精品资料（2021-2022年收藏）课程论文题目：云计算研究进展综述

1、云计算研究进展综述摘要: 本文对现有的云计算系统进行分析和总结,采用文献分析方法简述了云计算的定义、特点和基本结构, 介绍了实现云计算的各项相关技术的研究现状, 包括虚拟化技术、Web服务技术、编程模型, 对已有的几个较有代表性的云计算系统进行了介绍并指出了当前云计算系统亟待解决的问题与下一步的研究方向, 可为云计算相关研究提供参考。关键词: 云计算; 虚拟化; 并行编程模型; Web服务与SOASurvey of research progress on cloud computingAbstract: The goal of this paper is to give a brief an

2、alysis and summary of current cloud computing system. This paper adopted the literature analysis method. First presented the definition, character and system architecture of the cloud computing. Then, reviewed the relevant techniques for building the cloud computing, in clouding virtualization techn

3、ology, Web service technology and programming model. Finally, introduced several recently proposed cloud computing system. It,s an important target to implement the interoperation, QoS, and availability and security o f cloud computing system. Researchers of related topic can gain useful information

4、 about the cloud computing.Key words: cloud computing; virtualization; parallel programming model; Web service and SOA 1 引言随着信息和通信技术的快速发展，如图所示，计算模式经历了从最初把任务集中交付给大型处理机模式（图(a)），到后来发展为基于网络的分布式任务处理模式（图1(b)），再到最近的按需处理的云计算模式（图(c)）。最初的单个处理机模式处理能力有限，并且请求需要等待，效率低下。后来，随着网络技术的不断发展，按照高负载配置的服务器集群，在遇到低负载的时候，会有资源的

5、浪费和闲置，导致用户的运行维护成本提高。而云计算把网络上的服务资源虚拟化，整个服务资源的调度、管理、维护等工作由专门的人员负责，用户不必关心“云”内部的实现，因此云计算实质上是给用户提供像传统的电力、水、煤气一样的按需计算服务，它是一种新的有效的计算使用范式。并且，云计算是分布式计算、效用计算、虚拟化技术、Web服务、网格计算等技术的融合和发展，其目标是用户通过网络能够在任何时间、任何地点最大限度地使用虚拟资源池，处理大规模计算问题。目前，在学术界和工业界共同推动之下，云计算及其应用呈现迅速增长的趋势，各大云计算厂商如Amazon，IBM，Google，Microsoft，Sun等公司都推出自

6、己研发的云计算服务平台。而学术界也源于云计算的现实背景纷纷对模型、应用、成本、仿真、性能优化、测试等诸多问题进行了深入研究，提出了各自的理论方法和技术成果，极大地推动了云计算继续向前发展。本文采用文献分析方法简述了云计算的定义、特点和基本结构, 介绍了实现云计算的各项相关技术的研究现状, 包括虚拟化技术、Web服务技术、编程模型, 对已有的几个较有代表性的云计算系统进行了介绍并指出了当前云计算系统亟待解决的问题与下一步的研究方向, 可为云计算相关研究提供参考。1图1 云计算模式的演化2 云计算的概述2.1 云计算的定义云计算（Cloud Computing）是网格计算（Grid Computi

7、ng ）、分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。Cloud Computing的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处

8、理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力2。2.2 云计算的特点3 (1)超大规模： “云计算管理系统”具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。(2)虚拟化： 云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。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，但实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需

9、要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。(3)高可靠性： “云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。(4)通用性： 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。(5)高可扩展性： “云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。(6)按需服务： “云”是一个庞大的资源池，你按需购买；云可以象自来水，电，煤气那样计费。 (7)极其廉价： 由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，“云”的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本，“云

10、”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，因此用户可以充分享受“云”的低成本优势，经常只要花费几百美元、几天时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。2.3 云计算的基本结构3“云”是一个由并行的网格所组成的巨大的服务网络，它通过虚拟化技术来扩展云端的计算能力，以使得各个设备发挥最大的效能。图2展示了云计算体系结构的模型，并在文中对相应的实体给出具体描述。图2 云计算体系结构模型(1)User Interaction Interface：用户交互界面，通过终端设备向服务云提出请求。(2)Services Catalog：一个用户能够请求的所有服务目录，可根据自身的需求选择相应的

11、服务。(3)System Management：系统管理，用户管理计算机资源是否可用。(4)Provisioning Tool：服务提供工具，用于处理终端请求的服务，需要部署服务配置。(5)Monitoring and Metering：监控和测度，对用户服务进行跟踪和测量，并提交给中心服务器分析和统计；(6)Servers：服务云，由系统管理和维护，可能是虚拟服务或者真实的。在云计算体系结构模型中，前端的用户交互界面允许用户通过服务目录来选择所需的服务，当服务请求发送并验证通过后，由系统管理来找到正确的资源，接着呼叫服务提供工具来挖掘服务云中的资源。服务提供工具需要配置正确的服务栈或Web应

12、用。43 云计算的相关技术33.1 虚拟化技术云计算实现的关键技术是虚拟化技术。在服务器虚拟化中，虚拟化软件需要实现对硬件的抽象，资源的分配、调度和管理，虚拟机与宿主操作系统及多个虚拟机间的隔离等功能。虚拟机技术的核心是Hypervisor(虚拟机监控程序), Hypervisor在虚拟机和底层硬件之间建立一个抽象层, 它可以拦截操作系统对硬件的调用, 为驻留在其上的操作系统提供虚拟的CPU和内存。随着虚拟化技术的应用, 对虚拟资源的管理是研究的热点之一。 当前的云计算系统如Scientific Cloud 、Amazon EC2等一般是以虚拟机的形式来满足用户的计算资源需求, 但用户需要根据

13、自己的要求将这些虚拟机手动配置成一个工作集群。虚拟专用网络VPN16 的发展为用户在访问计算云的资源时提供了一个可以定制的网络环境。目前对于虚拟资源管理的研究, 在满足用户对虚拟资源的QoS 需求及服务等级协议( service level agreement, SLA) 方面还有待进一步研究。3.2 Web服务技术与SOA5云服务一般是以Web服务的形式来实现的。在云中服务的组织和协同可以在面向服务的架构中进行管理。SOA(面向服务体系结构)框架下的云计算体系是一个优势互补的系统。SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。这使得构建

14、在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，通过使计算分布在大量的分布是计算机上，使得用户能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。云计算吸收了了灵活性属性以及形式和功能的自由原则，该模式可以用于企业内部、企业之间，或公开范围内，所有这些模式仅仅需要一个服务方向；而SOA框架提供了这种应对不同服务方向的便捷的模型。在面向服务的架构策略中加入云计算，二者的优势就会凸显（安全性、灵活性、性能等），以及由此带来的丰厚的经济、社会效益。3.3 并行编程模型为了使用户能更轻松地享受云计算带来的服务，让用户能利用编程模型编写简

15、单的程序来实现特定的目的，云计算上的编程模型必须十分简单，必须保证后台复杂的并行执行与任务调度向用户和编程人员透明。MapReduce是Google开发的Java、Python、C+编程模型，它是一种简化的分布式编程模型和高效的任务调度模型，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。严格的编程模型使云计算环境下的编程十分简单。MapReduce模式的思想是将要执行的问题分解成Map（映射）和Reduce（化简）的方式，先通过Map程序将数据切割成不相关的区块，分配（调度）给大量计算机处理，达到分布式运算的效果，再通过Reduce程序将结果汇总输出。云计算大部分采用MapReduce的编程模式。

16、现在大部分IT厂商提出的云计划中采用的编程模型，都是基于MapReduce的思想开发的编程工具。综上所述, 并行编程模型的发展对云计算系统的推广实现具有极大的推动作用, 现有的云编程模型均是以MapReduce编程模型为主, 编程模型的适用性方面还存在一定局限性, 还需要进一步的研究和完善。 4 云计算亟待解决的问题6云计算的前景虽然美好，然而实现云计算系统还面临着诸多挑战,，主要包括高可靠的系统技术、可扩展的并行计算技术、海量数据的挖掘技术和数据安全技术。（1）高可靠的系统技术 支撑云计算的是大规模的集群计算系统，当系统规模增大后，可靠性和稳定性就成为最大的挑战之一。需要通过有效的系统配置、

17、监控、管理、调度、虚拟化等技术，实现一个强大的、动态的、自治的计算存储资源池，提供云计算所需要的大容量计算力。系统级的容错技术是系统技术方面的一个难点。大量服务器进行同一个计算时，单节点故障不应影响应用的正常运行。但对那些有大量通讯的紧耦合类应用，当前业内仍无有效的系统级容错方案。（2）可扩展的并行计算技术 并行计算技术是云计算的核心技术，也是最具挑战性的技术之一。多核处理器的出现增加了并行的层次性，使得并行程序的开发比以往更难。而当前业内并无有效的并行计算解决方案，无论是编程模型、开发语言还是开发工具，距离开发者的期望都有很大的差距。可扩展性是云计算时代并行计算的主要考量点之一，应用性能必须

18、能随着用户的请求、系统规模的增大有效的扩展。当前目前大部分并行应用在超过一千个的处理器（核）上都难以获得有效的加速性能，未来的许多并行应用必须能有效扩展到成千上万个处理器上。这对开发者是巨大的挑战。（3）海量数据的挖掘技术云计算面对的是TB乃至PB级的海量数据，如何从数据中获取有效的信息，这将是决定云计算应用成败的关键。除海量数据的挖掘，海量数据的存储和管理也将是一个巨大的挑战。在云计算时代，数据库将面临严重的危机，要么将集群数据库有效扩展到成千上万个节点，要么它就会被类似于Google文件系统这样的新技术所替代。“数据库已死”，这个断言将成为可能。（4）数据安全技术将原本保存在本地、为自己所掌控的数据交给一个外部的云计算服务中心，这样一个改变并不容易。网络技术的发展，使得带宽将不会成为主要障碍，安全性依旧是最重要的顾虑。然而，如同早已习惯将钱存在银行一样，未来的数据银行必将会出现，只是时间的早晚问题。技术其实不是最主要的障碍，制度、法规、诚信、习惯、观念，这些非技术的因素将决定云计算的受欢迎程度。5 结束语云计算系统已经成为下一代IT 的发展趋势, 但是关于云系统的安全