云计算产业核心模式分类全解析

  • 来源:中国云计算
  •  2014-09-15
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    近年来,随着计算机和互联网的广泛应用,数据中心的能耗占全社会的总能耗的比例越来越大,据统计,数据中心的能耗成本占到了总成本的50%左右,包括电 力、机房占地、带宽等各方面。数据中心能耗巨大,主要集中在服务器设备和制冷设备方面,其中制冷系统能耗占整个机房运行能耗的30%~50%。而运用云计 算技术通过虚拟化、实时迁移电源管理技术,可以极大降低主设备的数量和运行时间,进而极大降低主设备的能耗,提供能效,真正实现节能减排。

    云计算的定义
    云计算的出现并非偶然,早在20世纪60年代,麦卡锡就提出了把计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户的理念,这成为云计算思想的起源。在 20世纪80年代网格计算、90年代公用计算、21世纪初虚拟化技术、SOA、SaaS应用的支撑下,云计算作为一种新兴的资源使用和交付模式逐渐为学界 和产业界所认知。
  对于云计算的理解和认识,当前还处在起始阶段,没有建立完善的理论体系,所以涌现出了几十种不同的云计算定义诠释。
   基于当前的理论体系和社会需要,要给出一个被业界公认的云计算定义并非易事。不过从IT企业、科研机构、行业组织和专家等对云计算的不同定义,提示我们 应该从以下几个角度来认识云计算:一是应该从模式的角度来认识云计算,如IBM认为云计算是一种新的IT资源提供模式,NIST认为是通过网络获取资源的 模式;二是应该从服务的角度认识云计算,业界90%的定义中都将云计算归结为服务;三是应该从资源形式来认识云计算,几乎所有的IT企业都在云计算定义中 多次提到计算资源;四是应该看出网络在云计算中发挥的基础和必要作用,Google在定义狭义云计算时甚至将云定义为提供资源的网络。
  在总结分析了多数定义共性的和差异的基础上,仍可以明确的判定,云计算应该是基于现代信息网络,利用虚拟化、分布式计算等核心技术,对大规模的计算、存储、网络等池化资源统一管理和智能调度,提供便利、动态、弹性的服务,实现用户按需使用的计算模式和服务模式。
  云计算的内涵及特点
  尽管云计算的定义有很多种,但是仔细分析,不难发现各组织对云计算内涵和核心要素的理解是一致的,基本包含以下三个方面。
  1.以网络为载体
   架构云计算平台和提供云服务都离不开宽带网络环境,云计算的发展依赖于网络的发展,足够的宽带和廉价的成本是云计算发展的重要前提,通信网络作为云计算 发展的基础环境,承担着载体作用。美国国家标准与计算研究所、Google、维基百科、HP、Berkely大学在对云计算的定义中,都强调了云服务通过 网络提供的本质内涵,通信和网络是实现云服务交付的渠道。云计算发展过程中,传统的电信运营商、网络企业在提供通信网络管道资源等基础服务的同时,为顺应 技术变革、产业变革、商业模式变革的趋势,正在向信息技术服务提供商、云计算服务商转型,提供云计算服务。
  2.以IT资源交付和共享为核心
   云计算的基因来源是软件服务商、信息技术服务商的业态创新和服务模式创新,美林证券、维基百科、Microsoft(微软)、Cisco(思科)、 NIST在对云计算的定义中,都提到了资源的共享特征。可以说,云计算创新了IT资源的配置、交付和管理模式,通过配置和管理池化的IT资源,以动态、可 伸缩的多租户模式共享和交付给云服务用户。在这种新的IT资源交付模式下,用户不需要知道资源的物理位置,也不用管理后台资源,就可以随时按需获取计算、 存储、软件、应用、网络等各种IT资源。
  3.以服务为导向的商业模式创新
  云计算以服务模式创新为核心价值。从服务维度来看,被统 一列入“IT专业服务”门类的传统硬件设备租赁、信息系统租赁服务再存有数十年了,属于信息技术服务业(ITS)和信息技术服务外包(ITO)范畴,但云 服务与之相比有着质的飞跃。云服务提供商利用虚拟化、分布式数据存储和管理、安全管理等日益成熟的技术,拥有快速弹性的分配资源能力,能够快速自动扩展和 迅速释放资源实现收缩,并基于宽带网络为用户提供灵活的服务,这是传统外包服务不可比拟的新型服务模式。电信企业、设备制造企业构建云平台提供云计算服务 时,已经逐步向信息技术服务商演化,而不再局限于传统意义的电信、网络服务商了。
  云计算的分类
  云计算若按照行业应用分类则颇为广泛,教育云、医疗云、政务云为其中的典型代表。除此之外,近年来又增加了诸如金融云、工业云、电子商务云等新的行业云的概念,不过目前传统IT项目泛化为云计算项目的情况比较普遍。
  1)教育云
   云计算在教育领域中的应用称之为“教育云”,作为教育信息化的基础,教育云整合软硬件教育资源,向教育机构、教育从业人员和学员提供云服务。云计算的提 出,最小化了终端设备的需求,不仅仅是教育课堂,甚至是个人计算机或者实验室都可以从“云”中获取信息。学生运行简单的终端设备和网络,就能进行学习、资 料处理和实验,降低了教学成本。各个院校可以将现有的硬件资源共同加入一个“云”中,减少单个院校的成本投入,实现资源共享。同时所有的应用程序和文件都 在服务器端,用户只需要通过终端访问服务器即可实现文档、表格和课件的编辑,编辑完成后直接存储在服务器端。一些常用的应用软件如办公软件、电子邮件系统 等也可以采用云服务,大大降低信息系统的构建成本,也减少为维护和升级软件而投入的费用。
  云计算的发展有助于构建网络学习平台,网络学习平台 上的学员可以使用网络平台提供的资源、环境进行学习、实验和交流。在可靠性和安全性方面,教育云的优势也很突出,云计算服务提供商可以提供专业、高效和安 全的数据存储,因此无须担心病毒和黑客的侵袭以及硬件的损坏所导致的数据丢失问题。
  2)医疗云
  医疗云是在医疗护理领域采用云计算 相关技术和服务理念构建医疗保健服务的系统,从而有效地提高医疗保健的质量、控制成本和实现便捷访问。多个医院之间可以共享由大量系统连接在一起形成的基 础设施资源池,减少医院的运行成本,提高效率。对于医生、护理人员和其他医疗支持者来说,通过云计算技术可以实时获得病人资料,不受病人当前位置的限制, 因为病人的电子医疗记录或检验信息、系统软件和信息都在中央服务器中,资料以由一个医院群分享,而不在某个医院单独的IT系统中。
  3)政务云
   云计算在政府门户网站建设、政务应用系统建设、数据中心建设等领域将得到广泛的应用。随着政府门户网站用户数量的快速增长,以及内容的日趋多媒体化,政 府门户网站要处理海量的数据,将比以前承受更多的负载,需要云计算平台作为支撑。云计算的引入同样可以缩减政府数据中心建设和运行的成本(包括电力成本、 空间成本、维护成本等)。同时,随着移动终端的普及,以及3G等大容量移动通信技术的应用,会有越来越多的移动设备进入政务应用系统,政务系统需要处理大 量的数据,将比以前承受更多的负载,也需要云计算平台的帮助来缩短政务应用系统的相应时间。
  我国先进地区2011年已经开始规划并开始建设基 础云计算的电子政务公共平台、安全支撑平台、物联网数据中心、移动电子政务平台等新型政务支撑服务平台,规划建设千兆级(1000Mbps级)互联网统一 出口。除业务承载的需要外,重点解决信息共享效率低、业务协同性差、应用系统国产化率低等问题,实现自主可控、信息安全的全能型政务云。
  4)金融云
  金融云就是利用云计算技术将金融机构的数据中心与客户端应用整合到云计算体系架构之中,从而达到提高自身系统运算能力、数据处理能力和网络吞吐能力,改善客户体验评价,提高金融机构迅速发现并解决问题的能力,提升整体工作效率,改善流程,降低运营成本的目的。
  中国电信上海公司和服务提供商联合打造了国内第一朵“金融云”。在“金融云”的催生下,在我国台湾地区金融圈中具有重要影响力的台湾第一银行在祖国大陆的第一家分行—上海分行将正式开业。
  5)工业云
  “工业云”是在云计算模式下对工业企业提供软件服务,使工业企业的社会资源实现共享化。工业云有望成为我国中小型工业企业进行信息化建设的另外一个理想选择,因为工业云的出现将大大降低我国制造业信息建设的门槛。
  6)电子商务云
   电子商务(Electronic Commerce)是在Internet开放的网络环境下,基础B/S架构,实现消费者的网络购物、与商户之间的网上 交易和在线电子支付的一种新型的商业运营模式。电子商务云是指基于云计算商业模式应用的电子商务服务平台。在云平台上,所有的电子商务供应商、代理商、策 划服务商、制作商、业协会、管理机构、行业媒体、法律机构等都集中整合成资源池,各个资源互相展示和互动,按需交流,达成意向,从而降低成本,提高效率。
  云计算产业相关定义
   无论是IaaS、PaaS、SaaS模式,还是私有云、公有云,或是云计算在不同行业的应用,都围绕着云服务这个共同核心而开展,所以说云计算产业客观 存在,云计算产业的发展需要一个富有开拓性的理论先导,需要与各界专家共同探讨其发展、问题和政策引导,共同寻找未来发展的道理。
  要准确理解云计算产业,必须理清产业主体、核心要素的基本定义和概念,要从上一节对云计算内涵的分析出发,抓住网络、资源和服务三大特征,从云计算平台、云企业、云技术、云服务的建设和运行去理解,构建真正的云计算产业链。
  1、云计算平台
   云计算平台是一种基于云计算架构的、通过网络部署的、以服务形式交付的IT资源池,资源池中汇聚了各种软件、硬件、系统和环境等实体和虚拟资源,为不同 用户提供可在云平台资源之上管理、部署和使用应用程序的能力。云计算平台是云计算服务的资源载体,云服务提供商均基于云计算平台提供云服务,通常业界所说 的SaaS平台、PaaS平台、IaaS平台都属于云计算平台的范畴。
  云计算以IT资源交付、共享为核心,是一种IT资源的配置、交付和管理 模式的创新,而这种资源的汇聚、交付、共享、管理都是基于云计算平台展开的。基于云计算平台,用户可以按照自己的需求,以动态、可伸缩、虚拟化的方式获得 计算、存储、软件、应用、网络等各种IT资源。以SaaS平台为例,用户无须购买软硬件、建设机房、招聘IT人员,不需要负责前期的实施和后期的维 护,SaaS平台直接为用户提供信息系统,各类应用软件的在线使用服务。
  PaaS平台提供应用程序的开发、部署和运行环境,用户在满足 PaaS平台对编程语言、应用框架以及运行环境要求的前提下,对于应用程序运行相关的支撑组件进行定制和配置,部署和管理应用程序,但不需要对环境和底层 支撑云平台资源运行的基础设施进行管理和配置。传统的平台作为应用系统部署的基础,是由应用程序提供商搭建和运营该基础平台,并将该平台以服务的方式提供 给应用系统、应用软件运营商。而IaaS平台提供商负责最底层的计算、存储设备、网络等IT资源池,直接提供给最终用户或者被PaaS平台和SaaS平台 调用。
  亚马逊、Google和微软这样的IT巨头公司都在云计算平台上展开角逐。亚马逊从2002年起推出了 AWS(Amazon Web Services)服务,任何能访问互联网的用户都可以使用它来访问、使用亚马逊的计算基础设施,知名的微博服务商 Twitter、意外天气保险公司Climate Corporation都基于亚马逊的AWS快速形成面向数以亿计的客户的计算架构和服务,使用亚马逊 网络服务的公司中不乏一流媒体视频巨头Netflix、照片分享网站Instagram等大牌科技公司,甚至连没美国国家航空航天局(NASA)也是亚马 逊网络服务的客户,月访问量达1700万人的知名社交网络Pinterest也利用亚马逊网络服务来管理公司数据,他们主要依赖亚马逊提供的数据库存取、 内容交付和支付扥业务,隐藏在这些服务背后的基础设施保障正是基于网络构建的数十个异地的大型数据中心,以及集中在数据中心内的数以万计的服务器和存储设 备,当然还有用于IT资源管理的各类软件,为不同用户提供可在云平台资源之上部署、管理和使用应用程序的能力。
  Google的云计算平台硬件 条件优势、大型的数据中心、搜索引擎的支柱应用,都促进了Google云计算迅速发展。Google的云计算主要由Mapreduce、Google文件 系统(GFS)、BigTable组成,它们是Google内部云计算基础平台的3个主要部分。此外Google还构建了其他云计算组件,包括一个领域描 述语言以及分布式锁服务机制等。Sawzall是一种建立在Mapreduce基础上的领域语言,专门用于大规模的信息处理。Chubby是一个高可用、 分布式数据锁服务,当有机器是失效时,Chubby使用Paxos算法来保障备份。
  微软的Windows Azure也是基于其基础平台构建 的。全球各地有无数的数据中心同时也为Windows Azure提供数据支持,数据中心中有数以万计的支撑PaaS所需的服务器,以及基于服务器构建的 开发环境和开发工具,这些软硬件就成为微软提供Windows Azure服务的基础平台。Windows Azure通过控制底层的网状控制器 (Fabric Controller)将数据中心能量庞大的Windows服务器有效地组织起来,给前端的应用提供计算和存储功能,并保证其可靠性。 Windows Azure就像一个在线的操作系统环境,统治着整个数据中心的运算资源,用户可以很方便地调用这些资源来执行各种应用程序,操作系统升 级、维护等也可以再系统不宕机的情况下自动完成。同时微软的Windows Azure还提供了一套基于Visual Studio的Azure工具,供 开发者在个人计算机上开发、模拟和测试Azure平台上的应用程序。美国的Azure数据中心分别位于芝加哥、圣安东尼奥、德克萨斯,微软在欧洲的爱尔兰 都柏林和荷兰的阿姆斯特丹建设有数据中心,亚洲地区的数据中心设立在新加坡和中国香港。
  2.云计算技术
  云计算技术是指搭建云计算 平台和基于云计算平台提供云服务用到的各类技术,云计算技术体系中包括软件、硬件、通信网络、安全等各种信息技术,这其中既有成熟技术,也有新兴技术。作 为分布式处理、并行计算和网络计算等概念的发展和商业化实现,云计算技术实质是计算、存储、网络、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化实现,其核心技术涉及 虚拟化、数据存储和管理、分布式计算、云安全等。从广义角度分析,云计算技术涉及软硬件(如集成电路、操作系统、数据库、整机等)、通信网络、信息安全等 各种技术,当前各类厂商纷纷基于自身技术、产品优势,提出云计算的各种解决方案。
  3.云服务
  云服务分为云技术服务和云平台服务两 大类。云技术服务是指云服务提供商帮忙客户前期搭建云计算平台、后期运维云计算平台而提供的各类服务,包括咨询服务、关键软硬件产品、解决方案、系统集 成、运维等服务。例如,IBM作为云计算平台提供商提供的就是典型的云计算服务,2007年11月推出蓝云平台,为企业提出完整的云计算解决方案,可以对 企业现有的基础架构进行整合,通过虚拟化技术和自动化技术,构建私有云计算中心,从而帮助企业实现云计算理念。云平台服务是指各类云服务企业基于云计算平 台,通过网络向客户随需提供的各类服务。当前,SaaS有各种典型的应用,如在线邮件服务、网络会议、网络传真、在线杀毒等各种工具型服务,还有在线 CRM、在线HR、在线进销存、在线项目管理等各种管理型服务。美国Salesforce.com是提供这类服务最有名的公司之 一,Google Doc、Google Apps和Zoho Office也属于这类服务,国内八百客和Xtools就是其中的典型代表。大的PaaS 提供商有Google Apps Engine,Microsoft Azure,Heroku,Force.com,Engine Yard。最近兴起 的公司有Appfog,Mendix,Standing Cloud和八百客的800APP等。在IaaS领域,Amazon的AWS是一个典型的 IaaS服务,它提供了包括存储(S3)、计算能力(EC2)、消息传递(SQS)、数据集(SDB)等一组服务,企业用户可以在几分钟之内迅速地获得一 个基于Amazon基础设施的虚拟基础设施,并且这个基础设施是弹性的,可以根据需求扩展和收缩。
  4.云企业
  在对云平台和云服务有了清楚认识的基础上,我们认为,真正的云企业只有两类,一类是支持构建云计算平台的云计算服务商,如解决方案提供商、技术咨询服务商;另一类是基于云计算平台提供云平台服务的企业。下面列举了两个典型的云企业:
  1)VMware—云技术服务商
   VMware公司拥有着丰富的客户资源、大量的合作伙伴,以及市场上可能是最广泛的云计算组合,因此占据了x86虚拟化市场。该公司的云计算战略是成为 领先的云计算推动者,提供基础设施和管理组件以实现私有云和公有云的实施,这一战略在过去的几年中都是很成功的。vCloudAPI是其混合云计算战略的 一个重要组成部分,VMware特推出了供防火墙内部云计算基础设施使用的vSphere和推动公有云实施的vCloudExpress。VMware公 司的私有云产品vSphereESXi是技术领先的专用管理程序,而vMotion是在数据中心内实现虚拟服务器迁移的先进工具。
  2)微软—云技术服务商和云平台服务商
   微软作为云技术服务商拥有成熟的Windows操作系统、已大规模商用的Hyper-V虚拟化产品和用户熟悉的.NET技术架构等,能够提供领先的技 术、产品和全面的解决方案,最大优势就是体现了以用户为中心的最佳实践。作为云平台服务商,全球50%的500强企业已经在用Windows Azure 了,它可同时向个人消费者和企业客户提供云服务,不仅向开发者提供基础设施资源(IaaS),也提供平台增值服务。Azure在中国的团队挑选了十个重要 领域,包括视频、车联网、游戏以及电影特效制作,这些都是数据量极大且处在上升期的行业,现在整个平台上的企业数量是一万多个,以至于在欧美建数据中心的 速度跟不上需求。
  5.云计算产业
  云计算产业是基于云计算平台,利用云计算技术提供云技术服务和云平台服务的各个相关行业内云企业 所组成的业态总称。尽管云计算产业内各云企业的经营方式、经营形态、企业模式和流通环节有所不同,但是它们都是在信息技术服务业的范围内围绕着云服务而展 开的,并且可以在构成业态的各个行业内部完成各自的循环。
  云计算产业的内涵
  云计算产业的定义和界定关系到产业统计范畴、企业扶持 对象、产业发展思路和战略。准确地说,云计算产业基于云计算模式的服务业,边界是不应该无线扩展的。目前,一些地方政府提出的云计算产业几乎涵盖了IT产 业的全部。严格来说,这是不准确的,实际上好多内容和概念甚至是反“云”思想的,作为政府推动IT产业发展整体思路的合理的,作为云计算和云产业发展思路 就值得商榷。我们认为,对于云计算产业的界定,关键是要把握以下几方面要素。
  1、云计算平台是基础
  云计算是基于云计算平台、通过 网络实现IT资源的动态、可伸缩、虚拟化的配置、交付和管理,云计算产业的核心是依托云计算平台提供的服务。云计算平台是云计算服务的资源载体,无论是第 三方、SaaS、PaaS、IaaS服务商,还是基于云计算模式提供自主软件产品服务、硬件设备租赁服务、信息系统租赁服务的企业,无论是私有云还是公有 云,都是基于云计算平台实现的。
  2、属于信息技术服务业范畴
  云计算产业是基于云计算模式提供IT资源服务、为架构云计算平台提供 技术服务的信息技术服务业。与传统的ITO模式相比,云计算产业交付模式和途径都发生了变化,新服务提供了新的商业价值,实现了新范式的转变,但云计算产 业本质上还是信息技术服务业,是新一代信息技术服务业。云计算产业中的云企业主体应该有足够的前瞻性,开发适合在云架构下运行的软硬件,利用云计算技术从 大数据中挖掘出用于决策的信息,创造灵活的计算环境。
  3、创新的商业模式和服务模式
  云计算产业不但包含技术上的创新,而且包含商 业模式的创新和产品服务的创新,云计算产业的内涵和外延比传统产业更为丰富和广泛,也更为复杂。传统IT产业在经济全球化和外包浪潮的推动下,逐渐通过网 络选择大规模、跨区域的服务交付平台。这也对企业内部组织结构提出了融合需求,传统的IT企业内分别专注于计算、网络和存储的不同团队,当转向在云计算中 运行应用程序时,团队工作会发生变化,不但需要员工学习新的技能,而且整合外包系统与现有平台带来了技术挑战,企业需要与新的供应商建立合作关系。另一方 面,随着互联网产业的快速发展和规模的扩大,互联网运营商对计算资源和存储资源产生更大的需求。特别是在互联网时代,业务需求随时间、市场变化很大,互联 网运营商急需成本更低、按需分配的技术资源。云计算的服务模式恰好满足了这一需求,云计算使用户从基础架构管理中解脱出来,将更多的经历投入前端业务,创 造出更大的价值增值。
  我们再规划云计算产业发展的时候,关注的侧重面是不同的。在推动云计算产业发展时,涉及的要素侧重于网络设施、基础设施 (如IDC布局和建设)、技术研发、标准制定和实施(技术和服务)、安全、产业、应用、政策法规等各种综合要素。在研究和规划云计算产业时,更关注产业发 展要素和环境建设,涉及市场和应用环境、市场准入和规范、技术创新、商业模式创新、企业发展、标准制定和实施、人才培养、资金投入、产业政策、基地建设、 产业布局等产业要素。
  云计算的作用和意义
  从微观层面来看,云计算提升了中小企业信息化应用水平,降低了中小企业信息化成本和投资 风险。对用户尤其是企业用户而言,使用公有云服务队成本的节省显而易见,对于中小企业和刚起步的创业公司尤为重要,用户无需购买安装硬件、开发软件,用比 原来低得多的使用成本,就可以快速部署应用系统,动态伸缩系统的规模,可以更容易地共享数据。如果企业要建设自己的私有云,因为云计算技术的容错能力强, 所以低端硬件便可满足同样的需求,节省了硬件采购成本,另外管理的高度自动化减少了运维人员的投入数量。
  数据显示,规模达到万台服务器以上的数据中心,其网络、存储和管理成本较之几千台服务器的中型数据中心至少可降低5~7倍。
   与传统互联网数据中心(IDC)相比,云计算的资源利用率大幅提高。IDC对用户提供的网络宽带、处理能力和存储空间都是固定的。然而,绝大多数网站的 访问流量都不是均衡的,网站拥有者为了应对这些突发流量,会按照峰值要求来配置服务器和网络资源,造成资源的平均利用率只有10%~15%,而云计算平台 提供的是有弹性的服务,它根据每个租用者的需要再一个超大的资源池中动态分配和释放资源,而不需要为每个租用者预留峰值资源。而且云计算平台的规模极大, 其租用者数量非常多,支撑的应用种类也是五花八门,比较容易平衡整体负载。据统计,云计算资源利用率可以达到80%左右,是传统模式的5~7倍。
   从宏观层面来看,云计算作为新一代产业浪潮的重要驱动力,随着我国云计算产业的逐步成熟,正在渗透到经济和社会各个领域,对我国经济社会发展更加深远的 影响。当前,信息化发展正进入一个新的历史阶段,信息化与工业化深度融合日益成为经济发展方式转变的内在动力,云计算为我国转型升级提供了重要契机。同时 云计算作为软件和信息技术服务业的重要组成部分,对传统软件产业和信息技术服务业发展产生了巨大影响,加速了战略性新兴产业发展,促进了区域产业结构和经 济结构优化升级。
  云计算提高经济社会信息化发展水平
  由现代信息技术发展与应用所推动的信息化,虽然历史不长,但已经给经济和社会 带来了深刻的影响。云计算平台实现了社会资源的高度集中,用户能够使用的资源规模极大,但获得成本低,获得的途径多样,并且可以按需定制;云计算平台紧耦 合资源聚集使用模式使得计算机资源保持较高的稳定利用率,整体节约社会资源。
  1、推动信息基础设施建设
  云计算能够提供可靠的技术软硬件、丰富的网络资源、可有效加速信息基础设施建设,低成本的构建和管理能力解决了政府、大型企事业单位面临的运维难、人工成本和能源消耗巨大等问题。以此为基础,云计算可以推动我国信息化发展和企业信息化进程想更高的层级跃进。
  2、提高政府公关服务水平
  政府将云计算应用与政务和公共服务领域时,能够实现电子政务信息资源的有效整合,医疗、社保等社会公共服务资源共享和业务的协同,从而提升社会公共服务效率,为人民生活提供更好的公共服务。
  3、提供企业科技创新能力
  云计算强大的数据存储和管理技术为科技创新提供了坚实基础,可提高科技创新能力,并缩短产品和服务进入市场的周期。同时,PaaS服务模式可以实现业务的快速部署,并实现云计算平台同其他业务已有的数据库和能力组件的快速调用和整合,提高用户业务的敏捷性和动态性。
  4、助力节能减排绿色发展
   云计算可以提高现有设备运行效率,并减少初期投资和运营成本(管理、更新成本),降低用户总体拥有成本。云计算对IT资源的集中和整合使用可以缩小设备 规模,及时关闭空闲资源,有效地降低能源消耗,推动国家节能减排政策的落地。实践证明,和传统数据中心相比,云计算能够节省约70%的电能消耗,节能效果 显著。这种节能减排对环境保护有巨大贡献,而且能够减少电能消耗,延长硬件使用期限,有效地降低业务运营成本。
  云计算促进工业转型升级
  工业是实体经济的主体,也是转变经济发展方式、调整优化产业结构的主战场。当前,我国正处在工业化中期,工业的主导作用和支柱地位在较长时期内不会改变,加快工业转型升级,促进工业由大变强,依然是我国现代化进程中艰巨的历史任务。
   建设现代产业体系是新型工业化的重要支撑,本质要求是进一步优化产业结构,增强产业核心竞争力,促进三次产业在更高水平上协调发展。特别是要大力培育发 展战略性新兴产业,推动重大技术突破,加快形成先导性、支柱性产业,切实提高产业核心竞争力和经济效益,云计算的快速发展为我国工业转型升级提供了重要契 机。
  1、云计算强力推动工业化发展
  信息技术和应用的发展为工业化发展提供了强大支撑,用信息化改造工业的一个重要内容就是用信息 技术改造制造业的生产工艺,即信息技术不断向制造业渗透扩散,改造传统生产工艺,提供传统制造业的管理现代化水平。与大型企业不同,中小型工业企业在提升 企业创新能力时往往要面临工业计算软件及平台搭建、开发内部计算机建模和仿真技术、高端研发人员的培育等诸多问题,导致不能有效利用计算仿真等工业计算技 术降低设计制作成本,提供生产效率。
  以美国为首的西方发达国家在20世纪80年代就加大了信息化建设投入,以促进工业转型发展,如美国先后建 立了圣地亚哥超级计算中心、美国国家超级计算应用中心、匹兹堡超级计算中心、美国阿贡国家实验室、美国橡树岭国家实验室等,先后服务于工业、生物、制药、 国防等产业。超级计算中心就是当前云计算中心的前身,从某些方面来说,超级计算就是云计算的一种形式。可以说,云计算等信息技术以及平台在西方工业化大国 扮演了十分关键的角色,云计算等新一代信息技术对其经济建设贡献度在不断提高,从而形成了技术创新良性循环。
  我国通过自身生产要素优势成为新 的国际制造业中心,以制造业为主导的产业结构显示了中国加速工业化阶段的产业特征,这种结构促进了中国现阶段的高速增长,但工业产业结构的畸形化和低劳动 生产率对中国的可持续发展提出了新的挑战,而且由于工业产业没有带动第一和第三产业的发展,致使自身发展缺乏强大的基础和服务。云计算的发展提高了大型工 业企业的信息化管理水平,为中小型工业企业信息化提供了可能,各种技术的突破和服务模式的创新提高了工业化的生产力,促进了工业发展。
  2、云计算加快工业化和信息化的进程
   云计算开创了IaaS、PaaS和SaaS等全新IT服务模式,大幅度降低了传统产业特别是工业企业部署实施信息化的成本,同时极大地促进了信息技术在 传统产业中的应用广度和深度。云计算服务模式不仅给信息产业创造了深远的变革机会,同时也给工业企业等传统企业带来了新的发展机遇。
  随着全球 经济一体化和企业国际化进程的加快,大多数的应用场景需要分布式的工作模式,如跨国集团公司,它们的管理部门和工业现场可能不在同一个地理区域。这些分散 的应用环境和工作模式使得云计算成为一种广受欢迎的IT服务模型,在工业研发设计、流程控制、制造、管理、运营、服务等产业链的应用上发挥重要作用,逐渐 形成以云计算应用为核心的“工业云”,并成为未来的发展趋势。
  绿色经济推动着工业的可持续发展,成为未来“两化”融合的主旋律。云计算给传统 工业节能降耗减排带来了希望,对促进我国信息产业和传统工业持续、快速发展具有重要的战略和现实意义。两化融合发展是以信息化带动工业化,以工业化促进信 息化。当前,我们抓住云计算发展的战略机遇期,以云计算推动两化融合创新能力的发展,可以说是一条可行之路,也是一条希望之路。
  3、云计算将有力推动产业升级
  云计算凭借其超大规模、无线扩展、按需服务、成本低廉、使用便捷等诸多显著优势成为全球信息产业变革的焦点。云计算创造新的经济模式,带动现代服务业、生产型服务业、文化创意等相关产业和经济发展,云计算技术的应用和推广成为推动我国工业转型升级的重要引擎。
   从企业角度看,大型企业运营布局呈现网络化的特点,要求多组织、跨时空、实时业务协同,大企业在迈向国际化、全球化的道路上,表现出更为整合、集约、协 同的管理特征,管理模式、方法、手段需要更为开放、灵活、高效和专业,而云计算则成为大型企业必要的管理工具。与综合实力较强的大型企业相比,中小企业对 云计算服务的需求更大,有统计数据显示:2010年仅有6%~7%的中小企业使用了云计算服务,但到2011年中期这个数字已经突破15%。
   “两化融合”、“三网融合”等信息化战略的实施,极大地促进了我国工业企业的信息化应用水平,奠定了云计算应用的坚实基础。通过云计算相关企业创新和服务 能力的有机整合,依托新的商业模式可为区域经济体带来巨大市场和产业倍增效应,借助移动互联网、物联网等新兴市场的迅速发展,形成更大的网络市场规模。借 助云计算可促进产业整体向产业链前端转移,衍生出新的创业和就业群体,形成产业人力资源分流,助力产业结构调整。
  云计算促进中小企业发展
   据工业和信息化中小企业司公布数据:2010年,我国中小企业总数已占到全国企业总数的99%以上,创造的最终产品和服务价值相当于国内生产总价值的 60%左右,提供了全国80%的城镇就业岗位,上缴的税收约为国家税收总额的50%。中小企业在推动我国经济平稳较快发展、推动创新、扩大出口、增加就 业、维持社会稳定等方面发挥了重要作用。促进中小企业发展,是保持国民经济平稳较快发展的重要基础,是关系民生和社会稳定的重大战略任务。
  云 计算开创了软件服务化、平台服务化和基础设施服务化等服务模式,其中软件服务化模式提供廉价的在线软件租用服务,平台服务化模式提供快速的从技术开发到服 务运营的能力,基础设施服务化模式提供低成本和高可靠性的底层资源服务。目前,我国大部分中小企业信息化应用水平较低,迫切需要推进信息化。采用云计算, 中小企业可以在不用投入大量资金到IT基础设备的前提下,直接从云计算服务提供者那里按需获取各种服务,用最小的代价和最短的时间现实信息化。
  1、降低中小企业信息化成本和投资风险
   在传统模式下中小企业为开发、部署及扩展计算机应用系统,需要购买大量新设备、定期淘汰旧设备,资金耗费多,风险较大。云计算这种变购买为租赁的服务模 式,使中小企业信息化建设和运维成本大幅降低。企业不用再购买繁杂的IT设备,头疼后期运维和管理,只需要通过网络租用云服务,就可以享用灵活高效的信息 化带来的好处。而且当企业把一个应用程序部署到“云”中时,可扩展性和基础设施投资等问题就转移给了云运营商,降低了企业所面临的投资风险。
  2、中小企业能够最大化利用信息资源
   在云计算应用前,企业根据自身需求投资基础设施,其可利用的资源受自身设施的限制,不可能无限扩展。引入云计算后,云服务提供商所能提供的资源和服务要 远大于单一企业的自建能力,这使得企业客户能够支配更多的资源。同时,云计算使中小企业使用信息资源更加灵活,云计算除了能够节省成本外,最大特点就是能 够快速部署。在企业提出定制需求后,云服务提供商会选择相应的成熟模块,提供快速部署实施环境。相比于传统的管理软件,云计算的反应更加快速。此外,用户 还可以根据实际情况的变化,随时随地按需改变应用配置。
  3、云计算提升中小企业信息化应用水平
  云计算大幅度降低了传统产业特别是 工业企业部署实施信息化的成本,同时极大地促进了信息技术在产业的应用广度和深度。据统计,70%以上的中小企业在信息化上的投入不足收入的1%而应用云 计算以后,中小企业只需要付出非常低的租金,就可以使用与中大企业相媲美的资源。这种租用模式将给中小企业带来低成本、高性能和专业化等多种好处,从而进 一步加深中小企业的信息化程度,最终提升中小企业的竞争力。
  云计算将有效地支撑中小企业的信息化应用,降低其信息化门槛,弥补其在IT投资和维护方面的不足,促进中小企业生产、管理与市场开拓的升级,提高中小企业收入,从而保障我国总统经济的平稳较快发展。
  云计算促进软件和信息技术服务业转型升级
   近年来,我国软件和信息技术服务业市场规模不断扩大,创新能力显著增强,产业聚集日益明显,国际化水平持续提高,人才队伍不断壮大,对国民经济和社会发 展的支撑作用进一步增强。“十二五”期间,伴随着物联网、云计算等新一代信息技术的发展和应用的不断深化,软件与网络深度耦合,软件和硬件、应用和服务紧 密融合,软件和信息技术服务业加快向网络化、服务化、体系化和融合化方向演进。
  云计算作为软件和信息技术服务业的重要组成部分,凭借其超大规 模、无限扩展、按需服务、成本低廉、使用便捷等诸多显著优势成为全球信息产业变革的焦点。我国政府高度重视云计算产业的发展,发布了《关于加快培育和发展 战略性新兴产业的决定》等一系列政策措施,明确了“十二五”期间将进一步加强新一代信息技术的基础设施建设,推进“三网融合”促进物联网、云计算等新兴产 业技术的研发,增强核心基础产业的发展能力。
  1、云计算对传统软件产业发展的影响
  云计算给传统软件产业带来根本性变化。云计算将 省略传统软件复杂的购买和安装程序,其所有应用和许可都可以随时购买生效,并通过网络完成软件服务等应用,无须占用本地过多的资源。同时,云计算也打破了 绑定在某一台单独机器上的对软件应用空间和时间的限制,所有应用所需要的计算能力、存储、带宽、电力等都有数据中心提供。此外,在云计算模式下,软件销售 将从出售软件包及终端用户授权许可,转变为出售“云计算”服务,只要使用“云”,就需要付费。而已复制光盘为代表的盗版模式在云计算的冲击下将可能不复存 在。
  2、云计算对信息技术服务业发展的影响
  与云计算对软件产业的影响相比,云计算对信息技术服务业的影响更大。具体表现在以下几方面。
   从资源配置角度看,更多的资源将从用户端走向“云”端,互联网的“端到端”理念将面临巨大挑战。目前,用户端主要通过不断升级硬件和软件来享受更多的互 联网服务。云计算应用以后,几乎所有的计算和存储资源都集中到了“云”端,用户端将变得越来越简单。通过虚拟化技术,“云”端的资源将被用户以租用方式使 用,用户不再需要自己购置和升级软硬件。
  从服务内容角度看,互联网将提供更多层次的服务。传统软件厂商一般通过出售软件介质来盈利,这些软件 都安装在用户的计算机上,软件功能越强大,价值就越高。云计算应用后,用户无须关心软件的购买、维护和升级,这些工作都由云计算运营商来完成。用户通过浏 览器接入“云”端后,能以低租金享受更多的服务。软件厂商会因此而将各类业务转移至云计算平台,建有大型云数据中心的运营商将有偿提供计算及存储资源服 务。
  从行业监管角度看,互联网监管模式也将随之转变。云计算的出现打破了地域的概念,资源的跨地域存储于本地化监管之间的矛盾将会进一步凸显。对此,互联网监管必须要有全局观,在网络资源存储、资源共享和网络安全监管等方面做好不同地域之间的沟通与协调工作。
  云计算参考架构
   随着云计算的发展,业界正试图通过标准化、云计算参考架构等对云计算达成共识,如金蝶研究院为开放群组贡献了云计算参考架构,IT业巨头HP、 Oracle也发布了其云计算参考架构,VMware参与构建开放云平台Cloud Foundry,也有很多中立的组织如NIST、 The Open Group、ISO、ITU-T发布云计算参考架构。开源系统和主流厂商的参与正在加快云计算标准化的进程,其中NIST的云计算参考 架构中对云计算的概念、属性及架构的定义得到了业界的广泛认同。
  2011年1月,NIST公布了云计算定义,提出云计算模式具有按需自助服 务、宽带网络访问、资源集中、快速伸缩性、可计量的服务5项基本特征,以及3种服务模式和4种部署模式。2011年5月,NIST发布了“云计算大纲与建 议”,审视了NIST的云计算定义,描述了云计算的优势与问题,概述了云计算技术的主要类别,并未机构入股应对云计算带来的机遇与风险提供了指导与建议。 2011年9月,NIST发布了云计算参考架构,将NIST的云计算定义工作向前推进了一步。
  NIST云计算参考架构是一个一般性的高层概念 模型,它是讨论云计算的需求、结构和操作的强大的工具。它包含一组可以用于对云计算特性、使用和标准讨论的观点及描述。NIST的云计算参考架构,提出了 云计算系统中最可能存在的5种角色,分别是云消费者、云供应商、云审计者、云代理和云载体。
  参考架构中位于云供应商所在的部分,分为三个主要 层次,分别是物理资源层、资源虚拟及控制层和服务层。这个架构得到了世界上主流云计算企业的基本认同。各国云计算研究机构和企业纷纷参照这个架构开展了云 计算核心技术的研究工作,其中虚拟化技术是支撑云计算构建“资源池”,开展按需、定制服务的基础技术。
  云数据中心相关技术
  数据中 心内的实体资源是提供一切信息服务的基础,根据IDC报告,2012年中国数据中心市场投资总规模达到119.3亿美元,2012年至2017年的复合增 长率为9.8%。其中面积超过500平方米的中大型数据中心超过4000个,占总数约8%,其投资规模占整体约50%;接近70%的中大型数据中心分布在 以北京、上海和广州为核心的发达地区,数据中心的分布和投资都呈现明显的聚集效应。
  云数据中心是能支撑云服务要求的数据中心,包括场地、供配电、空调暖通、服务器、存储、网络、管理系统、安全等相关设施,具有高安全性、资源池化、弹性、规模化、模块化、可管理性、高能效、高可用性等特征。传统数据中心在向云数据中心转变的过程中面临以下问题。
  1、功能上需要满足弹性扩展、按需、按量计费、模块化、效率高等要求。
  2、云计算对数据安全和业务延续性产生了更高的要求,传统数据中心在规模、效率、快速响应以及信息安全方面都面临着巨大的挑战。
  3、能耗问题已成为各国政府考核数据中心的一个重要指标,传统数据中心平均PUE值在2.5以上,能效降低的改造丞待加强。
  云计算按需自助服务、宽带网络访问、资源集中、快速伸缩性、可计量的5项基本特征,对云数据中心提出了更高要求。从组成上来看,云数据中心包含以下几个方面。
  1、建筑、电气、空调、网络等基础设施,这是保证云计算服务商IT环境和服务正常运行而必须建设的各类设施,需要满足模块化、弹性扩展、按需提供和智能化调度。
   2、各类硬件和软件构成的资源池,可分为计算资源池、存储资源池和网络资源池。其中计算资源池由执行和管理计算任务的软硬件资源组成,包括了云数据中心 内的物理主机、管理物理主机硬件资源的系统软件,以及协调多物理主机计算行为的中间件等,可以以池化方式实现虚拟主机的调度与分配;存储资源池包括各类以 存储数据为目的的提供的资源,提供一种实用性的存储服务,为众多用户提供一个通过网络访问的共享存储池;网络资源池由网络软硬件、网络协议和网络接入资源 构成,主要实现了云数据中心各个组件的互连、用户业务的按需部署和服务。资源池根据用户的需要动态分配和释放资源,数据中心不在需要为每个用户预留峰值资 源,因而资源利用率可大大提高。
  3、能效管理包括能效计量、能效评定、能效管理机制。能效计量实现对云数据中心各种组件的能源和效率进行计量 数据采集、监测。能效评定的目的是加强云数据中心的设计、建设及运行管理,提高云数据中心的能效水平,包括评定的原则、指标、基本要求与方法。能效管理机 制是在云数据中心运行过程中,为有效进行能效管理而需要建立的对应的组织架构、流程和制度。云数据中心拥有更多用户,改善能源效率相对成本较低,可以将成 本分摊到更多的服务器中。
  4、安全性要求包含安全措施和安全管理两部分内容,主要防御各种来自云数据中心外部和内部的攻击、破坏和意外情况等安全威胁,保障云数据中心不受影响,信息系统可以稳定运行。
  云用户所使用的云资源可以根据其应用的需要进行调整和动态伸缩,能够有效地满足应用和用户大规模增长的需要,主要得益于云数据中心资源池中资源的整合和重复利用,尤其是低成本、高宽带、高可靠的网络拓扑,以及提高了效能比的绿色节能技术。
  云数据中心网络设计
   云计算的多租户模式,要求网络层面必须具有优异的隔离能力。传统的网络技术在多个层面实现了逻辑隔离,如数据链路层的VLAN,PVLAN,VSAN隔 离,网络层的VRF,VPN安全隔离,但它们都是基于同一进程的。云数据中心的核心交换机采用虚拟交换机VDC的隔离技术,即一个交换机可以再逻辑上分为 多个虚拟交换机。这些虚拟交换机之间是彻底隔离的,它们有各自独立的二层和三层的协议栈和进程,实现了完善的故障隔离。
  云计算节点的大规模性 对数据中心网络的容错能力和可扩展性带来挑战。传统的树形结构网络拓扑存在可靠性低、可扩展性差、网络带宽有限等缺陷,研究学者提出了 VL2,Portland,DCell,BCube等新型的网络拓扑结构,这些拓扑在传统的树形结构中加入了类似于mesh的构造,使得节点之间的连通性 与容错能力更强,易于负载均衡。同时,这些新型的拓扑结构利用小型交换机便可构建,使得网络建设成本降低,节点更容易扩展。
  考虑到基于虚拟化 的应用,如VMotion,LPAR Mobility等都需要一个二层网络的支撑,云数据中心的网络需要再二层上提供超大规模的网络扩展能力。vPC是 一种扩展技术,它通过2个交换机的转发平面,采用Port-Channel实现接入设备同时上连2个汇聚交换机,实现双倍的聚合带宽。采用板卡延伸技术和 vPC技术,可以有效扩展网络规模,同时减少生成树对网络的影响。
  为了支持更大规模的无阻塞的二层网络,并且减少大规模网络中生成树的影响, 业界提出了FabricPath这一在二层上实现多路径的协议。FabricPath的指导思想就是保留二层即插即用的好处,以及对于应用编程的简便,同 时将转发平面和控制平面分离以实现更大规模的网络扩展和扁平化。FabricPath给每一个交换机一个48位的switch ID作为标识,通过 ISIS协议来构建FabricPath的控制平面,形成基于switch ID的路由表。采用FabricPath技术之后,网络里的交换机上会有2张 转发表,边缘交换机上会同时有MAC的转发表和基于switch ID的转发表,FabricPath核心的交换机则维护switch ID的转发表。由 于在二层网络上采用了ISIS这样基于连接状态的路由协议,FabricPath的网络可以支持16路的等价多路径,将网络的扩展性在vPC的基础上又提 高了8倍。FabricPath可以在缩短网络拓扑改变时的收敛时间,提高全网的性能和可靠性。同时FabricPath完全兼容原有的生成树和vPC技 术,也就是说在一个典型的二层网络环境下,原有的采用生成树和vPC的部分可以无缝地接入FabricPath网络。在超大规模的虚拟化技术创新地通过基 于会话的MAC地址学习机制,有效地减小了边缘交换机MAC地址表的压力。通过FabricPath技术可以构建一个非常扁平高效的超大规模数据中心网 络,可以说FabricPath技术彻底改变了现有网络的架构,是今天云数据中心非常重要的技术之一。
  云数据中心的节能技术
  据统 计,数据中心的能耗成本占到了总成本的50%左右,包括电力、机房占地、带宽等各方面。数据中心能耗巨大,主要集中在服务器设备和制冷设备方面,其中制冷 系统能耗占整个机房运行能耗的30%~50%。斯坦福大学教授Ohnathan G.Koomey针对数据中心的能耗报告称,全球数据中心2010年共消 耗1988亿千瓦时的电力,是全年总发电量的1.1%~1.5%。电费支出已占数据中心运营成本的50%以上,有的甚至达到70%。传统电信业务的电费支 出仅占业务收入的2%左右,而数据中心业务的电费支出占业务收入的30%~50%。
  斯坦福大学研究表明,全球数据中心的能耗在2000— 2005年间翻了一番,2010年增加了75%。Gantner的调查显示,2007—2020年间全球数据中心的碳排放量将由80百万吨当量激增到 340百万吨当量,直追钢铁、造船、航空等产业。能源花费占IT预算的比例已经从8%激增到48%,电力和制冷问题成为数据中心面临的最大问题,数据中心 产业已进入高耗能行业序列。
  艾默生研究显示,通信/IT设备节能是机房节能的基础,主设备降耗100W,机房可降耗284W;空调设备节能是 机房节能的关键,消除274W机房热能需要消耗107W电能;供电系统节能是机房节能的重要因素,为194W负载供电,供电系统需要消耗18W电能。因此 主设备的节能可以带来级联性的节能效果,不但降低了设备本身能耗,也降低了相关的空调、供电等能耗。为此Nathuji等人提出一种面向数据中心虚拟化的 自适应能耗管理系统Virtual Power,该系统通过集成虚拟化平台自身具备的能耗管理策略,以虚拟机为单位为数据中心提供一种在线能耗管理能力。 Pallipadi 等人根据CPU利用率,控制和调整CPU频率已达到优化IT设备能耗的目的。Rao 等人研究了在多电力市场环境中,如何在保证服务 质量的前提下优化数据中心能耗总量的问题。针对制冷系统能耗优化问题,Samadiani 等人综合考虑空间大小、机架和风扇的摆放以及空气的流动方向灯 因素,提出了一种多层次的数据中心冷却设备设计思路,并对空气流和热交换进行建模和仿真,为数据中心布局提供理论支持。此外,数据中心建成以后,可采用动 态制冷策略降低能耗。例如,对于处于休眠的服务器,可适当关闭一些制冷设施或改变冷气流的走向,以节约成本。
  总之,云计算技术通过虚拟化、实时迁移电源管理技术,可以极大降低主设备的数量和运行时间,进而极大降低主设备的能耗,提供能效,真正实现节能减排。例如,Google,Facebook等大型云数据中心的能源利用率都达到了90%以上。
   随着我国云计算产业的逐步成熟,正在渗透到经济和社会各个领域,对我国经济社会发展更加深远的影响。云计算在网络成本的能耗节约中能够充分的应 用,有利于我国节能减排的渗透,通过云计算整合一切可以整合的计算资源、存储资源,起到既能节约成本空间,又减少能耗,是未来网络大发展的有力支撑!

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