【合作】云计算基础架构【图】

云计算不仅是技术，更是服务模式的创新。云计算之所以能够为用户带来更高的效率、灵活性和可扩展性，是基于对整个IT领域的变革，其技术和应用涉及硬件系统、软件系统、应用系统、运维管理、服务模式等各个方面。

　　IaaS(基础架构即服务)作为云计算的三大部分之一，将基础架构进行云化，从而更好的为应用系统的上线、部署和运维提供支撑，提升效率，降低TCO。同时，由于IaaS包含各种类型的硬件和软件系统，因此在向云迁移过程中也面临前所未有的复杂性和挑战。那么，云基础架构包含哪些组件?主要面临哪些问题?有哪些主要的解决方法呢?

　　一、云基础架构

　　如图1所示，传统的IT部署架构是“烟囱式”的，或者叫做“专机专用”系统。

　　图1 传统IT“烟囱”模式部署架构

　　在这种架构中，新的应用系统上线的时候需要分析该应用系统的资源需求，确定基础架构所需的计算、存储、网络等设备规格和数量，这种部署模式主要存在的问题有以下两点：

　　硬件高配低用。考虑到应用系统未来3～5年的业务发展，以及业务突发的需求，为满足应用系统的性能、容量承载需求，往往在选择计算、存储和网络等硬件设备的配置时会留有一定比例的余量。但硬件资源上线后，应用系统在一定时间内的负载并不会太高，使得较高配置的硬件设备利用率不高。

　　整合困难。用户在实际使用中也注意到了资源利用率不高的情形，当需要上线新的应用系统时，会优先考虑部署在既有的基础架构上。但因为不同的应用系统所需的运行环境、对资源的抢占会有很大的差异，更重要的是考虑到可靠性、稳定性、运维管理问题，将新、旧应用系统整合在一套基础架构上的难度非常大，更多的用户往往选择新增与应用系统配套的计算、存储和网络等硬件设备。

　　这种部署模式，造成了每套硬件与所承载应用系统的“专机专用”，多套硬件和应用系统构成了“烟囱式”部署架构，使得整体资源利用率不高，占用过多的机房空间和能源，随着应用系统的增多，IT资源的效率、扩展性、可管理性都面临很大的挑战。

　　云基础架构的引入有效解决了传统基础架构的问题(如图2所示)。

　　图2 云计算融合模式部署架构

　　云基础架构在传统基础架构计算、存储、网络硬件层的基础上，增加了虚拟化层、云层：

　　虚拟化层：大多数云基础架构都广泛采用虚拟化技术，包括计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等。通过虚拟化层，屏蔽了硬件层自身的差异和复杂度，向上呈现为标准化、可灵活扩展和收缩、弹性的虚拟化资源池;

　　云层：对资源池进行调配、组合，根据应用系统的需要自动生成、扩展所需的硬件资源，将更多的应用系统通过流程化、自动化部署和管理，提升IT效率。

　　相对于传统基础架构，云基础架构通过虚拟化整合与自动化，应用系统共享基础架构资源池，实现高利用率、高可用性、低成本、低能耗，并且通过云平台层的自动化管理，实现快速部署、易于扩展、智能管理，帮助用户构建IaaS(基础架构即服务)云业务模式。

　　二、云基础架构融合

　　云基础架构资源池使得计算、存储、网络以及对应虚拟化单个产品和技术本身不再是核心，重要的是这些资源的整合，形成一个有机的、可灵活调度和扩展的资源池，面向云应用实现自动化的部署、监控、管理和运维。

　　云基础架构资源的整合，对计算、存储、网络虚拟化提出了新的挑战，并带动了一系列网络、虚拟化技术的变革。传统模式下，服务器、网络和存储是基于物理设备连接的，因此，针对服务器、存储的访问控制、QoS带宽、流量监控等策略基于物理端口进行部署，管理界面清晰，并且设备及对应的策略是静态、固定的。云基础架构模式下，服务器、网络、存储、安全采用了虚拟化技术，资源池使得设备及对应的策略是动态变化的(如图3所示)。

　　图3 云基础架构融合部署

　　由于部署了虚拟化，一台独立的物理服务器变成了多个虚拟机，并且这些虚拟机是动态的，随着应用系统、数据中心环境的变化而迁移、增加、减少。例如图3中的Server1，由于某种原因(例如Server1负载过高)，其中的某个虚拟机VM1迁移到同一集群中的Server2。此时如果要保持VM1的业务访问不会中断，需要实现VM1的访问策略能够从Port1随着迁移到Port2，这就需要交换机能够感知到虚拟机的状态变化，并自动更新迁移前后端口上的策略。

　　这是一种简单的计算虚拟化与网络融合联动的例子。最新的EVB(以太网虚拟桥接)标准VEPA(虚拟以太网端口聚合，802.1Qbg)即是实现这种融合联动方案的技术标准，其包括了VDP虚拟机发现和关联、CDCP 虚拟机多通道转发等协议，通过标准化的主机与网络之间虚拟化信息的关联控制，实现虚拟化环境向物理环境的映射，使得虚拟机的服务变更可以通过网络的感知来自动化响应。

　　事实上，云基础架构融合的关键在于网络。目前计算虚拟化、存储虚拟化的技术已经相对成熟并自成体系，但就整个IT基础架构来说，网络是将计算资源池、存储资源池、用户连接组一起的纽带，只有网络能够充分感知到计算资源池、存储资源池和用户访问的动态变化，才能进行动态响应，维护网络连通性的同时，保障网络策略的一致性。否则，通过人工干预和手工配置，会大大降低云基础架构的灵活性、可扩展性和可管理性。

　　三、云基础架构融合方案

　　如图4所示，云基础架构分为三个层次的融合。

　　图4 云基础架构融合的层次

　　硬件层的融合

　　例如上文提到的VEPA技术和方案，则是将计算虚拟化与网络设备和网络虚拟化进行融合，实现虚拟机与虚拟网络之间的关联。此外，还有FCoE技术和方案，将存储与网络进行融合;以及横向虚拟化、纵向虚拟化实现网络设备自身的融合。

　　业务层的融合

　　典型的方案是云安全解决方案。通过虚拟防火墙与虚拟机之间的融合，可以实现虚拟防火墙对虚拟机的感知、关联，确保虚拟机迁移、新增或减少时，防火墙策略也能够自动关联。此外，还有虚拟机与LB负载均衡之间的联动。当业务突发资源不足时，传统方案需要人工发现虚拟机资源不足，再手工创建虚拟机，并配置访问策略，响应速度很慢，而且非常的费时费力。通过自动探测某个业务虚拟机的用户访问和资源利用率情况，在业务突发时，自动按需增加相应数量的虚拟机，与LB联动进行业务负载分担;同时，当业务突发减小时，可以自动减少相应数量的虚拟机，节省资源。不仅有效解决虚拟化环境中面临的业务突发问题，而且大大提升了业务响应的效率和智能化。

　　管理层的融合

　　云基础架构通过虚拟化技术与管理层的融合，提升了IT系统的可靠性。例如，虚拟化平台可与网络管理、计算管理、存储管理联动，当设备出现故障影响虚拟机业务时，可自动迁移虚拟机，保障业务正常访问;此外，对于设备正常、操作系统正常、但某个业务系统无法访问的情况，虚拟化平台还可以与应用管理联动，探测应用系统的状态，例如Web、APP、DB等响应速度，当某个应用无法正常提供访问时，自动重启虚拟机，恢复业务正常访问。

　　四、结束语

　　数据中心由传统基础架构向云基础架构的转变，极大提升了基础架构融合的必要性和可行性。通过资源池的云网融合，构建统一、融合、联动的基础架构系统，不仅提升了应用系统部署的可靠性、灵活性、可扩展性和可管理性，而且也促进了云计算的应用和实践。

　　目前人民检察院的信息化系统也将从传统的数据中心架构向云基础架构演进，满足检察院信息系统的快速批量部署、系统性能优化、降低管理维护工作量的需求，适应侦查信息化和装备现代化的科技强检需求，实现侦查方式战略转变、推动犯罪侦查工作和检务管理工作科学发展。

　　云计算系统已经在政府、教育、大企业、运营商等行业得到越来越多的成熟应用，涌现出一批国内外的具有完善解决方案的云基础架构供应商，包括华三、VMware、微软、亚马逊等公司，尤其是国内的华三公司还可以提供集计算、存储、网络、虚拟化和云管理于一体的整体式交付的UIS统一基础架构系统，可以显著简化检务云基础架构的部署和运维成本，而且凭借丰富的工程实施经验提供专业快捷的运维保障，将云基础架构系统的部署时间缩短70%以上。

【附录】从技术角度浅析云计算的六种架构

云计算要求基础设施具有良好的弹性、扩展性、自动化、数据移动、多租户、空间效率和对虚拟化的支持。那么，云计算环境下的数据中心基础设施各部分的架构应该是什么样的呢?

1、云计算数据中心总体架构

云计算架构分为服务和管理两大部分。在服务方面，主要以提供用户基于云的各种服务为主，共包含3个层次：基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS、软件即服务SaaS.在管理方面，主要以云的管理层为主，它的功能是确保整个云计算中心能够安全、稳定地运行，并且能够被有效管理。

2、云计算机房架构　　

为满足云计算服务弹性的需要，云计算机房采用标准化、模块化的机房设计架构。模块化机房包括集装箱模块化机房和楼宇模块化机房。

集装箱模块化机房在室外无机房场景下应用，减轻了建设方在机房选址方面的压力，帮助建设方将原来半年的建设周期缩短到两个月，而能耗仅为传统机房的50%,可适应沙漠炎热干旱地区和极地严寒地区的极端恶劣环境。楼宇模块化机房采用冷热风道隔离、精确送风、室外冷源等领先制冷技术，可适用于大中型数据中心的积木化建设和扩展。

3、云计算网络系统架构

网络系统总体结构规划应坚持区域化、层次化、模块化的设计理念，使网络层次更加清楚、功能更加明确。数据中心网络根据业务性质或网络设备的作用进行区域划分，可从以下几方面的内容进行规划。

1)按照传送数据业务性质和面向用户的不同，网络系统可以划分为内部核心网、远程业务专网、公众服务网等区域。

2)按照网络结构中设备作用的不同，网络系统可以划分为核心层、汇聚层、接入层。

3)从网络服务的数据应用业务的独立性、各业务的互访关系及业务的安全隔离需求综合考虑，网络系统在逻辑上可以划分为存储区、应用业务区、前置区、系统管理区、托管区、外联网络接入区、内部网络接入区等。

此外，还有一种Fabric的网络架构。在数据中心部署云计算之后，传统的网络结构有可能使网络延时问题成为一大瓶颈，这就使得低延迟的服务器间通信和更高的双向带宽需要变得更加迫切。这就需要网络架构向扁平化方向发展，最终的目标是在任意两点之间尽量减少网络架构的数目。

Fabric网络结构的关键之一就是消除网络层级的概念，Fabric网络架构可以利用阵列技术来扁平化网络，可以将传统的三层结构压缩为二层，并最终转变为一层，通过实现任意点之间的连接来消除复杂性和网络延迟。不过，Fabric这个新技术目前仍未有统一的标准，其推广应用还有待更多的实践。

4、云计算主机系统架构（也称计算节点架构）

云计算核心是计算力的集中和规模性突破，云计算中心对外提供的计算类型决定了云计算中心的硬件基础架构。从云端客户需求看，云计算中心通常需要规模化的提供以下几种类型的计算力，其服务器系统可采用三(多)层架构，一是高性能的、稳定可靠的高端计算，主要处理紧耦合计算任务，这类计算不仅包括对外的数据库、商务智能数据挖掘等关键服务，也包括自身账户、计费等核心系统，通常由企业级大型服务器提供;二是面向众多普通应用的通用型计算，用于提供低成本计算解决方案，这种计算对硬件要求较低，一般采用高密度、低成本的超密度集成服务器，以有效降低数据中心的运营成本和终端用户的使用成本；三是面向科学计算、生物工程等业务，提供百万亿、千万亿次计算能力的高性能计算，其硬件基础是高性能集群。　

5、云计算存储系统架构　　

云计算采用数据统一集中存储的模式，在云计算平台中，数据如何放置是一个非常重要的问题，在实际使用的过程中，需要将数据分配到多个节点的多个磁盘当中。而能够达到这一目的的存储技术趋势当前有两种方式，一种是使用类似于GoogleFileSystem的集群文件系统，另外一种是基于块设备的存储区域网络SAN系统。

GFS是由Google公司设计并实现的一种分布式文件系统，基于大量安装有Linux操作系统的普通PC构成的集群系统，整个集群系统由一台Master和若干台ChunkServer构成。在SAN连接方式上，可以有多种选择。一种选择是使用光纤网络，能够操作快速的光纤磁盘，适合于对性能与可靠性要求比较高的场所。另外一种选择是使用以太网，采取iSCSI协议，能够运行在普通的局域网环境下，从而降低成本。采用SAN结构，服务器到共享存储设备的大量数据传输是通过SAN网络进行的，局域网只承担各服务器之间的通信任务，这种分工使得存储设备、服务器和局域网资源得到更有效的利用，使存储系统的速度更快，扩展性和可靠性更好。

6、云计算应用平台架构　

云计算应用平台采用面向服务架构SOA的方式，应用平台为部署和运行应用系统提供所需的基础设施资源应用基础设施，所以应用开发人员无需关心应用的底层硬件和应用基础设施，并且可以根据应用需求动态扩展应用系统需的资源。

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