云计算技术简述及发展分析
摘要：
如今，云计算服务是企业最先进的技术，市场还将继续加速变化，各个云计算提供商之间的竞争继续升温。云计算后端具有非常庞大、可靠的云计算中心，对于云计算使用者来说，在付出少量成本的前提下，即可获得较高的用户体验。
当前，在“互联网+”时代背景下，云计算已然成为数字经济时代下的基础设备，中国加快实施大数据战略，大数据生态系统的日益完善为云计算发展奠定了重要基础，云计算也催化出大数据在应用领域的“井喷”。
关键词：云计算；分布式；虚拟化；资源整合；人工智能
1. 云计算概念及特征
1.1 云计算的定义
云计算是目前业内的热点概念，它以开放的标准和服务为基础，以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，让互联网这片“云”上的各种计算机共同组成数个庞大的数据中心及计算中心。它可以被看成是网格计算和虚拟化技术的融合：即利用网格分布式计算处理的能力，将IT资源构筑成一个资源池，再加上成熟的服务器虚拟化、存储虚拟化技术，以便用户可以实时地监控和调配资源。
云计算更多的是指，通过千万台互联的电脑和服务器进行大量数据运算，为搜索引擎、金融行业建模、医药模拟等应用提供资源和超级计算能力[1]。例如某用户想要建设一个网站，只需要租用运营商提供的虚拟服务器就可以了，网站压力过大时，可以瞬间请求更多的资源，压力变小时，可以将多余的资源释放。云计算方便了用户对计算资源的获取和管理，从而降低成本。[2]
综上，云计算的含义有两个方面。它一方面描述了一种方便的基础设施，用来构造应用程序，其地位相当于PC机上的操作系统；另外一方面则描述了建立在这种基础设施之上的云计算应用。一个计算云是虚拟化的计算资源池，用来容纳各种不同的工作模式，并且这些工作模式可以通过快速部署的方式部署到物理设施上。由于使用了分布式的计算技术，云计算能够将计算扩展到更多的计算资源，以及使用冗余的资源进行容错处理。
1.2 云计算的特征
从上述云计算的定义可以看出，云计算后端具有非常庞大、可靠的云计算中心，对于云计算使用者来说，在付出少量成本的前提下，即可获得较高的用户体验。更加具体地来说，云计算具有以下6大特征：
- 以互联网为中心。云计算平台运营商以互联网为中心，将存储和运算能力分布在网络所连接的各个节点之中，从而弱化终端的计算能力，使互联网的计算架构由“服务器＋客户端”向“云服务平台＋客户端”演进。这意味着互联网的重大变革，互联网的功能将更为强大，甚至引发现有的企业信息化一般模式的改变。[3]
- 灵活性。使用户能够快速和廉价地利用技术基础设施资源。服务的实现机制对用户透明，用户无需了解云计算的具体机制，就可以获得需要的服务。由于能够使用网络浏览器接人系统，于是用户可以从任何位置，利用正在使用的设备，如个人电脑或者移动电话，通过互联网访问他们所需的信息，获得他们所需的服务。
- 经济性。成本大大降低，资本开支将转换为业务支出。云计算的基础设施通常是所提供的第三方，这使得用户不需要为了一次性或非经常性的计算任务购买昂贵的设备。以计算量为计费标准，也减少了客户对设备知识的要求。
- 可靠性。云计算系统由大量商用计算机组成机群向用户提供数据处理服务，利用多种硬件和软件冗余机制，这使得它适合于业务连续性和灾难恢复。云计算的安全由于中央集权的数据管理而提高，这是因为供应商能够把资源用于进行安全审计和解决安全问题，而一般的客户能力或者资金有限。[4]
- 可扩展性。现在大部分的软件和硬件都对虚拟化有一定支持，各种仃资源，软件、硬件都虚拟化放在云计算平台中统一管理，通过动态的扩展虚拟化的层次达到对以上应用进行扩展的目的。
- 可持续性。由于计算机及相关的基础设施是主要的消费能源，供应商出于各方面考虑，都会是通过提高资源利用率，建设更有效的系统，从而降低整体能耗。
2. 云计算发展现状及关键技术
1959年，克里斯托弗·斯特雷奇首次提出了虚拟化的概念，随后虚拟化技术不断发展使得其已经成为目前云计算底层基础设备的技术支撑，在此之后的几十年发展中，在1999年，Marc Andreessen创建的第一个商业化IaaS平台：Loud Cloud。随即2006年8月，Google CEO埃里克在搜索引擎大会首次提出“云计算”的概念。到2020年，通过十四年的发展，云计算已经从一个概念成长为庞大的产业，有许多公司活跃的身影。如今，云计算服务是企业最先进的技术，市场还将继续加速变化，各个云计算提供商之间的竞争继续升温。
2.1.1 工业界对云计算的研究与应用情况
云计算最早起源于工业界，工业界对于云计算的研究都是围绕产业化和提高效益来展开的，目的是促进产业发展和使自己身在未来的竞争中占据有利的地位。
Goole公司是云计算的先驱者，在其搜索引擎进行了最早的应用，还引导大学生“云”系统的编程开发；随即IBM在2007年11月推出的蓝云（bule cloud）计算平台，为客户带来即买即用的云计算平台；亚马逊也于2007年推出的名为“弹性计算机云”（Elastic Compute Cloud，EC2）的收费服务，当然其他IT巨头自然不敢落后，微软大力发展window Live在线服务和数据讯处以及网络软件“Live Mesh”；2008年，雅虎、惠普、意特尔联合宣布将建立全球性的开源云计算研究测试床，称之为Open Cirrus等等这些都算是早期云计算发展的见证[5-6]。
而随着云计算的快速兴起与各大国家、企业的重视，全球企业开始广泛使用云计算，从全球市场来看，已经形成了“3A”的产品格局。亚马逊的AWS以全球40%的全球市场份额占据全球市场份额占据龙头之位，紧随其后的是微软的Azure，阿里云凭借126%的增速跻身全球第三。近几年，亚马逊网络服务（AWS）推出了其桌面即服务（DaaS）WorkSpaces，进一步扩展其云生态系统[7]；微软在2013年也推出Cloud OS云操作系统，包括Windows Server 2012 R2、System Center 2012 R2、Windows Azure Pack在内的一系列企业级云计算产品及服务[8]；甲骨文公司也计划布局已从云管理组件转到Oracle、Solaris等虚拟系统服务[9]。除此之外在国内云计算的发展也取得了显著成就，以阿里云为代表位列首位，百度等企业紧随其后。
这些应用都是个随着云计算的发展而创造的一种不同于以往的全新商业模式，在该模式下用户不在需要关心如何根据自己的业务需求来购买服务器、软件和解决方案，只需要根据自己的需求，通过互联网来购买自己需要的计算处理资源即可。
2.1.2 学术界对云计算的研究
随着大数据、5G时代的到来，物联网的兴起，人们需要对这些数据进行合理高效的利用和发掘其中的信息[14]。学术界认为云计算有海量数据存储，将服务器、软件等资源虚拟化等特点，所以云计算的兴起为这些数据提供了重要的支持与保障。
云计算如何处理大数据的大规模任务[18]、云计算将资源放在云端如何保证计算机网络存储的安全[19]、云计算标准化问题、云层计算中心计算机性能、云计算的应用研究、设计、算法等领域是学术界密切关注的热点。云计算为社会带来了巨大的优势和广阔的前景、同时云计算的发展也存在不少的挑战与隐忧，其中安全问题和隐私问题成为学术界担忧的首要问题。
2.2 云计算关键技术
从各种文献对云计算的描述可以看出，云计算以数据为中心进行密集计算，融合了多种技术。其中云计算平台的重要技术特点是资源的分散化、虚拟化和管理的集中化[5-19]。与云计算机相关的技术至少包括以下几个方面：
（1）虚拟化技术
虚拟技术是云计算技术的核心，可以为云计算提供系统虚拟层面的支持。实现服务器虚拟化，存储虚拟化以及网络虚拟化。
（2）分布式海量数据存储
大数据时代产生的数据是海量的，而云计算的一个巨大优势就是快速高效处理海量数据，这种技术具备高吞吐率和高传输率的特点，可以满足大量用户的需求。
（3）海量数据管理技术
为实现云计算系统对大量数据集进行处理和分析，进而向云计算用户提供高品质的服务，云计算的数据管理技术必须要实现高效的管理大数据集。
（4）编程方式
云计算采用MapReduce编程模式，将任务自动分成多个子任务，通过Map和Reduce两部实现任务在大规模计算节点中的调度与分配。
3. 云计算的发展趋势与未来展望
3.1 云计算的发展趋势
根据著名商业软件联盟组织BSA发布的《2018全球云计算评分报告》[20]显示，中国云计算建设的主要短板在于自由贸易促进方面。在未来一段时期，国内有可能开展自由贸易云计算试点，对外开放云计算市场。这一举措将会使云计算用户拥有更多更好的市场选择机会，同时刺激国内云计算供应商在技术、产品方面加大开发建设力度，从而有利于国内云计算在自由贸易促进方面取得良好进展。
针对全球及我国云计算市场规模的分析[21]，可以看出全球云计算市场规模总体呈现稳定增长状态，我国公有云市场保持高速增长状态，私有云市场中软件和服务占比稳步提升。其中，阿里云、天翼云、腾讯云占IaaS市场份额前三；阿里云、腾讯云、百度云位于公有云PaaS市场前三。随着云计算的发展，云计算服务正日益演变成为新型的信息基础设施，全球各国政府近年来纷纷制定国家战略和行动计划，国际云计算政策从推动“云优先”向关注“云效能”转变。在注重云资源使用的同时，更注重上云的效率以及运用云计算是否能达到更好IT信息化决策的需求。所以，“云效能”是未来国际关注的重点。
未来云计算技术的发展可能会改变用户的很多习惯[22]，用户在使用计算机时将从以桌面为核心转向以浏览器为核心，计算机将可以不安装各种软件或者保存各种数据进行工作。因此，未来个人数据空间管理、数据继承以及隐私安全等问题将成为发展重点。
3.2 云计算的未来展望
当前，在“互联网+”时代背景下，云计算已然成为数字经济时代下的基础设备，中国加快实施大数据战略，大数据生态系统的日益完善为云计算发展奠定了重要基础，云计算也催化出大数据在应用领域的“井喷”。从中国与发达国家的比较发现，国内云计算硬件方面取得了较快的发展，但在与云计算软件资源相关的关键领域应更好地参考国际模式，加大扶持推进力度，在自由贸易促进方面仍有较大的提高空间。
在人工智能的发展过程中，大数据可以帮助人工智能作出精准判断，云网络则可以保存大数据运算结果并进一步推动人工智能。因此，在整个人工智能、大数据和云计算的发展中，云计算为大数据的发展提供了坚实的基础，而云计算和大数据的融合则为人工智能的发展提供着源源不断的动力，同时，人工智能的持续发展又为大数据和云计算的发展带来了更多的机遇。这三者之间交叉日渐频繁，界限也日渐模糊，所呈现的融合发展的趋势不可阻挡，人类也必将迎来崭新的信息技术时代。
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