云计算体系结构

随着互联网用户的不断增加，以及社交网络、电子商务、虚拟社区等新一代大规模互联网应用的不断迅猛发展，更多的企业和用户试图寻找一种更加有效、廉价的系统解决方案。因此，2006年Google、Amazon等公司提出了“云计算”^[2]（Cloud Computing）的构想。根据美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的定义，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），这些资源能够被快速提供，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。计算机资源服务化是云计算重要的表现形式，它为用户屏蔽了数据中心管理、大规模数据处理、应用程序部署等问题。云计算的核心思想是：通过虚拟化技术将相应的硬件资源和软件资源构建为虚拟化资源池，让用户根据自身需要通过网络获取相应资源，并按实际使用量来付费，无需关心资源的管理问题。

云计算综合了分布式计算、并行计算、网格计算、网络存储技术、虚拟化技术和负载均衡等传统计算机技术。与网格计算相似，将资源进行汇集、整合，以服务的形式供给用户使用，用户可以按需获取，以使用量为付费计算标准。但与网格计算不同之处在于，云计算强调大规模资源池的分享，通过分享提高资源复用率，而网格计算则强调的是异构资源的共享；此外，云计算还会根据工作负荷动态分配资源。对于云计算的特点进行归纳，可以总结为以下几点：

（1）超大规模：云中具有成千上万台服务器，云可以赋予用户超强的计算能力。

（2）虚拟化：云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。用户不需要知道服务所在的具体位置，以及应用管理和执行的细节等。

（3）高可靠性：云计算使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机更加可靠。

（4）高可扩展性：云的规模可以动态地扩张或缩小，以满足应用和用户规模增长的需要为出发点。

（5）通用性：云计算不针对特定的应用，在云的支撑下可以应对多种多样的应用需求。

（6）按需服务：云以服务的形式为用户提供应用程序、数据、数据存储等资源，以满足用户需求为中心，自动分配资源，不需要系统管理员干预。

（7）廉价性：云的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，云的自动化集中式管理使用户无需负担数据管理成本，云的通用性使资源的利用率提高。

云计算是个强大的服务网络，可为每个企业或普通用户提供各种服务。通常云计算体系结构主要分为以下六个层面（如图5‐3所示）：

（1）用户交互界面（User Interaction Interface）：用户与云进行交互的界面，用户在此发出服务请求。

（2）服务目录（Services Catalog）：用户能够请求的所有服务的目录，在云用户获得权限后，可以根据需求进行选择或定制其中服务。

图5‐3　云计算体系结构

（3）系统管理（System Management）：管理云用户，同时对可用的资源和服务进行管理。

（4）服务提供工具（Provisioning Tool）：根据用户发来的服务请求，对相应资源和应用进行动态部署、配置和回收等。

（5）监控和测度（Monitoring and Metering）：监控和测度云系统资源的使用情况，及时做出反应，提交给中心服务器分析和统计。

（6）服务云（Servers）：服务的提供者，由系统管理的虚拟或物理的服务器，负责计算处理、数据存储处理、应用服务处理等。

根据云计算系统服务集合所提供的服务类型，整个云计算服务集合可以被划分为四个层次：应用层、平台层、基础设施层和虚拟化层（如图5‐4所示）。这四个层次分别对应一个子服务集合。

图5‐4　云计算服务层次

其中三大核心服务为基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）。

（1）IaaS：主要向用户提供硬件基础设施服务，如提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和/或信息资源。用户在使用该服务时，需要向其提供基础设施的配置信息，运行其上的程序代码以及其他相关的数据。为了优化硬件资源，IaaS层引入了虚拟化技术。借助于Xen、KVM、VMware等虚拟化工具，可以提供可靠性高、可定制性强、规模可扩展的IaaS层服务。

（2）PaaS：以服务的形式为开发人员提供操作系统以及包括开发语言和工具（例如Java，python，Net等）在内的环境，或将收购的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上去，用户只需上传程序代码和数据即可使用服务，而不必关注底层的网络、存储、操作系统的管理问题。

（3）SaaS：为用户提供软件及应用程序的服务。用户可以按照自己的需求直接使用，不需要关心软件的安装和升级等。提供商会负责系统的部署、升级和维护。提供商通常是按照用户所租用的软件模块来进行收费的，因此用户可以根据需求按需订购软件应用服务。

云平台下的博物馆数字化建设是大趋势。目前传统博物馆进行数字化建设最大的障碍是专业化人才、设施和经费的短缺，要建设一个高水平的数字化队伍需要一笔庞大的开支。因此，云计算体系结构成为解决这一问题的有效途径。专业的服务云可以帮助博物馆建立理想的数字化平台，博物馆只需要根据自身发展情况提出具体需求就可以。服务器、数据、网络优化等可以委托云平台的运营公司管理，典型代表如阿里云。

【注释】

[1]API全名Applicatton Programm ing Interface，指应用程序编程接口。

[2]Mell P，G rance T.The N IST definition of cloud computing［J］.National Institute of Standards and Technology，2009，53（6）：50.