理任务时

间，把处理任务分配到各个节点

计算，提高了效率。

用户关注传输到云计算端的敏感

处理数据是否安全。

可靠性

减少用户购买物理硬件设备的费

用，资源以服务的方式进行租赁，

降低用户资金投入的前期风险，

促进用户把精力投入业务中。

虽然用户不需要维护软件、硬件，

但是用户使用云计算服务的质量

依赖云计算本身的质量。

可维

护性

提供专业的软件管理和维护服

务，减少了普通用户软件平台的

日常维护管理成本。

是否所有的软件应用都适合在云

计算环境下开发应用，而以往的

软件应用如何移植到云计算环境

下。

交互性

用户可以根据业务需要动态地按

需请求云计算服务，处理高峰期

负载并在非高峰期释放资源。

云计算服务提供商的实际扩展能

力有限，需要多个云计算服务商

间的交互，而云计算服务之间的

交互性较差。

３　Ｗｅｂ服务、网格和云计算

Ｗｅｂ服务、网格和云计算很多地方有相似之处，并且云

计算是前两者的演化、发展，因此各个概念间容易混淆。

区分

相关概念间的差异性，有助于理解和把握云计算的本质。

如

表２所列，本节比较每个概念之间的特征，分析彼此间的相互

关联。

（１）异构性：

Ｗｅｂ服务仅支持软件层次上异构的服务，用

户调用的服务可以是各种语言开发的功能模块，而网格和云

计算模型均支持软件和硬件的异构资源聚合调用。

（２）虚拟化：

Ｗｅｂ服务没有虚拟化，提供的是系统的功能

模块，网格和云计算分别支持虚拟化的技术，并且云计算是对

硬件资源、操作平台的虚拟化，而网格只是数据和计算资源的

虚拟化。

（３）应用驱动：

Ｗｅｂ服务用户通过调用服务提供者暴露

给外界的ＡＰＩ，使用该系统需要的某个特定功能。

网格计算

是利用网络未用计算资源进行科学计算，云计算则提供给了

普通用户需要的各种服务，如存储、计算、应用服务等，具有更

宽泛的适用性。

（４）可扩展性：

Ｗｅｂ服务扩展能力有限，网格服务主要通

过增加节点来扩展处理能力。

云计算可根据需求，重新动态

自动配置资源池，具有较好的扩展性。

（５）标准化：

Ｗｅｂ服务和网格技术经过不断的发展和成

熟，在用户调用以及内部资源调用接口上，实现了较好的互操

作性［２０］，而云计算由于本身发展的不完善性，在这方面还存

在很多问题有待解决，制约了云计算的应用。

（６）节点操作系统：

Ｗｅｂ服务和网格各节点都采用相同

的操作系统，而云计算则比较灵活，提供了多种操作系统的虚

拟机，为上层的云计算应用服务。

（７）容错性：

云计算在实现机制上采取了冗余的数据副

本，保证了不必像Ｗｅｂ服务和网格计算那样数据执行失效后

还需重新执行。

表２　Ｗｅｂ服务、网格、云计算的比较

特征Ｗｅｂ服务网格云计算

异构性支持软件层次的异

构性

支持软件、硬件层

次的异构性

虚拟化无数据和计算资源虚

拟化

硬件、软件资源虚

可扩展性可变可变，较好按需提供

应用驱动调用其他系统特定

的功能模块

有限的科学计算服

务

提供普通用户硬

件、存储、软件等服

标准化比较完善比较完善有待解决

节点操

作系统相同的系统相同的系统多种操作系统的虚

拟机

容错性重新执行重新执行转移到其他节点继

续行

３３·

４　云计算的类型和框架

云计算的类型从不同的角度有不同的划分，本节从地理

位置部署的横向和云计算提供服务从底层到高层的纵向角度

分类介绍各种云计算，结合典型的云计算服务平台，在表３中

总结比较各自的异同和特征，由此在图２中分析云计算框架

的构成，讨论各层次需要构建的机制和实现方案。

表３　代表性的云计算服务及平台比较

属性Ａｍａｚｏｎ

ＥＣ２Ｈａｄｏｏｐ

Ｇｏｏｇｌｅ

ＡｐｐＥｎｇｉｎｅ

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

Ａｚｕｒｅ

Ｓａｌｅｓ

Ｆｏｒｃｅ．ｃｏｍ

（ＣＲＭ）

Ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ

等

类型Ｉａａｓ　Ｉａａｓ　Ｐａａｓ　__________Ｐａａｓ　Ｓａａｓ　Ｓａａｓ

服务内容存储、计算、管理和

应用服务

程序运行ＡＰＩ和开

发、部署系统平台Ｗｅｂ应用和服务

用户调

用方式

可靠的底层ＡＰＩ和

命令行工具

Ｗｅｂ　ＡＰＩ和命令行

工具

主要以简单的浏览器

方式使用

平台Ｌｉｎｕｘ，ＷｉｎｄｏｗｓＬｉｎｕｘ，Ｗｉｎｄｏｗｓ．Ｎｅｔ

平台Ｌｉｎｕｘ，Ｗｉｎｄｏｗｓ

特征

提供用户虚拟化的

存储、处理、计算服

务等基础设施资源

和框架

提供在云环境下的程

序应用开发运行平台

提供任何时间、地点

的应用程序使用

部署模式

及语言

自定义基于Ｌｉｎｕｘ

的亚马逊虚拟映象

（ＡＭＩ）和Ｊａｖａ语言

Ｐｙｔｈｏｎ，

Ｊａｖａ

．Ｎｅｔ支持

的语言

无需部署，可以浏览

器方式调用

图２　云计算框架图

从云计算部署的角度，云计算分为私有云、社区云、公共

云和混合云。

私有云被一个组织管理操作。

社区云由多个组

织共同管理操作，具有一致的任务调度和安全策略。

公共云

由一个组织管理维护，提供对外的云服务，可以被公众所拥

有。

混合云是以上两种或两种以上云的组合。

从云计算服务

的角度，云计算服务类型可以分为基础设施即服务（Ｉａａｓ）、平

台即服务（Ｐａａｓ）、软件即服务（Ｓａａｓ）。

（１）Ｉａａｓ在服务层次上是最底层服务，接近物理硬件资

源，通过虚拟化的相关技术，为用户提供处理、存储、网络以及

其他资源方面的服务，以便用户能够部署操作系统和运行软

件。

这一层典型的服务如亚马逊的弹性云（Ａｍａｚｏｎ，ＥＣ２）［７］

和Ａｐａｃｈｅ的开源项目Ｈａｄｏｏｐ［８］。

ＥＣ２与Ｇｏｏｇｌｅ提供的云

计算服务不同，Ｇｏｏｇｌｅ只为在互联网上的应用提供云计算平

台，开发人员无法在这个平台上工作，因此只能转而通过开源

的Ｈａｄｏｏｐ软件支持来开发云计算应用。

而ＥＣ２给用户提供

一个虚拟的环境，使得可以基于虚拟的操作系统环境运行自

身的应用程序。

同时，用户可以创建亚马逊机器镜像（ＡＭＩ），

镜像包括库文件、数据和环境配置，通过弹性计算云的网络界

面去操作在云计算平台上运行的各个实例（Ｉｎｓｔａｎｃｅ），同时用

户需要为相应的简单存储服务（Ｓ３）和网络流量付费。

Ｈａｄｏｏｐ

是一个开源的基于Ｊａｖａ的分布式存储和计算的项目，其

本身实现的是分布式文件系统（ＨＤＦＳ）以及计算框架ＭａｐＲｅｄｕｃｅ

［９］。

此外，Ｈａｄｏｏｐ包含一系列扩展项目，包括了分布

式文件数据库ＨＢａｓｅ［１０］（对应Ｇｏｏｇｌｅ的ＢｉｇＴａｂｌｅ）、分布式协

同服务ＺｏｏＫｅｅｐｅｒ［１１］（对应Ｇｏｏｇｌｅ的Ｃｈｕｂｂｙ）等等。

有一个单独的主节点，主要负责ＨＤＦＳ的目录管理（Ｎａｍｅ－

Ｎｏｄｅ）以及作业在各个从节点的调度运行（ＪｏｂＴｒａｃｋｅｒ）。

（２）Ｐａａｓ是构建在基础设施即服务之上的服务，用户通

过云服务提供的软件工具和开发语言，部署自己需要的软件

运行环境和配置。

用户不必控制底层的网络、存储、操作系统

等技术问题，底层服务对用户是透明的，这一层服务是软件的

开发和运行环境。

这一层服务是一个开发、托管网络应用程

序的平台，代表性的有Ｇｏｏｇｌｅ　Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ［１２］和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

Ａｚｕｒｅ［１３］。

使用Ｇｏｏｇｌｅ　Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ，用户将不再需要维护服

务器，用户基于Ｇｏｏｇｌｅ的基础设施上传、运行应用程序软件。

目前，Ｇｏｏｇｌｅ　Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ用户使用一定的资源是免费的，如

果使用更多的带宽、存储空间等需要另外收取费用。

Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ提供一套ＡＰＩ使用Ｐｙｔｈｏｎ或Ｊａｖａ来方便用户编

写可扩展的应用程序，但仅限Ｇｏｏｇｌｅ　Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ范围的有

限程序，现存很多应用程序还不能很方便地运行在Ｇｏｏｇｌｅ

Ａｐｐ　Ｅｎｇｉｎｅ上。

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ａｚｕｒｅ构建在Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ数据中心

内，允许用户应用程序，同时提供了一套内置的有限ＡＰＩ，方

便开发和部署应用程序。

此平台包含在线服务Ｌｉｖｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ

、关系数据库服务ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ、各式应用程序服务器服

务．ＮＥＴ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ等。

（３）最上一层Ｓａａｓ，该服务是前两层服务所开发的软件应

用，不同用户以简单客户端的方式调用该层服务，例如以浏览

器的方式调用服务。

用户可以根据自己的实际需求，通过网

络向提供商定制所需的应用软件服务，按服务多少和时间长

短支付费用。

最早提供该服务模式的是Ｓａｌｅｓｆｏｒｃｅ公司运行

的客户关系管理系统（ＣＲＭ）［１４］，它是在该公司Ｐａａｓ的

ｆｏｒｃｅ．ｃｏｍ平台下开发的Ｓａａｓ，而Ｇｏｏｇｌｅ的在线办公自软

件［１５，１６］如文档、表格、幻灯片处理也是采用Ｓａａｓ服务模式。

云计算提供的不同层次服务使开发者、服务提供商、系统

管理员和用户面临许多挑战。

图２对此做出归纳概述。

底层

的物理资源经过虚拟化转变为多个虚拟机，以资源池多重租

赁的方式提供服务，提高了资源的效用。

核心中间件起到任

务调度、资源和安全管理、性能监控、计费管理等作用。

一方

面，云计算服务中涉及到大量的调用第三方软件及框架和重

要数据处理的操作，这需要有一套完善的机制，以保证云计算

服务安全有效地运行；

另一方面，虚拟化的资源池所__________在的数据

中心往往电力资源耗费巨大，解决这样的问题需要设计有效

的资源调度策略和算法。

在用户通过代理或者直接调用云计

算服务的时候，需要和服务提供商之间建立服务等级协议

（Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｌｅｖｅｌ　Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ，ＳＬＡ），那么必然需要服务性能监

控，以便设计出比较灵活的付费方式。

此外，还需要设计便捷

的应用接口，方便服务调用。

而用户在调用中选择什么样的

云计算服务，这就要设计合理的度量标准并建立一个全球云

计算服务市场以供选择调用［１７］。

５　相关工作

本节主要阐述云计算最新研究进展，就云计算各个方面

３４·

的研究工作分类讨论并分析各个方向研究问题的相互关联，

论述相关研究工作是关于哪种云计算服务类型以及涉及到框

架中的哪些内容。

表４做了分类概括。

表４　云计算相关研究对比

研究方向研究内容所属服务类型涉及的框架部分

性能优化研究执行过程中各因素的

影响，找出优化方案Ｉａａｓ

任务调度、资源管

理、性能监控

测试

测试云计算底层服务的运

行错误并利用云计算服务

资源对其他软件进行测试

Ｉａａｓ，Ｓａａｓ资源管理性能监控

仿真云计算执行的仿真、模拟Ｉａａｓ主要框架内容

网络安全云计算底层的网络架构、

协议设计、存取控制等Ｉａａｓ，Ｓａａｓ

底层网络、存储、用

户管理、安全管理

技术应用云计算和其他技术的结合Ｉａａｓ，Ｐａａｓ，

Ｓａａｓ

主要框架内容

成本云计算服务资源使用计

费、度量

Ｉａａｓ，Ｐａａｓ，

计费管理

（１）性能优化

这个子领域的文献研究重点是优化Ｉａａｓ层次的云计算

服务的性能，文献［２１］围绕资源、用户数量、服务质量水平

（ＱｏＳ）之间的相互关系展开，建立各个因素之间关系的云计

算性能模型，为预测和优化云计算的性能问题提供了依据。

文献［２２］从效用计算的视角分析不同负载的任务使用，提出

了优化云计算性能的方法。

文献［２３］另辟角度，讨论了云计

算节点在异构环境下的ＭａｐＲｅｄｕｃｅ执行性能问题及优化。

以上可以看出，这些研究是希望完善云计算底层基础服务设

施的性能，从而确保更高层次上云计算应用服务的质量。

（２）测试

云计算测试包括两个层次的含义：

第一种层次的含义指

可以运用现有的云计算环境提供的服务资源，较为真实地产

生模拟用户负载，进行快速、高效的负载、压力测试。

这种测

试是一种新型的软件测试方式，是一种云计算技术的新应用，

这种方式称为云测试［２４］。

第二种层次的含义指对构建云计

算基础设施服务以及上层云计算应用程序的测试。

前者工业

界ＰｕｓｈＴｏＴｅｓｔ推出云测试的工具ＴｅｓｔＭａｋｅｒ［２５］，它可以支

持本地和云端或者是两者皆可的测试方式，并且提供丰富的

网络应用（Ｒｉｃｈ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＲＩＡ），极大地简化了测

试流程，提高了测试效率。

有些组织［２６］要求用户在本地用

Ｓｅｌｅｎｉｕｍ编写好自动化测试脚本，然后上传到网站的平台上

运行Ｓｅｌｅｎｉｕｍ脚本，实现了快速按需测试的目的。

学术界从

不同的侧面对云测试做了相关研究，文献［２７］利用云计算服

务资源构建了网络管理系统的测试环境，有效地解决了大规

模测试环境构建困难的问题，准确地测试了大规模网络管理

系统的性能。

后者的云计算测试，目前主要集中在对分布式

基础设施服务（Ｉａａｓ）问题的性能测试研究［２８－３１］，对于上层云

计算应用程序测试有待进一步研究。

___________文献［２８］使用白盒度量

的方法，分析从节点ＤａｔａＮｏｄｅ的日志文件，自动侦测Ｈａｄｏｏｐ

的执行失效问题。

文献［２９］在此基础上，从黑盒和白盒两个

方面，更加完整地侦测Ｈａｄｏｏｐ的执行问题。

文献［３０］引入

了一种Ｍｏｓｃｈｉ方法，即分解ＭａｐＲｅｄｕｃｅ执行过程，通过日志

文件从时间、容量、空间角度刻画云计算基础设施Ｈａｄｏｏｐ状

态机模型的行为，反映出Ｈａｄｏｏｐ执行的控制流和数据流，推

理Ｈａｄｏｏｐ执行过程中可能的性能问题。

文献［３１］则是在上

述研究的基础上，通过模拟常见错误（如ＣＰＵ瓶颈、网络连接

不稳定、任务意外终止等），注入Ｈａｄｏｏｐ中观察其执行，来判

定提出的Ｇａｎｅｓｈａ方法在确定Ｈａｄｏｏｐ相关执行错误时的准

确性，实验证明了Ｇａｎｅｓｈａ方法的可行性。

（３）仿真

云计算交付的是以网络为基础的可靠、可扩展的服务，同

时各种应用在不同的负载、规模、位置有不同的配置、部署和

组合方式，并且对服务资源池有不同的调度和使用策略，要保

证高质量的服务，就要对不同基础设施和服务进行度量、测

试、评估，以确保满足一定服务等级协议（ＳＬＡ）的要求。

在云

计算基础设施服务搭建之前，有必要对其复杂的运行机制和

管理进行仿真验证，以确保可行性。

而在之后云计算基础设

施服务使用的过程中，追踪和分析复杂的分布式云计算基础

设施运行，是一件非常具有挑战性的问题，前面有些研究

者［２８－３１］对此进行了深入的研究，但是这些研究的前提是需要

已经部署了相关的云计算的基础设施。

而文献［３２］开发的云

计算仿真软件ＣｌｏｕｄＳｉｍ，从仿真角度模拟云计算基础设施的

运行调度机制。

在构建云计算基础设施___________服务之前，需要事先

了解数据中心的可扩展性。

文献［３３］中提出ＳＰＥＣＩ仿真工

具，用以分析云计算数据中心的可扩展性和性能，以确保数据

中心的可用性。

文献［３４］针对开