計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)

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1、姓名：劉洋 學(xué)號(hào)：1 計(jì)算機(jī)前沿技術(shù) —— 云計(jì)算 摘要： 論文對(duì)新興的計(jì)算模型——云計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。論文給出了云計(jì)算的定義，介紹了云計(jì)算的發(fā)展背景和應(yīng)用場(chǎng)景，分析了云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算以及傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算的區(qū)別, 總結(jié)了云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)：存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)以及編程模型。 關(guān)鍵詞：云計(jì)算; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ); 數(shù)據(jù)管理; 編程模型 一、云計(jì)算的定義及特點(diǎn) 云計(jì)算(Cloud Computing)是一種新近提出的計(jì)算模式。維基百科給云計(jì)算下的定義：云計(jì)算將IT相關(guān)的能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提

2、供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識(shí)以及設(shè)備操作能力的情況下，通過Internet獲取需要服務(wù)[1]。中國云計(jì)算網(wǎng)將云定義為：云計(jì)算是分布式計(jì)算（Distributed Computing）、并行計(jì)算（ParallelComputing）和網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）的發(fā)展，或者說是這些科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)[2]。　Forrester Research 的分析師 James Staten 定義云為:“云計(jì)算是一個(gè)具備高度擴(kuò)展性和管理性并能夠勝任終端用戶應(yīng)用軟件計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的系統(tǒng)池”。雖然目前云計(jì)算沒有統(tǒng)一的定義，結(jié)合上述定義，可以總結(jié)出云計(jì)算的一些本質(zhì)特征，即分布式計(jì)算和存儲(chǔ)特性，高擴(kuò)展性，用

3、戶友好性，良好的管理性。云計(jì)算技術(shù)具有以下特點(diǎn)： (1) 云計(jì)算系統(tǒng)提供的是服務(wù)。服務(wù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制對(duì)用戶透明，用戶無需了解云計(jì)算的具體機(jī)制，就可以獲得需要的服務(wù)。 (2) 用冗余方式提供可靠性。云計(jì)算系統(tǒng)由大量商用計(jì)算機(jī)組成機(jī)群向用戶提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加，系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率大大增加。在沒有專用的硬件可靠性部件的支持下，采用軟件的方式，即數(shù)據(jù)冗余和分布式存儲(chǔ)來保證數(shù)據(jù)的可靠性。 (3) 高可用性。通過集成海量存儲(chǔ)和高性能的計(jì)算能力，云能提供一定滿意度的服務(wù)質(zhì)量。云計(jì)算系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)失效節(jié)點(diǎn)，并將失效節(jié)點(diǎn)排除，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 (4) 高層次的編程模型。云計(jì)算系統(tǒng)提

4、供高級(jí)別的編程模型。用戶通過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)，就可以編寫自己的云計(jì)算程序，在“云”系統(tǒng)上執(zhí)行，滿足自己的需求。現(xiàn)在云計(jì)算系統(tǒng)主要采用Map-Reduce模型。 (5) 經(jīng)濟(jì)性。組建一個(gè)采用大量的商業(yè)機(jī)組成的機(jī)群相對(duì)于同樣性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)的資金要少很多。 二、云計(jì)算的發(fā)展和應(yīng)用背景 目前，亞馬遜，微軟，谷歌，IBM，Intel等公司紛紛提出了“云計(jì)劃”。例如亞馬遜的AWS (AmazonWeb Services) [3]、IBM和谷歌聯(lián)合進(jìn)行的“藍(lán)云”計(jì)劃等。這對(duì)云計(jì)算的商業(yè)價(jià)值給予了巨大的肯定。同時(shí)學(xué)術(shù)界也紛紛對(duì)云計(jì)算進(jìn)行深層次的研究。例如谷歌同華盛頓大學(xué)以及清華大學(xué)合作，啟動(dòng)云計(jì)算學(xué)術(shù)合作

5、計(jì)劃(Academic Cloud Computing Initiative)，推動(dòng)云計(jì)算的普及，加緊對(duì)云計(jì)算的研究。美國卡耐基梅隴大學(xué)等提出對(duì)數(shù)據(jù)密集型的超級(jí)計(jì)算（DISC：Data Intensive SuperComputing）進(jìn)行研究，本質(zhì)上也是對(duì)云計(jì)算相關(guān)技術(shù)開展研究。IDC的調(diào)查顯示，未來五年云計(jì)算服務(wù)將急速增長(zhǎng)，預(yù)期2012年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)420億美元。目前企業(yè)導(dǎo)入云計(jì)算已逐漸普及，并且有逐年成長(zhǎng)趨勢(shì)。估計(jì)在2012年，企業(yè)投入在云計(jì)算服務(wù)的支出將占整體IT成本的25%，甚至在2013年提高至IT總支出的三分之一。由此可見，在各大公司以及學(xué)術(shù)界的共同推動(dòng)下，云計(jì)算技術(shù)將會(huì)持續(xù)發(fā)展

6、。云計(jì)算有著廣泛的應(yīng)用前景。如表所示： 表 云計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域 領(lǐng)域 應(yīng)用場(chǎng)景 科研 地震監(jiān)測(cè) 海洋信息監(jiān)測(cè) 醫(yī)學(xué) DNA信息分析 海量病例儲(chǔ)存分析 醫(yī)療影像處理 網(wǎng)絡(luò)安全 病毒庫儲(chǔ)存 垃圾郵件屏蔽 圖形和圖像處理 動(dòng)畫素材分析 海量圖片檢索 互聯(lián)網(wǎng) 在線實(shí)時(shí)翻譯 網(wǎng)絡(luò)檢索服務(wù) 三、云計(jì)算與其他傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算的區(qū)別 超級(jí)計(jì)算機(jī)擁有強(qiáng)大的處理能力，特別是計(jì)算能力。2008年11月17日，最新一期的Top500榜單發(fā)布。冠軍“RoadRunner”是IBM為美國 Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室建造的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的運(yùn)算速度達(dá)到了1.026 Petaflop

7、/s。RoadRuner超級(jí)計(jì)算機(jī)包含12960個(gè)IBM PowerXcell 8i處理器以及6948個(gè)分布于刀片服務(wù)器上的AMD Opteron芯片刀片服務(wù)器安裝在288個(gè)IBMBladCener機(jī)架上。RoadRuner擁有80TB的內(nèi)存，外存使用1.5PB容量的Panasas存儲(chǔ)，外存通過10Gb/秒以太網(wǎng)進(jìn)行連接。耗資超過1億美元。TOP500對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的排名方式可以看出，傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)注重運(yùn)算速度和任務(wù)的吞吐率。以運(yùn)算速度為核心進(jìn)行計(jì)算機(jī)的研究和開發(fā)。而云計(jì)算則以數(shù)據(jù)為中心，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的運(yùn)算速度。傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)耗資巨大，遠(yuǎn)超云計(jì)算系統(tǒng)。例如，趨勢(shì)科技花費(fèi)1000多萬美元租用3

8、4000多臺(tái)服務(wù)器，構(gòu)建自身的“安全云”系統(tǒng)。 四、云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù) 云計(jì)算是一種新型的超級(jí)計(jì)算方式，以數(shù)據(jù)為中心，是一種數(shù)據(jù)密集型的超級(jí)計(jì)算。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、編程模式等方面具有自身獨(dú)特的技術(shù)。 4.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù) 為保證高可用、高可靠和經(jīng)濟(jì)性，云計(jì)算采用分布式存儲(chǔ)的方式來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用冗余存儲(chǔ)的方式來保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)多個(gè)副本。另外，云計(jì)算系統(tǒng)需要同時(shí)滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。因此，云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點(diǎn)。云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有谷歌的非開源的GFS（Google File System）和 H

9、adoop 開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的GFS的開源實(shí)現(xiàn)HDFS（Hadoop Distributed FileSystem）。大部分IT廠商，包括yahoo、Intel的“云”計(jì)劃采用的都是HDFS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。未來的發(fā)展將集中在超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密和安全性保證、以及繼續(xù)提高I/O速率等方面。 4.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù) 云計(jì)算系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理、分析向用戶提供高效的服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須能夠高效的管理大數(shù)據(jù)集。其次，如何在規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定的數(shù)據(jù)，也是云計(jì)算數(shù)據(jù)管理技術(shù)所必須解決的問題。云計(jì)算的特點(diǎn)是對(duì)海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取后進(jìn)行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)的更新頻率，云

10、中的數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。因此，云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理往往采用數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中列存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)管理模式。將表按列劃分后存儲(chǔ)。云計(jì)算的數(shù)據(jù)管理技術(shù)最著名的是谷歌的BigTable數(shù)據(jù)管理技術(shù)，同時(shí)Hadoop開發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)類似BigTable的開源數(shù)據(jù)管理模塊。由于采用列存儲(chǔ)的方式管理數(shù)據(jù)，如何提高數(shù)據(jù)的更新速率以及進(jìn)一步提高隨機(jī)讀速率是未來的數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須解決的問題。 4.3 編程模式 為了使用戶能更輕松的享受云計(jì)算帶來的服務(wù)，讓用戶能利用該編程模型編寫簡(jiǎn)單的程序來實(shí)現(xiàn)特定的目的，云計(jì)算上的編程模型必須十分簡(jiǎn)單。必須保證后臺(tái)復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度向用戶和編程人員透明。云計(jì)算采用類似MAP

11、-Reduce的編程模式?，F(xiàn)在所有IT廠商提出的“云”計(jì)劃中采用的編程模型，都是基于MAP-Reduce的思想開發(fā)的編程工具。MAP-Reduce不僅僅是一種編程模型，同時(shí)也是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型。Map-Reduce這種編程模型并不僅適用于云計(jì)算，在多核和多處理器、cellprocessor、以及異構(gòu)機(jī)群上同樣有良好的性能[16，17，18]。該編程模式僅適用于編寫任務(wù)內(nèi)部松耦合、能夠高度并行化的程序。如何改進(jìn)該編程模式，使程序員得能夠輕松的編寫緊耦合的程序，運(yùn)行時(shí)能高效的調(diào)度和執(zhí)行任務(wù)，是Map-Reduce編程模型未來的發(fā)展方向。 五、結(jié)語 綜上所述，云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式

12、。它的最主要特征是系統(tǒng)擁有大規(guī)模數(shù)據(jù)集、基于該數(shù)據(jù)集，向用戶提供服務(wù)。它使用大量的普通商用機(jī)來構(gòu)建系統(tǒng)，通過冗余存儲(chǔ)的方式確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。與傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)在底層編程不同，數(shù)據(jù)密集計(jì)算的云系統(tǒng)上使用基于Map-Reduce的高級(jí)編程模式。這使得編程人員可以不用考慮底層的并行化方式，專心與程序的邏輯實(shí)現(xiàn)。普通用戶經(jīng)過簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，可以編寫出滿足自身需要的簡(jiǎn)單程序。越來越多的IT廠商提出了自己的“云”計(jì)劃，并投入大量資金推動(dòng)云計(jì)算的發(fā)展。這恰恰為云計(jì)算提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。雖然現(xiàn)在的云計(jì)算并不能完美地解決所有的問題，但是在不久的將來，一定會(huì)有越來越多的云計(jì)算系統(tǒng)投入實(shí)用，云計(jì)算系統(tǒng)也會(huì)不斷地被完善，并推動(dòng)其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。