云計算“新一代信息技術(shù)系列叢書信息技術(shù)（電子信息類）第一章01云計算概述云計算概述一、云計算的產(chǎn)生與發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)自1960年開始興起，主要用于軍方、大型企業(yè)等之間的純文字電子郵件或新聞集群組服務(wù)，直到1990年才開始進入普通家庭。隨著Web網(wǎng)站與電子商務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前人們的生活必需品之一。云計算也正成為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點，全球的信息技術(shù)企業(yè)都在紛紛向云計算轉(zhuǎn)型。云計算是2007年3月誕生的新名詞，由于它具有提供彈性和動態(tài)的IT基礎(chǔ)設(shè)施、保證服務(wù)質(zhì)量的計算環(huán)境和可配置的軟件服務(wù)的能力,因此在2007年底就作為一個熱門話題而興起。云計算是一種商業(yè)計算模型，它將計算任務(wù)分布在大量計算機構(gòu)成的資源池上，使用戶按需獲取計算力、存儲空間和信息服務(wù)。云計算是為企業(yè)提供的具有普適性和靈活性、在Internet上向一個可配置的計算資源共享池按需訪問的模型。云計算概述01020304微軟發(fā)布其公共云計算平臺(WindowsAzurePlatform)，由此拉開了微軟的云計算大幕。同樣，云計算在國內(nèi)也掀起了一場風(fēng)波，許多大型網(wǎng)絡(luò)公司紛紛加入云計算的陣列。2008年2019年8月17日，北京互聯(lián)網(wǎng)法院發(fā)布《互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)司法應(yīng)用白皮書》;發(fā)布會上,“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)司法應(yīng)用中心”揭牌成立。2019年8月17日我國云計算市場規(guī)模達到1781億元，增速為33.6%。其中，公有云的市場規(guī)達到990.6億元，同比增長43.7%，私有云的市場規(guī)模達791.2億元，同比增長22.6%。2020年1月，阿里軟件在江蘇南京建立首個“電子商務(wù)云計算中心”。同年11月，中國移動云計算平臺“大云”計劃啟動。目前，云計算已經(jīng)發(fā)展到了一個較為成熟的階段。2009年一、云計算的產(chǎn)生與發(fā)展云計算的理解分為狹義和廣義兩類是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式;狹義云計算云計算概述二、云計算的內(nèi)涵與特性云計算是近5年興起的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式。該應(yīng)用的獨特性在于，它是完全建立在可自我維護和管理的虛擬資源層上的。是指服務(wù)的交付和使用模式。廣義云計算這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是任意其他服務(wù)，它具有超大規(guī)模、虛擬化、可靠安全等獨特功效。010203040506計算資源的集成提高設(shè)備的計算能力。平臺模塊化設(shè)計體現(xiàn)高可擴展性。分布式數(shù)據(jù)中心保證系統(tǒng)的容災(zāi)能力。虛擬資源池為用戶提供彈性服務(wù)。軟、硬件相互隔離減少設(shè)備的依賴性。按需付費降低使用成本。云計算概述二、云計算的內(nèi)涵與特性云計算具有以下幾個特點:云計算的發(fā)展目標(biāo)有以下幾點:云計算概述三、云計算的發(fā)展目標(biāo)和意義123國家明確要求以大數(shù)據(jù)、云計算為核心完成未來信息化系統(tǒng)的建設(shè)，統(tǒng)籌各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)取之于民、用之于民的整體藍(lán)圖;以整合為核心目標(biāo)，統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，集中管理數(shù)據(jù)資源，依托云計算實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)支撐體系;建立統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)平臺，有效提升基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，杜絕重復(fù)建設(shè)、投資浪費現(xiàn)象;4促進信息共享，實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同，杜絕煙肉式的建設(shè)方式;5優(yōu)化資源配置，提升服務(wù)能力，使人力和信息資源得到最充分的利用和配置，提升為民服務(wù)的能力和水平。云計算概述三、云計算的發(fā)展目標(biāo)和意義中華人民共和國工業(yè)和信息化部(以下簡稱工信部)總結(jié)了云計算的以下幾個重大意義。(1)從宏觀層面來看，云計算作為一種新一代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的重要驅(qū)動力，正在滲透到經(jīng)濟和社會的各個領(lǐng)域，對我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。(2)從促進信息消費層面來看，云計算創(chuàng)造了消費增量市場。隨著商業(yè)化的不斷成熟，云計算不但推動了傳統(tǒng)各行各業(yè)信息化浪潮，也帶來了信息消費巨大的新增市場空間。(3)改變個人用戶信息消費的模式，用戶可以隨時隨地獲得按需定制和靈活收費的云服務(wù)。消費模式的變革將帶來市場空間持續(xù)擴大，也將改變消費者的購買習(xí)慣。(4)促進經(jīng)濟發(fā)展和轉(zhuǎn)型，助力節(jié)能減排綠色發(fā)展，推動新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。(5)促進軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。從資源配置的角度來看，云變得越復(fù)雜，終端的功能就變得更龐大。云計算的應(yīng)用，幾乎與所有的計算和存儲資源都可以連接在一起。(6)從服務(wù)的內(nèi)容角度來看，互聯(lián)網(wǎng)將提供更多層次的服務(wù)，這和傳統(tǒng)的軟件廠商相比從產(chǎn)品的開發(fā)、服務(wù)的提供到商業(yè)模式和商業(yè)形態(tài)都發(fā)生了根本的變化。(7)從資源耗費的角度來看，云計算所耗費的成本將明顯降低。02云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)一、云計算系統(tǒng)架構(gòu)的參考模型從不同的角度來看，云計算系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性有一定的差異性。在最易于理解的二維視角下，云計算系統(tǒng)架構(gòu)由兩個部分組成:前端和后端?；A(chǔ)設(shè)施包括硬件和管理軟件兩個部分。其中硬件包括服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)交換機等;管理軟件負(fù)責(zé)高可用性、可恢復(fù)性、數(shù)據(jù)一致性、應(yīng)用伸縮性、程序可預(yù)測性和云安全等。應(yīng)用程序是呈現(xiàn)給客戶和計算機用戶的部分，包括客戶的計算機網(wǎng)絡(luò)和用戶用來訪問云應(yīng)用程序的界面。在這種二維視角下，云計算架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用程序兩個維度組成。云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)一、云計算系統(tǒng)架構(gòu)的參考模型1云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)從二維視角下可以將云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)看作一個整體，它與云應(yīng)用程序一起組成云計算系統(tǒng)架構(gòu)的二維視圖，然而云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)本身并非一個不可分割的整體，而是一個可以被再次分層的結(jié)構(gòu)。通常來說，云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)由四層組成:虛擬化層Web服務(wù)層服務(wù)總線層客戶機界面云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)一、云計算系統(tǒng)架構(gòu)的參考模型2REST架構(gòu):云計算的軟件架構(gòu)盡管云基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在邏輯上分為四層，四層之間的軟件架構(gòu)技術(shù)紐帶可以采用表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(RepresentationalStateTransfer，REST)架構(gòu)。在很多應(yīng)用場景下，云計算系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該采用無狀態(tài)、基于服務(wù)的架構(gòu)。REST架構(gòu)是無狀態(tài)的架構(gòu)中的一種。云計算采用REST架構(gòu)的原因是其簡單、開放，并已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)。REST架構(gòu)體現(xiàn)的正是Web架構(gòu)的特征:源服務(wù)、網(wǎng)關(guān)、代理和客戶。云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)一、云計算系統(tǒng)架構(gòu)的參考模型2REST架構(gòu):云計算的軟件架構(gòu)REST架構(gòu)的主要特點組件交互的伸縮性:參與交互的組件數(shù)量可以無限擴展。界面的普遍性:IT界人士都熟悉REST架構(gòu)的界面風(fēng)格。組件發(fā)布的獨立性:組件可以獨立發(fā)布，無須與任何組件進行事先溝通。無狀態(tài)連接:客戶機上、下文不保存在服務(wù)器中，每次請求都需要提供完整的狀態(tài)?？蛻魴C/服務(wù)器模型:使用統(tǒng)一的界面來分離客戶機和服務(wù)器。（1）（2）（3）（4）（5）這是根據(jù)云計算服務(wù)的消費者來源劃分的，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下:二、云計算系統(tǒng)的部署模型123如果一個云端的所有消費者只來自一個特定的單位組織(如微算科技公司)，那么就是私有云;如果一個云端的所有消費者來自兩個或兩個以上特定的單位組織，那么就是社區(qū)云;如果一個云端的所有消費者來自社會公眾，那么就是公共云;4如果一個云端的資源來自兩個或兩個以上的云，那么就是混合云。云計算系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)云計算有4種部署模型公共云私有云社區(qū)云混合云03云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)云計算系統(tǒng)運用了許多技術(shù)，包括：分布式技術(shù)虛擬化技術(shù)云平臺技術(shù)云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)一、分布式技術(shù)云計算系統(tǒng)可以是一個龐大的信息處理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，大量服務(wù)器、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等分布在不同網(wǎng)絡(luò)位置和物理位置。該系統(tǒng)就是利用分布式技術(shù)，將一個大任務(wù)劃分成多個子任務(wù)并分配給系統(tǒng)中不同的處理節(jié)點，然后把各個節(jié)點的處理結(jié)果進行有機整合，最終產(chǎn)生所需要的結(jié)果。分布式技術(shù)既提高了工作效能，又充分盤活了系統(tǒng)中各種空閑的軟、硬件資源。分布式系統(tǒng)是云計算中最基礎(chǔ)的架構(gòu)，其中包括分布式應(yīng)用和服務(wù)。分布式系統(tǒng)有3個特點一致性可用性容錯性云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)一、分布式技術(shù)分布式系統(tǒng)中常用的技術(shù)有以下4種分布式計算是一種計算方法，和集中式計算是相對的。分布式計算將該應(yīng)用分解成許多小的部分，分配給多臺計算機進行處理。這樣可以節(jié)約整體計算時間，大大提高計算效率。1.分布式計算網(wǎng)格計算是分布式計算的一種類型。網(wǎng)格計算在松耦合資源環(huán)境中得到應(yīng)用，用來實現(xiàn)復(fù)雜的工作負(fù)載管理和信息虛擬化功能。網(wǎng)格計算也是一種與集群計算非常相關(guān)的技術(shù)。2.網(wǎng)格計算并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，是提信息技術(shù)(電子信息類)高計算機系統(tǒng)計算速度和處理能力的一種有效手段。3.并行計算分布式文件系統(tǒng)就是分布式+文件系統(tǒng)，從文件系統(tǒng)的客戶使用者來看，它就是一個標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，提供了一系列應(yīng)用程序編程接口，實現(xiàn)文件或目錄的創(chuàng)建、移動、刪除和對文件的讀寫等操作。4.分布式存儲云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)二、虛擬化技術(shù)虛擬化是云計算系統(tǒng)中的一種基礎(chǔ)技術(shù)，可以說當(dāng)前一個云計算服務(wù)必定是構(gòu)建在虛擬化的基礎(chǔ)上的。虛擬化使在一臺物理服務(wù)器上可以運行多臺虛擬機，虛擬機共享物理機的CPU、內(nèi)存、I/O硬件資源，但邏輯上虛擬機之間是相互隔離的。對于虛擬化技術(shù)最早的研究出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代1959年，克里斯托弗斯·特雷奇(ChristopherStrachey)在國際信息處理大會上發(fā)表了一篇名為《大型高速計算機中的事件共享》“TimeSharinginLargeFastComputers”的學(xué)術(shù)論文。起初，虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)源于對分時系統(tǒng)的需求，它解決了早期操作系統(tǒng)只能處理單任務(wù)而不能處理分時多任務(wù)的問題。這里解釋兩個基本概念。虛擬化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾十年云計算系統(tǒng)的使能技術(shù)三、云平臺技術(shù)云計算平臺也稱為云平臺，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力。以數(shù)據(jù)存儲為主的存儲型云平臺以數(shù)據(jù)處理為主的計算型云平臺云計算平臺可以劃分為3類以及數(shù)據(jù)/存儲處理兼顧的綜合云計算平臺云平臺一般具備以下特征1硬件管理對使用者/購買者高度抽象2使用者/購買者對基礎(chǔ)設(shè)施的投入被轉(zhuǎn)換為運營成本04云計算系統(tǒng)的服務(wù)與管理云計算系統(tǒng)的服務(wù)與管理云計算系統(tǒng)架構(gòu)分為服務(wù)和管理兩大部分。在服務(wù)方面，主要以提供用戶基于云的各種服務(wù)為主,共包含3個層次:基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)。平臺即服務(wù)PaaS位于云計算三層服務(wù)的中間，通常也稱為云操作系統(tǒng)。它提供給終端用戶基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，包括應(yīng)用編程接口和運行平臺等，支持應(yīng)用從創(chuàng)建到運行整個生命周期所需的各種軟硬件資源和工具?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(InfrastructureasaService,IaaS)軟件即服務(wù)IaaS位于云計算三層服務(wù)的最底端，它通常按照所消耗資源的成本進行收費。該層提供的是最基本的計算和存儲能力，以計算能力的提供為例，其提供的基本單元就是服務(wù)器，包含CPU、內(nèi)存、存儲、操作系統(tǒng)及一些軟件。(PlatformasaService,PaaS)(SoftwareasaService,SaaS)SaaS是最常見的云計算服務(wù)，位于云計算三層服務(wù)的頂端。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器來使用Internet上的軟件。服務(wù)提供商負(fù)責(zé)維護和管理軟、硬件設(shè)施，并以免費或按需租用方式向最終用戶提供服務(wù)在管理方面，主要以云的管理層為主，它的功能是確保整個云計算中心能夠安全、穩(wěn)定地運行，并且能夠被有效管理。05云計算安全云計算安全一、云計算系統(tǒng)安全技術(shù)云計算的節(jié)點種類多樣、位置分布稀疏且無法有效控制。同時，云服務(wù)提供商(cloudservicesprovider，CSP)在傳輸、處理和存儲數(shù)據(jù)過程中均存在泄露隱私的風(fēng)險。隨著云計算與軟件即服務(wù)模式的成熟發(fā)展，云計算安全需求的重點有以下幾個方面。010203040506可信訪問控制數(shù)據(jù)隱私保護密文檢索與處理虛擬安全技術(shù)數(shù)據(jù)存在與可使用性證明云資源訪問控制07可信云計算云計算安全二、云安全相關(guān)法律法規(guī)主要存在的問題如下云計算存在數(shù)據(jù)安全的問題，有可能會侵犯用戶的隱私權(quán)、著作權(quán)、商業(yè)機密等。有些問題需要在技術(shù)方面進行完善，另外一部分問題需要依靠法律法規(guī)進行約束。123第三方托管數(shù)據(jù)主要包括信息安全、數(shù)據(jù)權(quán)力、知識產(chǎn)權(quán)、政府監(jiān)管、分包協(xié)議。第三方托管數(shù)據(jù)云計算是一種分布式系統(tǒng)，服務(wù)提供商會建立多個數(shù)據(jù)中心，遍布世界各地，所以用戶無法確定特定數(shù)據(jù)的具體物理位置。不確定數(shù)據(jù)中心的位置云計算技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，這是限制其發(fā)展的瓶頸。全球各大云計算中心都制定了自己的技術(shù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，推出了不同的云計算產(chǎn)品。這加大了全球云服務(wù)商兼容技術(shù)的難度，也提高了相應(yīng)的安全風(fēng)險。缺失統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范云計算安全二、云安全相關(guān)法律法規(guī)方法一，云安全聯(lián)盟與《云安全指南》方法二，NIST與《公有云計算安全及隱私管理指南》針對上面存在的問題，主要有以下兩種解決方法：云安全聯(lián)盟(CloudSecurityAlliance)成立于2009年4月22日的RSA年會上，是一個“成員驅(qū)動”的非營利性組織。云安全聯(lián)盟于2017年7月發(fā)布《云計算關(guān)鍵領(lǐng)域的安全指南第4版》(以下簡稱《云安全指南》)?！对瓢踩改稀肥窃瓢踩?lián)盟的第一個研究成果，在云計算領(lǐng)域有很大的影響力。該指南結(jié)合業(yè)界案例，針對法律、電子證據(jù)、虛擬化、數(shù)據(jù)移植與互操作等方面為云計算安全實踐提供了詳細(xì)的建議。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST)作為美國商務(wù)部下屬的一家非監(jiān)管性聯(lián)邦機構(gòu)?！豆性朴嬎惆踩半[私管理指南》是NIST在2011年12月下旬發(fā)布的，長達80頁，也是NIST在云安全領(lǐng)域發(fā)布的第一份指導(dǎo)性文件。該文件概述了公有云計算在安全與隱私方面所面臨的挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上就企業(yè)外包數(shù)據(jù)、應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施，給公共云提出了一些針對性的建議。06云計算的創(chuàng)新實踐123工業(yè)云與智能制造農(nóng)業(yè)云與智慧農(nóng)業(yè)政務(wù)云與電子政務(wù)4金融云與智慧銀行云計算的創(chuàng)新實踐5商貿(mào)云與新零售678城市大腦與新型智慧城市云醫(yī)院與云制藥教育云與智慧教育9物流云與應(yīng)急服務(wù)10微信小程序的云開發(fā)實踐07云計算未來展望云計算未來展望一、云計算與新技術(shù)的融合如今，一些新技術(shù)(基于云計算或與云計算高度可互操作)為人們的工作與生活帶來了極大的便利，但它們也增加了云計算的復(fù)雜性。下面對這些新技術(shù)進行簡要介紹。01020304容器將多個軟件包裝在一個軟件容器中。容器本身承載軟件，并且僅包含所需的基本要素(庫和配置)，其文件在計算環(huán)境之間移動。容器它將笨重的整體應(yīng)用程序分解為許多更小的、聯(lián)合的服務(wù)或“模塊”。微服務(wù)可以持續(xù)交付最新更新的軟件。微服務(wù)無服務(wù)器也被稱為功能性服務(wù)，允許應(yīng)用程序在云平臺上更快、更高效地運行。無服務(wù)器DevOps的重點是持續(xù)集成持續(xù)交付。它既是一種技術(shù)轉(zhuǎn)變，也是一種文化轉(zhuǎn)變。DevOps云計算未來展望一、云計算與新技術(shù)的融合如今，一些新技術(shù)(基于云計算或與云計算高度可互操作)為人們的工作與生活帶來了極大的便利，但它們也增加了云計算的復(fù)雜性。下面對這些新技術(shù)進行簡要介紹。050607物聯(lián)網(wǎng)這個龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)和云計算通常都是獨立運行的，但這兩種技術(shù)有著不可分割的聯(lián)系。物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模日益巨大的數(shù)據(jù)及數(shù)量逐漸眾多的用戶，迫使越來越多的服務(wù)必須由處理節(jié)點分布在不同機器上的數(shù)據(jù)中心提供。為數(shù)據(jù)中心開發(fā)出高效可靠的操作系統(tǒng)必定是未來的發(fā)展趨勢。大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)在塑造未來將發(fā)揮巨大作用。憑借其可以獨立于工作人員協(xié)助而學(xué)習(xí)的軟件的承諾，人工智能成為一款強大的工具，其巨大的潛力使所有其他工具相形見絀。人工智能云計算未來展望二、云計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)及其地位根據(jù)NIST的定義，云計算是由一個可配置的共享資源池組成的，該資源池提供網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用程序和服務(wù)等多種軟、硬件資源，具備自我管理能力，用戶只需要少量參與就可按需獲取資源。1云計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀按照部署方式，云計算技術(shù)分為混合云、公有云和私有云。