第一讲云计算系统架构简介(武志学博士)

–资源管理功能、调度管理功能、文件数据存储功能
• 注意图中2种不同的系统结构，及资源管理单位
云操作系统：资源管理功能
• 向上呈现统一的、抽象的资源视图，实现统一 的资源监控、资源调度和资源生命周期管理
–物理资源管理、虚拟资源管理、集群管理
• 资源管理更复杂
–物理硬件资源：服务器、存储器、SAN、网络设备 –虚拟设备：虚拟机、虚拟存储、虚拟网络 –分布式集群：并行计算集群、分布式存储集群
–用户访ห้องสมุดไป่ตู้调度 –内容缓存管理
CDN中应用云的关键技术
• 弹性计算
–给CDN提供强大的容错和自恢复能力 –按需缩放和自动维护能力
• 云存储
–解决CDN高清视频带来的存储成本问题` –可以快速进行规模扩展
哪些因素导致 • 任务多面性 其复杂性和可 –软/硬件的资源管理、任务调度、应用配置、 变性？ 使用等
• 应用多样性
–不同应用场景，采用不同的技术和结构 –海量数据处理、Web应用、科学计算
–物理设备、虚拟设备、软件系统的数量
• 服务多样性
–基础设施、应用托管、软件服务
云计算系统架构与传统PC系统的 对应关系
云计算应用软件层
• 承载和运行各类用户或提供商的应用软件、应 用和任务 基于PaaS层开发的 • 传统PC系统中多是利用本机资源，或者通过网 “云应用” （Azure、GAE） 络在一个有限的范围内获取一些所需的数据 • 在云系统中，底层硬件和软件架构都发生了变 化，应用软件的设计和实现与传统软件实现也 有一定的不同，开放、测试、和运行环境不同
–应用软件层
• 直接被用户运行和使用的软件
操作系统的任务
• 硬件资源管理
–对硬件资源进行操作并使之透明地被用户使用 –CPU、内存、I/O设备
• 软件任务管理
–使软件任务能够在执行过程中获得最优的资源份额 –主要是管理进程/线程的生命周期状态和资源分配
• 文件系统管理
–屏蔽底层的存储资源细节，使用户能够方便地以文 件的形式访问存储资源
–在网络中传输远程虚拟桌面内容和设备数据
• ICA、RDP、PCoIP以及Spice
• 应用流技术
–将传统的应用进行打包，无需安装即可使用
CDN服务（Content Delivery Network)
• 位于IP网络与互联网应用之间，将网站内容 推送到离用户最近的地方，从而实现用户就 近访问，降低延时 • 通过对分散在多个物理节点中的分布式服务 设备进行统一调度、统一管理，使用户总能 在“最近”的服务设备上找到需要的内容 • 关键技术
云计算系统分层体系架构 --云软件层
云计算系统软件层
• 由支撑上层云应用软件执行的“部件”组成
–数据库、运行环境、应用框架、函数库等
• 这些部件运行在云操作系统之上，利用云操作 系统提供的资源能力，为具体应用软件的执行 提供运行环境、数据库存储等能力 • 与PC系统的差别
–不同开发商同时在其上进行开发、测试和运行 –不同应用共享系统软件：数据库、文件系统等
云计算系统架构
电子科大成都学院云计算系 武志学 2013年2月
课程目标
• 了解掌握云计算系统分层体系结构 • 了解掌握IaaS、PaaS、SaaS、DaaS的应用 场景、系统结构、关键技术和实现 • 熟练掌握CloudStack的搭建和使用 • 为使用、开发、优化和管理云计算平台打 下良好的基础
课程组成
基础设施即服务（IaaS）
• 2类服务方式
–向上为云计算应用平台、云计算应用提供基础 的虚拟或海量计算、存储能力 –以IaaS的形式向外部用户提供计算和存储服务
• 基础架构管理：实现对底层分布、复杂的 软/硬件资源的管理和抽象 • 2种基础架构类型
–基于虚拟化 –基于分布式
平台即服务（PaaS）
• 举例EC2 API
云操作系统：资源管理功能
• 计算即服务开发接口
云操作系统：调度管理功能
• 根据一定的调度策略和算法，为上层的各类软 件、应用和任务优化分配资源 • 可以根据资源数量、资源负载、任务优先级等 因素为上层的计算任务分配最优的资源，保证 任务执行的性能、效率和可靠性等 • 需要实现任务迁移、任务暂停、任务重启、任 务终结等功能 • 解决计算任务并行执行的同步问题 • 类似于PC操作系统的哪个功能？ • 与PC操作系统的主要差别是什么？
云操作系统：实现的挑战
• 传统操作系统只管理本机范畴内的资源（CPU、 内存、外设等），并在此上构建文件系统和任 务调度 • 云计算系统是由大规模的、分布在多个数据中 心的服务器、存储节点经网络连接起来 • 如何在其上形成一个统一的资源视图并实现统 一的管理和调度，并在这个统一的资源层面上 构建分布式的文件系统，和进行分布式的任务 调度，都是巨大的挑战
–IaaS：引入虚拟化、分布式等技术 –PaaS：引入开发语言、应用容器、数据库等技术 –SaaS：引入应用多租户、Web动态交换等技术
• 不同层具有不同的服务内容和服务交付方式 • 三层只是层次不同，并没有必然的上下层关系
–比如PaaS层即可以利用IaaS层提供的服务，也可 以直接搭建在“云基础架构”上
• 基于多租户架构为应用提供执行环境和监控管理 • 举例Azure API
平台即服务（PaaS）
• 开发环境
–为开发人员提供云计算应用开发工具 –如SDK、开发环境插件、本地仿真环境等
• 运行环境
–基于多租户架构为应用提供执行环境和监控管理 –为各类应用负载提供资源伸缩性 –保证应用的可靠性
• 服务方式
云系统软件
云操作系统
与PC系统的类 似和差别？ 后面详细讨论
• 云操作系统层
–实现对软/硬件的管理，通过抽象后的资 源接口支持上层软件、应用和任务的执行
• 云硬件资源
–用于支撑上层软件、应用和任务执行的硬 件资源
云硬件资源
云硬件资源层
• 支撑上层软件、应用和任务执行的硬件资源 • 由大量分布在一个或多个数据中心的大量的物 理服务器，物理存储设备，数据中心内部或之 间的网络构成的基础设施资源池 • 与PC系统的不同点
传统PC系统架构
• 从本质上看，云计算系统和传统PC系统之间存 在着可类比性，所以我们首先通过分析传统PC 系统来帮助我们认识云计算系统架构。
• 传统PC系统架构有哪些层？ • 每个层次的主要作用是什么？
• 分组进行讨论并提交答案（10分钟）
传统计算机系统架构
应用软件 系统软件 操作系统 软 件
• 课堂：30学时
–武志学
• 实验：30学时
–CloudStack的搭建及使用 –张建洪
• 作业
–通过教育云平台布置、提交和批改
• 答疑/习题课
–每2周1次面对面，45分钟
相关课程
• 前提课程
–云计算导论 –计算机虚拟技术 –KVM虚拟技术 –操作系统
• 本学期相关课程
–海量数据处理 –GAE应用开发 –Azure应用开发
–资源不是单台服务器的内部资源，利用网络连接 –资源分布在大量的服务器、存储设备上 –资源可能分布在多个数据中心 –资源量很大、并且异构
云计算系统分层体系架构 --云操作系统层
云计算操作系统层
• PC操作系统的功能有哪些？
–硬件资源管理、软件任务管理、文件系统
• 实现对软/硬件的管理，通过抽象后的资源接口 支持上层软件、应用和任务的执行
–将云计算应用的开发和执行环境以PaaS的形式提 供给外部开发者
软件即服务（SaaS）
• 包括各类利用云计算基础架构（IaaS），或 云计算应用开发与执行环境（PaaS）开发的 应用
–如CRM、电子邮件、办公文档、社交网站等
• 它们利用了云计算基础架构和多租户架构的 执行环境，所以可以保证应用具有良好的可 伸缩性以及多租户共享 • 服务方式
–多租户架构、基于Web的交互能力、海量数据存储 支持、可动态伸缩等
云计算服务体系
云系统架构与服务体系的对应关系
云应用软件 云系统软件 SaaS PaaS
云操作系统
云硬件资源
IaaS
云硬件资源
云计算服务体系
SaaS
PaaS IaaS
云计算基础架构
云计算分层服务体系
• IaaS：主要依托于云计算基础架构层，向外 提供基础资源服务
• 政务云、交通云、视频监控云、医疗云等
扩展云计算服务体系
SaaS/DaaS
PaaS/行业云 IaaS/CDN
云计算基础架构
桌面即服务（DaaS）
• 将传统的操作系统桌面作为云计算服务提供给 用户，并且不改变桌面用户的使用习惯和体验 • 基于“云计算基础架构”，通过桌面管理和服 务模块，为用户提供桌面服务 • 用户可以通过PC、平板电脑、云终端甚至手机 在任何有网络接入的地方访问自己的桌面
–如弹性计算、弹性存储等
• PaaS：主要依托于云计算应用开发与执行环 境，向外提供应用开发与运行托管服务
–如企业应用托管环境、互联网应用托管环境等
• SaaS:主要通过云计算应用软件层向外提供应 用软件服务
–如CRM，OA，社交网站等
云计算分层服务体系
• 三层都是在“云计算基础架构”上提供服务， 都利用了“云计算基础架构”的基础资源能力 • 不同层只是在“云计算基础架构”上叠加了不 同的实现部件
• 基于云计算基础架构提供的能力，形成新的云计 算基础架构API
–虚拟机、并行计算、分布式文件存储、数据库
• 这些API将成为各类开发语言的一部分
–比如Java、Python、Ruby等 –比如用来支持海量数据的存储、非格式化数据库
• 为开发人员提供云计算应用开发工具
–如SDK、开发环境插件、本地仿真环境等
–将这些云计算应用以SaaS的形式提供给外部用户