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云计算及其在数据中心设计中的应用

廖建国

摘要：文中介绍了云计算的基本概念、体系结构和特点优势，提出了基于云计算的数据中心设计模型，阐述了其工作原理，并对其性能进行了分析，研究表明，基于云计算的数据中心较传统数据中心优势明显，具有很好的应用推广价值。此外，本文对基于云计算的数据中心实际建设和运用具有一定的理论指导和借鉴参考作用。
［关键词］云计算；数据中心；设计；应用

1 引言
随着网络的不断普及和发展，依托网络进行业务处理、计算等应用日渐增多，对数据中心的要求也越来越高，为解决传统数据中心信息和资源共享程度低、计算和存储能力弱等问题[1]，探讨将一种新的网络计算技术应用到数据中心设计中，提出了基于云计算的数据中心设计模型，结合云计算的特点优势，对该模型工作原理和性能进行了分析，研究表明，将云计算应用于数据中心是可行的，而且是一种划时代的技术革命，它将能为用户提供更好的网上应用等服务。
2 云计算特性
2.1 基本概念
通常绘制与电信网、计算机网或互联网有关的系统图时，用云的形状表示网络，于是把网络或互联网比喻为“云”。云计算是把存储在个人电脑、移动设备和其他设备上的大量信息集中起来，并把分布在各地的处理器资源集中起来，向用户提供数据和应用程序服务[2]。
云计算通过网络统一调用“云”内各种ICT（信息、通信和技术 Information Communication Technology）资源，实现高性能信息处理，并借助SaaS（软件即服务 Software as a Service）、PaaS(平台即服务 Slatform as a Service)、LaaS（基础设施即服务Infrastructure as a Service）等先进的服务，把强大的计算能力分布到终端用户手中，它是网格计算、虚拟化、服务外包、托管等已有概念的整合与发展。
2.2 体系结构
云计算在技术结构上可分为物理资源层、虚拟化资源层、服务管理中间件层和服务接口层[3]。如图1所示。

图1 云计算技术结构

（1）物理资源层主要是指能支持计算正常运行的一些硬件设备、数据库等，它包括服务器、PC机、存储设备、网络设施、数据库及软件等资源，通过采用并行、分布式、网络等技术，将大量相同类型的同构资源或接近同构资源，组成一个能提供超强功能的集群，形成计算、存储等云资源。
（2）虚拟化资源层将物理资源虚拟化为一些能实现一定操作、具有一定功能、可供调用资源，如计算资源池、网络资源池、存储资源池、数据库资源池等，通过软件技术实现相关的虚拟化功能，包括虚拟环境、虚拟平台、虚拟系统等。
（3）服务管理中间件层是云计算体系结构中的管理系统，负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务，包括用户管理、资源管理、安全管理、映像管理等。
（4）服务接口层为用户提供使用云服务的标准接口，是用户端与云端交互操作的入口，可以完成用户及服务的注册、对服务的定制和使用，包括服务查找、服务访问等。
2.3 特点优势
（1）计算处理能力强
云计算规模相对较大，通常公共云拥有几十万台甚至百万台计算机，企业私有云也一般拥有数百上千台计算机，云服务中成百上万的计算机，形成一个超强的服务器，为用户提供前所未有的计算和数据处理能力。
（2）资源服务灵活
云计算支持用户在任意位置、使用各厂商和不同配置终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，用户不用考虑应用运行的具体位置，只需要一台笔记本或者一个可上网终端，便能获取所需的服务，甚至包括超级计算任务。
（3）使用成本低
由于“云”通过自动化集中式管理和资源的高效利用，所有资源和应用都在“云”端，综合维护成本较低，而且用户不需因某个应用而安装相应的软件，也不需因软件更新而反复升级，用户可以化很少的费用，像自来水、电、煤气那样按需享用。
（4）通用性、扩展性强
云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。并且，“云”的规模可以动态伸缩，根据应用和用户规模增长的需要灵活扩展。
3 云计算在数据中心设计中的应用
3.1 设计模型
将云计算应用到数据中心设计中，按照四层结构，构造相应模型，如图2所示。

图2 数据中心模型

服务提供层采用SOA（面向服务的体系架构 Services-Oriented Architecture）进行设计，通过服务提供者、请求者和注册中心之间的交互实现服务调用。管理中间件层负责资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作。在资源虚拟层，采用“分割”资源方式，将服务器、存储设备、网络设备等进行虚拟化，方便用户调用所需的计算资源、网络资源、存储资源和数据库资源等。
3.2 工作原理
在数据中心设计中，核心部分是由多台计算机组成的服务器“云”，它将资源聚集起来，形成一个大的数据存储和处理中心，同时在服务器中部署工具和程序的作用下，完成“云”端的软件管理、安全防护、程序应用、监测修复和资源的管理、存储等功能，服务器根据用户客户端提交的应用请求，合理调用资源，进行相应处理和计算，并返回运行结果。
4 性能分析
4.1安全性保证
（1）在云计算方式下，更多数据资源集中存储。一是降低了数据被盗、被破坏和外泄的可能。在云计算应用之前，用户为完成某个应用需安装大量的软件，很多数据都存储在用户终端内，若用户使用不当或在对终端维修过程中，很容易造成数据被病毒攻击或被盗。二是更为全面监测数据安全。数据存储在数据中心，数据中心的管理者可以对数据进行统一管理，负责资源的分配、负载的均衡、软件的部署和安全的控制，并能全面地对数据安全进行实时监测以及数据的及时备份和恢复[4]。
（2）采用云安全技术，主动防御病毒。云安全技术是网格技术、云计算技术和分布式计算等技术混合发展而成，它融合了并行处理、网格计算、未知病毒行为判断等新兴技术，当前主要有基于互联网数据库的轻客户端程序和基于样本收集处理机制两种工作模式[5]。基于云安全，杀毒软件利用互联网强大的网络支持，通过互联网实时监控网络及用户主机，在用户即将访问有害网页或病毒程序前提醒用户，提前处理，主动防御。
（3）数据传输加密和使用认证。采用数据加密技术对传输在网络上的数据进行加密，保证数据在传输过程中的安全。同时，采用严格的权限管理策略，防止数据信息被越权享用。
（4）通过建立私有“云”，进一步确保部分重要数据信息的安全。
4.2 可靠性保证
(1）采用技术措施，保证云端稳定运行。在基于云计算的数据中心，成千上万台计算机或服务器构成一朵云或网络服务组，完成数据的处理、计算等，为用户提供所需的服务，由于云计算使用数据多副本容错、计算节点同构可互换等技术和措施，即使部分计算机或服务器损坏，也不影响这朵云的运行，损坏的服务器的工作由其它服务器分担，保证了整个数据中心运行的稳定性和可靠性。
(2）各类应用集于云端，最大限度减少因基础设施增加带来的风险。各类应用都在云端完成，云端根据用户的需求，建设或增加相应的硬件和网络设施，并由专业的技术人员进行维护管理，而用户需购置或配置的服务器等设备相对较少，减少了因用户各自建设一套基础设施，硬件网络设备维护管理不到位而带来的风险，提高了各类应用的可靠性。
4.3 实时性保证
将云计算应用于数据中心设计中，需充分考虑数据处理、调用、转发和存储等环节的延时，涉及的主要性能参量有突发流量吸收度、网络吞吐量和设备转发率。
(1）突发流量吸收
在虚拟化云计算网络环境下，超高密度的虚拟机数量引入有别于任何以往传统意义上数据中心的业务承载问题，在表象相似的网络平台上，“服务器/虚拟机”的数量在单位空间和单位网络接口剧增，虚拟机产生了不可预期的流量模型，特别是如虚拟机迁移、数据同步、数据备份等带来的突发性流量，都将影响数据实时传输，为解决该问题，提出基于无阻塞交换和分布式大缓存相结合的技术。如图3所示，采用CLOS交换架构，基于“分片动态路由”方式，数据包分片经多条路由到交换矩阵，经交换矩阵到目的端，数据包重组。为解决因数据量剧增而路由到不同方向的数据包在同一链路上出“头阻塞”问题，通过采用VoQ（Virtual Output Queuing）技术，在物理链路上建立虚拟链路，当在某条进出链路上出现数据包等待情况，那么需经该链路进出或到其它方向去的数据包则可通过虚拟链路传送。此外，当数据量剧增超出网络处理能力时，则通过分布在各节点的缓存器，将部分数据暂存于缓存器，确保网络不被瞬时大流量堵塞。

图3 数据包传输流程框图

(2）网络吞吐量
随着以太网技术迅速发展，10GE技术广泛应用于数据中心骨干网，100G技术已逐步应用到数据中心设计中，再加上网络采用扁平化结构，数据中心网络吞吐量不断增加。并且，将数据中心网络架构中接入层（即：数据中心接入交换设备）与核心层（数据中心核心设备）直接连接，减少传统的中间汇聚层（交换机设备），进一步缩短数据传输延时。
(3）设备转发
传输和处理速率还与设备实际性能和不同厂家的设备相互配合程度有关。那么，在基于云计算的数据中心设计时，应综合考虑各种因素，根据相应的需求制定合适的配置方案，如：对于实时性要求非常高的业务，可采用万兆接入设备和支持万兆处理的核心设备，最大程度减少传输、处理时延。
5 应用前景
云计算被视为IT业界的下一次革命，它将对人们的工作方式和商业模式带来根本性的改变。在需求的牵引下，该技术发展迅速，人们对该技术的应用研究也不断深入，本文主要探讨了云计算在数据中心设计中的应用，分析表明，它较好地解决了传统数据中心存在的不能有效整合软件和硬件资源，难以向用户提供高性能和低成本服务等诸多问题，具有很好的应用推广价值。
参考文献：
[1]高辰.云计算带来数据中心变革[N].人民邮电,2012-06-14.
[2]高林,宋相倩,王洁萍.云计算及其关键技术研究[J].微型机与应用,2011,30(10):5～7.
[3]张万潮.云计算及其应用研究[J].网络与信息,2012,26(6):50～51.
[4]张水平等.基于云计算的数据中心安全体系研究与实现[J].计算机工程与设计,2011,32(12):3965～3968.
[5]李彦宾.云计算数据中心网络安全防护部署[J].网络与信息,2012,26(6):38～39.