云端作业系统基本架构学习资源服务平台课件

1、Unit 02雲端作業系統基本架構M. S. JianDepartment of Computer Science and Information Engineering National Formosa UniversityYunlin, Taiwan, ROC雲端運算上的服務著重於透過網際網路服務並連接大量的運算資源並非就真的可以不考慮硬體資源基於網際網路提供服務的架構存在著伺服器端與使用者端的硬體設備8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 2雲端伺服架構提供使用者預先選定之硬體設備需求與等級（Infrastruct

2、ure）選擇所要使用的作業系統平台（Platform）建構或選取使用者所需要使用的服務（Application/Software）InfrastructureServerPlatformApplication/SoftwareClientHardwareSoftwareService8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 3整體雲端運算的架構實體伺服器群組（Servers）雲端環境中的資料中心基礎建構即服務（Infrastructure as a Service）以虛擬硬體的方式透過網際網路提供運算資源與硬體環境租用服務

3、平台即服務（Platform as a Service）結合虛擬化的硬體配備，建立使用者所需要的虛擬化作業平台供使用者在網路上操作使用軟體/應用即服務（Software as a Service）利用已經建構的虛擬作業平台建構出各個軟體服務，再利用網路將軟體服務內容呈現在使用者的設備上8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 4雲端服務架構圖8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 5InfrastructureIaaSServerPlatformPa

4、aSApplication/SoftwareSaaSClient將運算應用軟體於網路上作為服務，使用者無須額外安裝 Microsoft Office/Livemesh將運算平台環境作為服務Googles AppEngineHardwareSoftwareService將運算資源與硬體環境作為服務(i.e. virtual machines, storages, networks) as a service over the InternetAmazon Web Service (EC2, S3)資料中心(Datacenters)Donate/lend your hardware resourc

5、es使用者端(Smart devices)Browse the WebU02- 6多重虛擬機器之雲端服務架構InfrastructureServerPlatformClientHardwareSoftwareServiceInfrastructurePlatformApplication/SoftwareApplication/SoftwareApplication/SoftwareApplication/SoftwareClientVirtual Machine8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構Top Level:雲控制器

6、Cloud Controller (CLC), 儲存控制器Walrus Storage Controller (WS3)Middle Level: 叢集控制器Cluster Controller (CC),儲存區塊 Elastic Block Storage (EBS)End Level:節點控制器Node Controller雲端伺服系統的組成8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 7雲端伺服系統的組成Cloud Controller (CLC)Cluster Controller (CC)Cluster Contro

7、ller (CC)Cluster Controller (CC)Cloud OSCloud OSCloud OSNode Controller Interface Node Controller InterfaceNode Controller InterfaceNode ControllerNode ControllerNode Controller8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 8雲端的特徵依照使用者需求，當使用者需求時才存取僅當使用者有需要使用到雲端的服務或運算資源時，才需要連接雲端儲存空間的持續擴大分散式

8、儲存處理龐大的資料，便須要考量分散式系統的應用，供平行處理Hadoop/MapReduce8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構U02- 9商業運作模式虛擬機器與硬體的租用虛擬作業平台租用線上軟體服務租用網頁暨網站服務8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構10相關GOOGLE應用8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構11Google 雲端硬碟DropboxSugarSyncSkyDriveBox.N

9、ET免費空間5GB2GB5GB7GB5GB桌面端軟體手機AppiPad(Soon)iPhone(Soon)AndroidiPadiPhoneAndroidBlackberryiPadiPhoneAndroidWindows MobileSymbianBlackberryKindle FireiPadiPhone-Windows MobileiPadiPhoneAndroidBlackberry8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構128/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統

10、基本架構13何謂作業系統?A set of programs that manage computer hardware resources and provide common services for application software. (wikipedia) Managing system resources:Process managementMemory managementInput/Output (Device) managementData management建構雲端的基礎作業系統8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端

11、作業系統基本架構14Basic Components of Operating System:KernelDevice driversFile systemApplication supporting librariesCommand processor (Shell)基本的作業系統組成8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構15Linux的作業系統架構8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構16Operating system types related to th

12、isCloud Computing:Distributed Operating SystemNetwork Operating SystemCluster Operating SystemComputer Operating System8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構17Cloud Computing The shared pool of configurable computing resources Examples:NetworksServersStorageApplicationsServices8/6/2022

13、Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構18The operating system responsible formanaging the low level cloud resourceshiding the cloud infrastructure details from application programmerscoordinating the sharing of the resourcesWhat is Cloud Operating System?8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02

14、: 雲端作業系統基本架構19相似處Resource managementProvidesComputing servicesStorage servicesCommunication services與一般作業系統比較8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構20相異處Large scaleManages cloud infrastructureSupports a very large number of usersProvides computing power in the forms of virtual machineMa

15、preduce for cloud computing environmentEventual consistency與一般作業系統比較8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構21permit autonomous resource managementcontinue operating despite loss of nodesbe operating system and architecture agnosticsupport multiple types of applicationsprovide decentrali

16、zed and scalable managementsupport accounting on resource usage作為雲端作業系統的條件8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構22A virtual machine is a software implementation of a machine (computer) that executes instructions like a physical machine虛擬化技術8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業

17、系統基本架構23CPU虛擬化記憶體虛擬化I/O 虛擬化儲存虛擬化網路虛擬化伺服器虛擬化虛擬機器virtual machine 8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構24虛擬化23就是在一個實體主機可以同時運行多個作業系統，每個作業系統可以自主執行其應用程式。虛擬化技術24可分為伺服器虛擬化、桌面虛擬化、網路虛擬化以及儲存虛擬化，這邊談的是前兩者。雲端計算的基礎之一就是虛擬化，即是多部虛擬機VMs透過虛擬層Hypervisor做CPU、memory、IO devices 的emulation。伺服器虛擬化又區分為全虛擬化旁虛擬化硬

18、體支撐的虛擬化虛擬化技術8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構25全虛擬化(Full Virtualization) VMware ESX Server25為代表。一個“可執行代碼翻譯”(binary translation)方法將這些指令的可執行代碼轉變為一系列新的指令順序可以得到硬體虛擬化支援 ；全虛擬化的hypervisor(即ESX)將硬體平臺上的所有的輸入輸出設備也都虛擬化了，它含有所有這些設備驅動器。例如VMware ESX/ESXi Server、KVM。CPU虛擬化技術的類型8/6/2022Cloud Opera

19、ting System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構26旁虛擬化(Para Virtualization) Citrix XenServer26和Microsoft Hyper-V27為代表。guest OS自身不帶有設備驅動器而“向旁尋找”host OS幫助，因此又稱為OS-Level-assisted Virtualization。需要modified guest OS 以便對一些虛擬化的OS指令，在guest OS中植入這些hypercalls使程式流程主動進入hypervisor以獲得“無害化”處理。例如Xen 28、MS Hyper-V R2。CPU虛擬化技術的類型8/

20、6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構27硬體支撐的虛擬化(Hardware-Assisted Virtualization) Intel VT-x 23和 AMD-V29為代表。對處理器硬體作了修改，使前面提到的guest OS“低特權態部位發出的敏感指令”能夠自動被hypervisor截獲，無需要modified guest OS或binary translation並對IO設備執行DMA的動作做了統一管理。例如 Intel VT-x、VT-d、VT-c和AMD-V。CPU虛擬化技術的類型8/6/2022Cloud Operat

21、ing System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構28全虛擬化：由VMM對裝置進行模擬半虛擬化：前/後端模擬。VMM 中提供簡單的驅動程式，Guest OS 中是實體驅動程式軟體模擬：以軟體模擬虛擬的 I/O 裝置直接劃分：必須要有硬體支援，將實體 I/O 劃分給各 Guest OS。I/O 虛擬化8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構29為實現記憶體虛擬化，記憶體系統有三種位址機器位址 (Machine Address, MA)虛擬機器實體位址 (Guest Physical Address, GPA)虛擬位址 (Virtual Address)記憶體管理單元 Memory Management Unit (MMU) 只能轉換一次虛擬位址偽實體位址為解決轉換真正實體位址之效率問題，使用MMU ParavirtualizationShadow Page Table記憶體虛擬化8/6/2022Cloud Operating System - Unit 02: 雲端作業系統基本架構30檔案/記錄層：上層應用與儲存資源間的介面，採用檔案系統或資料庫方式，隱藏底層硬體資訊區塊聚合層：將上層的資料轉成區塊，並對映至下層