科普一下云计算

到底什么是云(云计算)

　　有很多关于云的介绍。然而，大都是用比喻的形式来介绍云的属性。比较有名的比喻是餐馆、和电网。但是，云毕竟不是餐馆、或电网，如果只有这些比喻，仍然不清楚到底什么是云。

　　本文试图不用任何比喻，直接从普通的PC电脑入手，逐步递进，来介绍云的构成。你只需要具有初中文化，并对CPU、内存、硬盘等计算资源有些基本的概念，就可以了。

　　一、传统的电脑

　　当你启动一台个人电脑(PC机)时，电脑所做的事，就是把硬盘上的操作系统(OS，本文以微软的Windows 8为例，但也可以是Unix、Linux等等)的一些基本的控制程序调入到电脑的内存中去。一旦这个过程完成，这台电脑就完全由Windows 控制了。你所谓的电脑，其实就是你在上面工作的Windows。

　　对Windows而言，它所赖以运行的，只有电脑的处理器(CPU)、内存、和存储设备(硬盘)这三个要素(或者说三项资源)。电脑还有机箱，但那只是起着封装、固定、再加供电的作用;电脑还有主板，但那只是起着电脑内各主要部件通信连接的作用。当然，你可能还需要网络连接， 但那只是一项外在资源，不是Windows本身所必需的。作为PC机，你还需要键盘和显示器等外部设备来直接在机器上工作。如果是服务器，则不需要键盘和显示器，一切都可以是远程登录访问。

　　所以，一台电脑实质上就是在CPU、内存、和硬盘上运行的Windows。当打开Windows 的任务管理器，你就会发现，CPU和内存大部分是闲置的。特别是CPU，其利用率通常不到10%。Windows在硬盘占有的空间一般就是几个GB。 也就是说，一个Windows独占了电脑的全部资源，而大部分资源又都是闲置的。

　　那么，有没有这种可能：不让一个Windows单独控制一台机器，而是在一台机器上安装多个操作系统，并且让它们同时地运行?

　　有，最好的方案就是虚拟化 --

　　二、虚拟化

　　当安装一台电脑的时候，你不再是安装普通的Windows，而是安装一个资源调度程序，也叫“监控程序” (Hypervisor)。这个监控程序很小。取决于哪个厂家的产品，小的只有100多兆字节， 大的也只有几个G的字节。 监控程序安装完成之后，会得到一个工作界面，你通过这个界面设置一个网络连接(IP地址)。这个界面很简单，多数情况下你可以通过浏览器从别的机器上访问这个界面。

　　前面说了，一个Windows机器，实质上就是一个由CPU、内存、和硬盘组成的一个组合体。通过监控程序的界面，你可以建立多个组合体。每个这种组合体，就是一台仿真的电脑。当监控程序创建一个仿真的电脑时，它实际上只是创建了两个文件：一个是关于这个组合体的配置信息(被分配了多少CPU、多大内存、多大的硬盘);另外一个文件，这个仿真电脑的“硬盘”，这个仿真的“硬盘”实际上就是一个封装的文件(在有些情况下，也可以是几个文件)。

　　当你点击“开机”来启动这个仿真的电脑的时候，监控程序开始实际为它分配CPU和内存、并且启动它。当然，这“台”仿真的电脑在第一次启动的时候，是没有安装任何操作系统的“裸机”，那个封装的文件也是空的，这时你可以进行正常的系统安装(比如 安装Windows)。

　　对Windows而言，它不知道真假，它反正能够得到所需要的CPU、内存、和硬盘就可以正常运行了，一切都和真的机器一样。对监控程序而言，这个 Windows不是直接和硬件打交道的，一切资源都需要监控程序来调度和分配，所以这“台”Windows机器(组合体)就是一台虚拟的机器，简称VM。

　　这种通过监控程序把硬件的机器、同操作系统分开的过程，就是虚拟化。

　　当监控程序创建一个VM时，它就给VM配置资源的大小，比如2个1GHz的CPU、2GB内存、和100GB硬盘。这样，这个VM(Windows)就以为自己拥有了双核的1GHz CPU、2GB内存、和100GB 硬盘。但这只是Windows所能使用资源的上限。Windows在实际运行中并不需要消耗那么多，监控程序只是给它按需分配实际消耗的资源，比如 0.1GHz CPU、0.5GB 内存、和20GB 硬盘。表现在实际的硬件消耗上，这20GB的存储量，就是实际硬盘上的那个20GB大小的封装文件。

　　一台电脑，可以通过监控程序创建几个、几十个、甚至上百个VMs。比如，一台拥有16GB内存的PC机，你可以创建10个VMs，给每个VM分配4GB内存。看似总共分配出了40GB的内存，但PC机的实际内存只有16GB。

　　通过虚拟化，一个单台的硬件机器可以同时运行多个虚拟的机器(VMs);更重要的是，虽然一个虚拟的Windows的系统盘(C盘)上有成千上万个系统文件，但它表现在硬件的存储设备(硬盘)上，只是一个或几个打包的大文件。当你把这一个或几个大文件移到别的地方，整个VM就移走了。

 

　　三、配载调配和平衡

　　如果虚拟化的不只是一台机器，而是A、B两台，并且两台机器都共享一个大的存储设备(硬盘阵列、或硬盘库)，那会怎样?

　　前面说了，一个VM就是一个(或几个)大文件。如果这个大文件放在共享的存储设备上，A、B两台机器上的监控程序都能看到这个VM。那么，这个VM既可以在A机器上运行、也可以在B机器上运行。所谓在哪台机器上运行，就是通过那台机器上的监控程序，把Windows 启动到其分配的虚拟内存就是了。

　　假设VM1到VM10 等10个VMs在A上运行，VM11到VM20 等10个VMs在B上运行。现在要对A进行关机维护，那么它上面的10个VMs就可以在线移动到B上，而且所有10个Windows都保持不间断，用户根本意识不到变化，因为所移动的东西，只不过是内存中的数据而已。

　　这个移动不是由A、或B指挥的，而是由装在另外一个C机器上的专门的数据中心管理软件指挥的。

　　这个数据中心管理服务器C， 可以监控A和B的运行状态，一旦出现资源紧张，它可以自动触发在线迁移，把一个或多个VM移到对方的机器上运行。当然，这里需要一个事先设定的阈值标准。

　　如果是创建新的VM， C可以自动决定把新的VM放在哪台机器上。

　　这里只是假设A、B两台机器。实际上，C可以管理几十、几百、上千台机器。共享的存储设备也不止一套，可以是多套(VMs也可以在不同的存储设备间移动，只是移动的时间较长而已)。

　　C通过各机器上的监控程序，间接管理所有的资源。

　　至此，云的雏形出现了，但还不是云。因为，所有的这些管理和控制，都还是数据中心自己的职责。用户还无法对所需要的资源进行自主管理。

　　四、云的最后形成

　　数据中心服务器C可以不止一个，可以有多个。它们创建和管理的一些VMs也许可以供外界的用户访问(比如网站)，但用户无法直接管理VMs，更无法管理C提供的服务、或资源。

　　1. 资源池：

　　现在，再加一个更上层的服务器D -- 由它来管理一个或多个C!这个D，就是云服务器了:

　　C把各自管理的资源提交给D，比如，一个或几个C总共向D提供了5000GHz CPU、3TB 内存、3PB 存储空间。D再把所有资源组成一个大池子，叫做“资源池”。

　　这个池子的大小是可以动态变化的。当C控制的资源增加了、升级了，C可以动态向这个池子贡献资源，这个庞大的资源池也就随之增长得更大。

　　2. 二次虚拟：

　　为了便于分配和管理，D把庞大的资源池划分成多个子集(小组)，这每个子集就相当一个虚拟的数据中心(或叫“计算中心”)。

　　D再从各个“计算中心”里提取计算资源，创建一个个用户环境。每个用户环境就相当于一个“机房”，这个“机房”包括CPU、内存、存储等资源。

　　D同时还给用户提供登陆访问的接口。用户通常用浏览器来登录这个接口。

　　作为用户，当你用浏览器连接到D提供的访问界面，就可以建立一个账户，并且输入你的信用卡号。这时，云服务器D就可以根据你的要求，提供所需要的“机房”。

　　这个“机房”的大小，完全根据用户的需求而定，比如可以包括50GHz CPU、100GB 内存、和2TB 硬盘。这些“机房”的资源，都是由云服务器D从它的那些虚拟的“计算中心”里抓给你的。

　　通过层层抽象和虚拟，在每个“机房”里，你看不到、也不用去关心每个计算资源实际来自哪里。

　　3. 用户的自主管理：

　　当你作为用户拥有了一个“机房”，你就可以随意干你所需要的的事：

　　建立多台虚拟的机器(VMs)。云商在你的机房里已经提供了很多现成的VM模板，有各种Windows、有各种Linux、等等，你可以随意拷贝过来、定制自己的配置、启动，就可以了。当然，你也可以自己从初始安装。

　　4. 连接到网络：

　　在本文开头提到， 网络也是计算资源。在谈及单个VM的时候可以暂不谈网络，但是在连接VM的时候就需要了。云在给你提供一个“机房”的时候，它已经就按需求给你提供了虚拟的交换机、路由器、IP地址池等等。这些网络资源，同样也是由数据中心服务器C提供给云服务器D的;C则是从所管理的各个监控程序得到;各监控程序管理着实际的硬件网卡。

　　从用户的角度，各个“机房”是完全独立的，彼此是不可见的。你在自己的“机房”里干任何事都干扰不了别人的“机房”，别的“机房”也干扰不了你。

　　这就是云。下面还要介绍一些分类。

　　这里再回溯一下这个云“机房”的来源：

　　“机房”<-- 云服务器D管理的虚拟的“计算中心”<-- 数据中心服务器C提供给D的资源池 <-- C 动态管理A、B两台(或多台)机器所连接的计算资源 <-- A、B两台(或多台)电脑通过监控程序的虚拟化 <-- PC机

　　在实际配置中，PC机一般为企业级的服务器所取代，比如联想的System X 服务器。但这些服务器和PC机没有本质区别，性能和可靠性不同而已。

　　五、云的种类

　　这里描述的云的建立过程和结构，只是一种比较普通和容易理解的形式。由于技术的不同、实现方式的不同，各家云的实现方式和结构会有很大的不同。但是，一些基本的概念是相同的，其共同的核心要点包括：

　　一定要有资源池。把分散的计算资源集中到大的资源池里，以方便统一管理和分配。例如前面讲的D所管理的资源池。

　　按需分配、自助服务。用户实际消耗多少资源，就被分配多少资源;用户对自己得到的资源能够自助管理。例如前面讲的“机房”。

　　灵活的资源变化。随便撤掉一台硬件的电脑，其上面的信息和活动会自动转移到别处去;随便增加一台电脑，其资源会随时添加到资源池里去。所有这些增减，用户根本意识不到。例如前面讲的“配载调配和平衡”。

　　一定要有记账系统。用户消耗了多少资源，如何给这些资源计费，系统有详尽的信息采集和报告，以便对用户收费(即使是免费，也得有详细的记账)。例如前面提到用户输入信用卡，就是以记账为前提。

　　在组建云的技术上，说到底，就是用软件产品(如前面提到的C和D，并通过监控程序)来管理、组织、和分配经过抽象或虚拟的硬件计算资源。除了个别企业用自己的技术建设、和服务外，现在常见的云技术提供者主要有：VMware、微软、Citrix、和OpenStack等。前两者是完全的商业产品;Citrix公司在监控程序上采用的是开源的Xen;OpenStack则完全是开源免费的，它的监控程序主要采用开源的KVM和Xen，也可以是其它的开源软件。

　　按照服务的对象和范围，云可以分为三类：

　　私有云：建一个云，如果只是为了单位(企业或机构)自己使用，就是私有云。就前面提到的“机房”而言，每个“机房”只是为本单位的不同部门、或不同用途而设立的。

　　公众云：如果云的服务对象是社会上的客户，就是公众云。前面提到的“机房”可以是任何社会上的企业、单位、或个人。Amazon公司的AWS是现在世界上最大的公众云。其它公众云提供商还有Google、Salesforce、苹果的iCloud等等。

　　混合云：如果一个云，既是为单位自己使用，也对外开放资源服务，就是混合云。有时，把两个或多个私有云的联合，也叫混合云。

　　按照服务的模式，云又分为如下几类：

　　基础设施即服务(IaaS)：作为一个用户，如果得到了前面的“机房”，那你就拥有了信息系统的基础设施，你可以安装多个服务器，你可以配置自己的网络。由于这个基础设施完全是云所提供的服务，所以叫“基础设施即服务”。

　　平台即服务(PaaS)：你不一定需要“机房”里的所有服务，比如说你只需要“机房”里的一个服务器作为公司软件开发的平台，那么，你得到的这个平台也是以服务的形式出现的。

　　软件即服务(SaaS)：你甚至都不需要管理一整个服务器，你不关心什么服务器、也不关心服务器是怎么工作的，你只需要一种软件的功能。比如，你只想管理公司的客户信息(CRM)，你就从云商那里得到完备的CRM软件功能。所以，软件也是服务。

　　其它(XaaS)：很多人使用iCloud，实际上就用iTunes在“机房”里开了一个用户帐号，这个账号给你提供5GB的免费存储空间，如果还需要更大一点，你就需要输入信用卡号了。这是“存储即服务”。你还可以把PC机放在云上(当然，你需要有一个小盒子能连到云上，这个小盒子还能连接显示器、键盘、鼠标等)，这就是“桌面即服务”。“桌面即服务”有另外一个时髦的叫法，即“云桌面”。。。总之，都是XaaS，你可以试着把X 换成任何东西。

　　你只要理解了前面说的“机房”，就可以理解它能提供的各式的服务(XaaS)，大到综合性的基础设施，小到单一的云存储，你就不怕别人说一个什么时髦的新服务，都只不过是“机房”里的不同服务花样而已!

　　六、云的诱惑

　　试想，有了云上的“机房”，你如果是中小企业的IT部经理或CIO，你还会在建设机房上操心供电、空调、消防、设备故障等等琐事吗?你还会去调研购买何种服务器设备吗?你只需要一个帐号、一个信用卡，你就可以在云上“机房”里随意创建任何服务器，喜欢就启动，不喜欢就删除。你可以安装所需要的操作系统、配置任何数据库。你甚至不需要为员工购置PC电脑，有“云桌面”就可以了。

　　英国政府用不到一年的时间，迅速建起了统一的“政府云”(简称“G云”)，目的是把国家各个政府部门的IT系统都逐步转移到G云上去。自2012年正式启用之日起，政府各个部门一律禁止购买硬件的服务器，所有新增内容都必须是从G云上创建。

　　不管是企业、政府、还是个人，如果想避开云，看来是很困难了。这就是为什么要多少了解一下“到底什么是云”。