云计算(2) 云计算架构
2023-08-09 14:53:19 # NJU # 云计算

二、云计算架构

1 计算架构及演化

  • 计算机软硬件经历了长时间的演变，计算范式也经过了多次变化：集中式、CS、BS、并行、分布式等

  • 不同的计算范式对应不同的计算架构

    • 中央集权架构
      • 计算机刚出现时候的首选：所有计算及计算资源、业务逻辑都集中于一台主机
    • 客户机/服务器架构
      • 客户端：承载少量计算任务和所有IO任务
      • 服务器：承载主要计算任务
      • 优点：关注点分离，简化软件复杂度、编程模式
      • 缺点：持久链接，系统伸缩能力受限
    • 中间层架构——简化和提升伸缩能力
      • 将业务逻辑和数据服务分别放在两个服务器上
      • 客户机到中间件为无状态的非持久链接——提升架构弹性
    • 浏览器/服务器架构
      • 对客户机、中间层架构的扩展——客户端和中间层均改动
      • 客户端：负载进一步缩减，仅显示和运行基于浏览器的脚本程序
      • 服务器：Web服务器层屏蔽各中间件的差异，提供通用的用户访问界面
      • 扩展性高：对客户机性能无要求
      • 对网络性能要求高
    • C/S和B/S混合架构
      • 没有一种架构能够适用于所有场景
      • 有些服务需要持久的链接（内部用户）
      • 有些仅通过非持久链接即可（外部用户）
    • 面向服务的架构（SOA）

  • SOA

    • 中间层计算架构、B/S架构、混合计算架构都可为云计算提供一定的伸缩能力

      • 共性：基于无状态连接【http请求】和基于服务的访问【而非过程调用】

    • Service-oriented Architecture 面向服务的体系结构

      • 每个程序只做本职工作，将服务暴露出来供其他程序使用

      • 多个程序通过一个统一的界面协调工作——控制复杂性，更容易管理

      • 区别于“分布式对象”

        Java：Java对象、RMI(Remote Method Invocation，远程方法调用)

        CORBA：CORBA分布式对象、IDL(Interface Definition Language，接口定义语言)

        通过RPC(Remote Procedure Call，远程过程调用)连接

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  • 将Service(服务)作为分布式对象
    • SOA是关于如何设计一套使用服务的软件系统
    • 使得服务间的互操作性变得可扩展和有效
    • 特点：松耦合，定义并发布接口，基于标准的通信模型
    • 实例：REST(Representational State Transfer)Web Service

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2 一般云计算架构的二维视角

  • 从不同的角度看，云计算架构的复杂性有一定的差异

  • 最易于理解的二维视角：基础设施 + 应用程序；两者分别视为：前端(呈现给用户的界面) + 后端(云组件)

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  • 多实例同时执行；不同实例之间能够协调对数据的处理及任务的执行；方便数据在各个模块之间共享。

  • 基础架构——云内部，后端

    • 硬件：服务器、存储器、网络交换机等
    • 管理软件：服务的高可用性、可恢复性、数据一致性、应用伸缩性、可预测性、云安全等

  • 应用程序——云对外，前端

    • 并发性、协调性、容错性、开放的API格式、开放的数据格式、承载数据密集型计算

基础架构的进一步分层结构

  • 虚拟化层
    • 将硬件转换为统一的IT资源【可灵活拆分、统一计量、统一管理、软件定义的】
    • 可以在不同的抽象层实现：应用层、操作系统层、体系结构层、硬件层等
  • Web服务层
    • 将云资源提供给客户的一种最方便的方式，解决大部分客户无法直接使用虚拟机的问题
    • 支持面广、对客户端要求低，只需要浏览器就可以访问；所有提供的服务均可以通过API访问，该类API为”表征状态转移” Representational State Transfer, REST
  • 服务总线层
    • 即中间件层，封装计算服务、数据存储、消息传递
    • 分离用户与虚拟化层、连接用户与Web服务层
  • 客户机用户界面
    • Web门户，将各种服务混搭集成在一个页面
    • 基于Ajax,JavaScript，趋势是使用功能完善的组件
      • 如JavaBeans/Applets, Silvedight/.NET等
      • 可下载和安装在客户机上

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云应用程序的结构——云应用程序与传统操作系统上的应用程序结构有所不同

  • 传统操作系统上的应用程序：进程、线程、服务、shell（应用程序的控制接口）
    • 进程就是最终产品，每一个进程可运行多个指令序列（线程），一个线程对应一种服务
  • 云环境中的应用程序：应用程序本身、应用实例、服务、云命令行界面（控制端）
    • 应用程序是云应用最终的样子，由多个同时运行的实例支撑
    • 不同的应用实例运行在不同的服务器上，每一个应用实例提供一种或多种服务
    • 服务之间是相互独立的（微服务架构）

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3 云计算逻辑架构

  • 云体、云平台、云栈、云计算、云环境、云系统…
  • 云体
    • 是云计算的物质基础，是云计算使用的资源集合，是构成云计算的软硬件环境，例如网络、服务器、存储器、交换机等。广义的云体包括数据中心机器辅助设施如电力、空调、机架、冷却等系统。
    • 目前可以认为：云体 就是 数据中心
  • 云栈
    • 又称云平台，是在云上建造的运行环境。它能够支持应用程序的发布、运行、监控、调度、伸缩，并为应用程序提供辅助服务机制，如访问控制、权限管理等。
  • 云计算
    • 是利用云体和云平台所进行的计算或处理——云计算可以在云体上直接进行，也可以在云平台上进行。无论在哪个层面开展，只要符合“按量计费、资源可伸缩”就是云计算。
    • 云存储、云服务、在云上运行自己的软件或算法，都是云计算。
    • 云计算是人们利用云体和云平台所从事的活动。

3.1 逻辑云栈

  • 云栈——提供的服务多种多样，规模巨大，需要简历规则才能便于管理，即层次架构

  • 云计算也遵循分层规则，组织为多个层次，相互叠加

    • 每一层都提供一种抽象，最下为物理硬件层
    • 每往上一层，易用性就增加一分
    • 到底应该分几层没有明确的规定或准则
    • 不同的厂商有不同分法：三层、四层、五层

  • 以纵向的方式来构建云计算的整体架构

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  • 云栈的三层模式

    • 基础设施即服务层

      • 不仅包括硬件设施，还包括虚拟化，因为各种硬件规格、性能、质量不统一，无法在其上直接建造云平台。虚拟化可以将各种硬件变为统一的标准件。

    • 平台即服务层

      • 在虚拟化的IT资源上构建起应用程序的运行环境，对外提供的产品包括计算环境、云存储库、通信机制、控制调度机制，统称为云计算平台或云解决方案栈。消费的是云基础设施服务，支持的是上层的云应用程序。

    • 应用程序层-软件即服务层

      • 基于网络进行远程访问的商用软件
      • 集中式管理，而非分散在每个用户站点
      • 单个实例多个租户架构——一对多模型
      • 按照用量计费（实际应用中按月或其他时间周期计费）

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  • 从管理角度看，与云栈分层架构对应的是云计算技术体系结构——如何实现三层服务

  • 不同供应商提供了不同的解决方案，没有统一的技术体系结构

  • 综合不同厂商，构造如下参考体系结构：关键是如何实现和管理

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3.2 技术体系结构—各层内涵

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3.3 IaaS实现机制

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3.4 物理云栈OpenStack

  • OpenStack是一个管理云计算中计算、存储和网络，甚至是应用的通用平台，其提供Web界面、命令行工具和应用程序接口（API）等使用接口。
  • 官方描述
    • The Most Widely Deployed Open Source Cloud Software in the World
    • OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed and provisioned through APIs with common authentication mechanisms.
  • 平台管理员
    • 位于各厂商特定资源之上的云计算资源管理层
  • 开发者
    • 通过其为应用提供基础设施和相应软件依赖
    • 云编排平台：基于应用模板部署可扩展应用
  • 最终用户
    • 每一个最终用户被定义为一个租户
    • 为租户提供自助服务的基础设施和应用管理系统

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  • 本质上OpenStack通过抽象和一个通用的API接口控制不同厂商提供的硬件和软件资源，是对计算系统的更高层次的抽象。

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3.5 逻辑云体

  • 云栈是从纵向角度看云计算的整体架构，那么云体则主要是从横向角度看其架构模式
  • 类比传统操作系统横向切面：运行时环境 + 应用本身（程序+数据）
    • 环境：进程/线程/内存管理 + 文件系统 + 进程间通信/网络
    • 云应用程序
      • 类似传统应用
    • 云运行时环境
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3.6 物理云体云数据中心

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  • 传统数据中心暴露的问题

    • 过多的机器
    • 机器利用率过低
    • 应用迁移太困难
    • 存储需求增长太快

  • 软件定义的数据中心

  • 重新重视虚拟化，以提高资源利用率

    • 不仅应用到计算节点
    • 复制到存储、网络、安全等方方面面
    • 软件定义计算：计算节点的虚拟化：虚拟机成为计算调度和管理的单位，不中断服务的前提下动态迁移。
    • 软件定义存储：分离管理接口与数据读写；统一的管理接口与上层管理软件交互；数据读写可以兼容各种不同的链接方式。
    • 软件定义网络：数据平面（数据转发）和控制平面（转发表的设置等）分离；集中控制，分布式转发。

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