云计算的理解
原文：http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=15917&cid=17
老叟發現，即使是一些搞計算機的人，也不了解“云”是什么。于是，俺賣車之余就寫了一篇科普：
到底什么是云(云計算)
有很多關于云的介紹。然而，大都是用比喻的形式來介紹云的屬性。比較有名的比喻是餐館、和電網。但是，云畢竟不是餐館、或電網，如果只有這些比喻，仍然不清楚到底什么是云。
本文試圖不用任何比喻，直接從普通的PC電腦入手，逐步遞進，來介紹云的構成。你只需要具有初中文化，并對CPU、內存、硬盤等計算資源有些基本的概念，就可以了。
一、傳統的電腦
當你啟動一臺個人電腦(PC機)時，電腦所做的事，就是把硬盤上的操作系統(OS，本文以微軟的Windows 8為例，但也可以是Unix、Linux等等)的一些基本的控制程序調入到電腦的內存中去。一旦這個過程完成，這臺電腦就完全由Windows 控制了。你所謂的電腦，其實就是你在上面工作的Windows。
對Windows而言，它所賴以運行的，只有電腦的處理器(CPU)、內存、和存儲設備(硬盤)這三個要素(或者說三項資源)。電腦還有機箱，但那只是起著封裝、固定、再加供電的作用;電腦還有主板，但那只是起著電腦內各主要部件通信連接的作用。當然，你可能還需要網絡連接， 但那只是一項外在資源，不是Windows本身所必需的。作為PC機，你還需要鍵盤和顯示器等外部設備來直接在機器上工作。如果是服務器，則不需要鍵盤和顯示器，一切都可以是遠程登錄訪問。
所以，一臺電腦實質上就是在CPU、內存、和硬盤上運行的Windows。當打開Windows 的任務管理器，你就會發現，CPU和內存大部分是閑置的。特別是CPU，其利用率通常不到10%。Windows在硬盤占有的空間一般就是幾個GB。 也就是說，一個Windows獨占了電腦的全部資源，而大部分資源又都是閑置的。
那么，有沒有這種可能：不讓一個Windows單獨控制一臺機器，而是在一臺機器上安裝多個操作系統，并且讓它們同時地運行?
有，最好的方案就是虛擬化?--
二、虛擬化
當安裝一臺電腦的時候，你不再是安裝普通的Windows，而是安裝一個資源調度程序，也叫“監控程序” (Hypervisor)。這個監控程序很小。取決于哪個廠家的產品，小的只有100多兆字節， 大的也只有幾個G的字節。 監控程序安裝完成之后，會得到一個工作界面，你通過這個界面設置一個網絡連接(IP地址)。這個界面很簡單，多數情況下你可以通過瀏覽器從別的機器上訪問這個界面。
前面說了，一個Windows機器，實質上就是一個由CPU、內存、和硬盤組成的一個組合體。通過監控程序的界面，你可以建立多個組合體。每個這種組合體，就是一臺仿真的電腦。當監控程序創建一個仿真的電腦時，它實際上只是創建了兩個文件：一個是關于這個組合體的配置信息(被分配了多少CPU、多大內存、多大的硬盤);另外一個文件，這個仿真電腦的“硬盤”，這個仿真的“硬盤”實際上就是一個封裝的文件(在有些情況下，也可以是幾個文件)。
當你點擊“開機”來啟動這個仿真的電腦的時候，監控程序開始實際為它分配CPU和內存、并且啟動它。當然，這“臺”仿真的電腦在第一次啟動的時候，是沒有安裝任何操作系統的“裸機”，那個封裝的文件也是空的，這時你可以進行正常的系統安裝(比如 安裝Windows)。
對Windows而言，它不知道真假，它反正能夠得到所需要的CPU、內存、和硬盤就可以正常運行了，一切都和真的機器一樣。對監控程序而言，這個 Windows不是直接和硬件打交道的，一切資源都需要監控程序來調度和分配，所以這“臺”Windows機器(組合體)就是一臺虛擬的機器，簡稱VM。
這種通過監控程序把硬件的機器、同操作系統分開的過程，就是虛擬化。
當監控程序創建一個VM時，它就給VM配置資源的大小，比如2個1GHz的CPU、2GB內存、和100GB硬盤。這樣，這個VM(Windows)就以為自己擁有了雙核的1GHz CPU、2GB內存、和100GB 硬盤。但這只是Windows所能使用資源的上限。Windows在實際運行中并不需要消耗那么多，監控程序只是給它按需分配實際消耗的資源，比如 0.1GHz CPU、0.5GB 內存、和20GB 硬盤。表現在實際的硬件消耗上，這20GB的存儲量，就是實際硬盤上的那個20GB大小的封裝文件。
一臺電腦，可以通過監控程序創建幾個、幾十個、甚至上百個VMs。比如，一臺擁有16GB內存的PC機，你可以創建10個VMs，給每個VM分配4GB內存。看似總共分配出了40GB的內存，但PC機的實際內存只有16GB。
通過虛擬化，一個單臺的硬件機器可以同時運行多個虛擬的機器(VMs);更重要的是，雖然一個虛擬的Windows的系統盤(C盤)上有成千上萬個系統文件，但它表現在硬件的存儲設備(硬盤)上，只是一個或幾個打包的大文件。當你把這一個或幾個大文件移到別的地方，整個VM就移走了。
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三、配載調配和平衡
如果虛擬化的不只是一臺機器，而是A、B兩臺，并且兩臺機器都共享一個大的存儲設備(硬盤陣列、或硬盤庫)，那會怎樣?
前面說了，一個VM就是一個(或幾個)大文件。如果這個大文件放在共享的存儲設備上，A、B兩臺機器上的監控程序都能看到這個VM。那么，這個VM既可以在A機器上運行、也可以在B機器上運行。所謂在哪臺機器上運行，就是通過那臺機器上的監控程序，把Windows 啟動到其分配的虛擬內存就是了。
假設VM1到VM10 等10個VMs在A上運行，VM11到VM20 等10個VMs在B上運行。現在要對A進行關機維護，那么它上面的10個VMs就可以在線移動到B上，而且所有10個Windows都保持不間斷，用戶根本意識不到變化，因為所移動的東西，只不過是內存中的數據而已。
這個移動不是由A、或B指揮的，而是由裝在另外一個C機器上的專門的數據中心管理軟件指揮的。
這個數據中心管理服務器C， 可以監控A和B的運行狀態，一旦出現資源緊張，它可以自動觸發在線遷移，把一個或多個VM移到對方的機器上運行。當然，這里需要一個事先設定的閾值標準。
如果是創建新的VM， C可以自動決定把新的VM放在哪臺機器上。
這里只是假設A、B兩臺機器。實際上，C可以管理幾十、幾百、上千臺機器。共享的存儲設備也不止一套，可以是多套(VMs也可以在不同的存儲設備間移動，只是移動的時間較長而已)。
C通過各機器上的監控程序，間接管理所有的資源。
至此，云的雛形出現了，但還不是云。因為，所有的這些管理和控制，都還是數據中心自己的職責。用戶還無法對所需要的資源進行自主管理。
四、云的最后形成
數據中心服務器C可以不止一個，可以有多個。它們創建和管理的一些VMs也許可以供外界的用戶訪問(比如網站)，但用戶無法直接管理VMs，更無法管理C提供的服務、或資源。
1. 資源池：
現在，再加一個更上層的服務器D -- 由它來管理一個或多個C!這個D，就是云服務器了:
C把各自管理的資源提交給D，比如，一個或幾個C總共向D提供了5000GHz CPU、3TB 內存、3PB 存儲空間。D再把所有資源組成一個大池子，叫做“資源池”。
這個池子的大小是可以動態變化的。當C控制的資源增加了、升級了，C可以動態向這個池子貢獻資源，這個龐大的資源池也就隨之增長得更大。
2. 二次虛擬：
為了便于分配和管理，D把龐大的資源池劃分成多個子集(小組)，這每個子集就相當一個虛擬的數據中心(或叫“計算中心”)。
D再從各個“計算中心”里提取計算資源，創建一個個用戶環境。每個用戶環境就相當于一個“機房”，這個“機房”包括CPU、內存、存儲等資源。
D同時還給用戶提供登陸訪問的接口。用戶通常用瀏覽器來登錄這個接口。
作為用戶，當你用瀏覽器連接到D提供的訪問界面，就可以建立一個賬戶，并且輸入你的信用卡號。這時，云服務器D就可以根據你的要求，提供所需要的“機房”。
這個“機房”的大小，完全根據用戶的需求而定，比如可以包括50GHz CPU、100GB 內存、和2TB 硬盤。這些“機房”的資源，都是由云服務器D從它的那些虛擬的“計算中心”里抓給你的。
通過層層抽象和虛擬，在每個“機房”里，你看不到、也不用去關心每個計算資源實際來自哪里。
3. 用戶的自主管理：
當你作為用戶擁有了一個“機房”，你就可以隨意干你所需要的的事：
建立多臺虛擬的機器(VMs)。云商在你的機房里已經提供了很多現成的VM模板，有各種Windows、有各種Linux、等等，你可以隨意拷貝過來、定制自己的配置、啟動，就可以了。當然，你也可以自己從初始安裝。
4. 連接到網絡：
在本文開頭提到， 網絡也是計算資源。在談及單個VM的時候可以暫不談網絡，但是在連接VM的時候就需要了。云在給你提供一個“機房”的時候，它已經就按需求給你提供了虛擬的交換機、路由器、IP地址池等等。這些網絡資源，同樣也是由數據中心服務器C提供給云服務器D的;C則是從所管理的各個監控程序得到;各監控程序管理著實際的硬件網卡。
從用戶的角度，各個“機房”是完全獨立的，彼此是不可見的。你在自己的“機房”里干任何事都干擾不了別人的“機房”，別的“機房”也干擾不了你。
這就是云。下面還要介紹一些分類。
這里再回溯一下這個云“機房”的來源：
“機房”<-- 云服務器D管理的虛擬的“計算中心”<-- 數據中心服務器C提供給D的資源池 <-- C 動態管理A、B兩臺(或多臺)機器所連接的計算資源 <-- A、B兩臺(或多臺)電腦通過監控程序的虛擬化 <-- PC機
在實際配置中，PC機一般為企業級的服務器所取代，比如聯想的System X 服務器。但這些服務器和PC機沒有本質區別，性能和可靠性不同而已。
五、云的種類
這里描述的云的建立過程和結構，只是一種比較普通和容易理解的形式。由于技術的不同、實現方式的不同，各家云的實現方式和結構會有很大的不同。但是，一些基本的概念是相同的，其共同的核心要點包括：
一定要有資源池。把分散的計算資源集中到大的資源池里，以方便統一管理和分配。例如前面講的D所管理的資源池。
按需分配、自助服務。用戶實際消耗多少資源，就被分配多少資源;用戶對自己得到的資源能夠自助管理。例如前面講的“機房”。
靈活的資源變化。隨便撤掉一臺硬件的電腦，其上面的信息和活動會自動轉移到別處去;隨便增加一臺電腦，其資源會隨時添加到資源池里去。所有這些增減，用戶根本意識不到。例如前面講的“配載調配和平衡”。
一定要有記賬系統。用戶消耗了多少資源，如何給這些資源計費，系統有詳盡的信息采集和報告，以便對用戶收費(即使是免費，也得有詳細的記賬)。例如前面提到用戶輸入信用卡，就是以記賬為前提。
在組建云的技術上，說到底，就是用軟件產品(如前面提到的C和D，并通過監控程序)來管理、組織、和分配經過抽象或虛擬的硬件計算資源。除了個別企業用自己的技術建設、和服務外，現在常見的云技術提供者主要有：VMware、微軟、Citrix、和OpenStack等。前兩者是完全的商業產品;Citrix公司在監控程序上采用的是開源的Xen;OpenStack則完全是開源免費的，它的監控程序主要采用開源的KVM和Xen，也可以是其它的開源軟件。
按照服務的對象和范圍，云可以分為三類：
私有云：建一個云，如果只是為了單位(企業或機構)自己使用，就是私有云。就前面提到的“機房”而言，每個“機房”只是為本單位的不同部門、或不同用途而設立的。
公眾云：如果云的服務對象是社會上的客戶，就是公眾云。前面提到的“機房”可以是任何社會上的企業、單位、或個人。Amazon公司的AWS是現在世界上最大的公眾云。其它公眾云提供商還有Google、Salesforce、蘋果的iCloud等等。
混合云：如果一個云，既是為單位自己使用，也對外開放資源服務，就是混合云。有時，把兩個或多個私有云的聯合，也叫混合云。
按照服務的模式，云又分為如下幾類：
基礎設施即服務(IaaS)：作為一個用戶，如果得到了前面的“機房”，那你就擁有了信息系統的基礎設施，你可以安裝多個服務器，你可以配置自己的網絡。由于這個基礎設施完全是云所提供的服務，所以叫“基礎設施即服務”。
平臺即服務(PaaS)：你不一定需要“機房”里的所有服務，比如說你只需要“機房”里的一個服務器作為公司軟件開發的平臺，那么，你得到的這個平臺也是以服務的形式出現的。
軟件即服務(SaaS)：你甚至都不需要管理一整個服務器，你不關心什么服務器、也不關心服務器是怎么工作的，你只需要一種軟件的功能。比如，你只想管理公司的客戶信息(CRM)，你就從云商那里得到完備的CRM軟件功能。所以，軟件也是服務。
其它(XaaS)：很多人使用iCloud，實際上就用iTunes在“機房”里開了一個用戶帳號，這個賬號給你提供5GB的免費存儲空間，如果還需要更大一點，你就需要輸入信用卡號了。這是“存儲即服務”。你還可以把PC機放在云上(當然，你需要有一個小盒子能連到云上，這個小盒子還能連接顯示器、鍵盤、鼠標等)，這就是“桌面即服務”。“桌面即服務”有另外一個時髦的叫法，即“云桌面”。。。總之，都是XaaS，你可以試著把X 換成任何東西。
你只要理解了前面說的“機房”，就可以理解它能提供的各式的服務(XaaS)，大到綜合性的基礎設施，小到單一的云存儲，你就不怕別人說一個什么時髦的新服務，都只不過是“機房”里的不同服務花樣而已!
六、云的誘惑
試想，有了云上的“機房”，你如果是中小企業的IT部經理或CIO，你還會在建設機房上操心供電、空調、消防、設備故障等等瑣事嗎?你還會去調研購買何種服務器設備嗎?你只需要一個帳號、一個信用卡，你就可以在云上“機房”里隨意創建任何服務器，喜歡就啟動，不喜歡就刪除。你可以安裝所需要的操作系統、配置任何數據庫。你甚至不需要為員工購置PC電腦，有“云桌面”就可以了。
英國政府用不到一年的時間，迅速建起了統一的“政府云”(簡稱“G云”)，目的是把國家各個政府部門的IT系統都逐步轉移到G云上去。自2012年正式啟用之日起，政府各個部門一律禁止購買硬件的服務器，所有新增內容都必須是從G云上創建。
不管是企業、政府、還是個人，如果想避開云，看來是很困難了。這就是為什么要多少了解一下“到底什么是云”。
總結
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