彭民德：《電子計算60年》 （37）跨入雲端計算時代

電子計算架構繼80年代從通用計算機多使用者分時共享，到個人計算機的變革，再到90年代網路客戶端-伺服器的大轉變之後，剛剛過去的幾年正在進行的又一次鉅變是雲端計算（Cloud Computing）。什麼是雲端計算？美國國家標準與技術研究院的定義是：“所謂雲端計算，就是這樣一種計算模式，該模式允許使用者通過無所不在的、便捷的、按需獲得的網路接入，到一個可動態配置的計算資源池（其中包括了網路裝置、伺服器、儲存、應用以及業務），並且以最小的管理代價，或者業務提供者互動複雜度，即可實現這些可配置計算資源的快速發放與釋出。”（顧炯炯：《雲端計算架構技術與實踐》前言 清華大學出版社 2014.9）。有人稱雲端計算為IT領域的第三次革命，“第三次工業革命則是以資訊科技的廣泛應用為標誌”。“它起始於20世紀40年代計算機的發明。其後，根本性地影響人類資訊化程式的是第一次IT革命（個人計算機的出現）和第二次IT革命（網際網路技術的廣泛應用）。”“雲端計算：第三次IT革命。”（雷葆華 《雲端計算解碼 技術架構和產業運營》P2 電子工業出版社 2011.6）。

雲端計算的概念首先由谷歌公司提出。2006年8月9日，谷歌提出“雲端計算”概念，接著與IBM在美國大學校園，提供相關的軟硬體裝置及技術支援，開展各項以大規模分散式計算為基礎的研究，推廣其雲端計算計劃。隨後進行試驗性研究並陸續擴充套件至全球。雲端計算從其概念的提出到現在還只有短短几年時間，但是發展勢頭迅猛。現在雲端計算的領跑者谷歌公司，其雲端計算中心已經集中了100萬臺以上的伺服器，可以幫助使用者輕易地從上億個網頁上找到所需要的資訊，形成了強大的雲端服務能力。VMware在2009年4月釋出了vSphere,，稱之為世界上第一個雲作業系統。2009年7月，谷歌和微軟也先後宣佈了自己的雲作業系統，谷歌的叫Chrome OS，微軟的稱為Windows Azure。

在中國，雲端計算是國家重點扶持的專案。中國主要IT廠商都在積極進行雲端基礎建設。“加強雲端計算平臺建設”被明文列入我國從2011年起的十二五發展規劃中。2010年是臺灣的雲元年（ 參見潘奕萍 《漫話雲端計算》P6，化學工業出版社 2013.5）。2011年5月31日浪潮釋出了它的“雲海OS”，這是第一款國產的雲端計算中心作業系統，採用“linux+Xen”開放標準技術路線，支援分散式計算、分散式儲存等，有較好的效能和可用性。2012年8月浪潮又釋出其第二代雲海OS V2.0，可廣泛相容其他廠商產品。隨著其雲端計算技術佈局再次深化，2013年10月30日，浪潮釋出了升級的雲海OS V3.0（浪潮（北京）電子資訊產業有限公司：《浪潮雲海∙雲資料中心作業系統V3.0技術白皮書》，2013.8）。 2013年8月，亞洲最大的雲端計算基地，中國電信內蒙古雲端計算基地開始運營，該基地擁有10萬個機架，可以安裝200萬臺伺服器，進行大規模計算和資料儲存（據CCTV新聞臺 2013年8月17日報導）。克拉瑪依雲端計算基地，也有10萬個機櫃，可以容納25萬臺伺服器，以滿足絲綢之路沿線國家和地區的相關需求（據CCTV4 2015年9月23日“一帶一路新疆行”報導）。說明中國雲端計算事業正在蓬勃發展。

雲端計算由國際網際網路（Internet）結構變成了國際網際網路+移動網（Internet + mobile-net）結構。目前被廣泛使用的WiFi（Wireless Fidelity）就是一種典型的國際網際網路+移動網結構。據中國網際網路絡資訊中心釋出的第35次統計報告，2014年底，在家裡使用電腦接入網際網路的城鎮網民中，家庭WiFi的普及情況已有很高水平，比例達到81.1%。家庭WiFi的使用對家庭中高齡成員上網具有較強帶動作用，推動城市網際網路普及率的進一步提升。目前，在地鐵和公交車上以及許多服務性場所，都配置了WiFi，迅速地給人們帶來通訊聯絡的方便。

那麼這一次計算架構的變革是怎麼引起的呢？

國際網際網路本來已經給我們帶來了極大實惠，正像我們前面講的那樣，足不出戶便能通天下。但是好日子剛剛開頭，依然有“不斷緊跟”的壓力。因為通訊的需要，因為要到全球浩瀚的資訊海洋去搜羅自己所要的資訊的需要，CPU的處理速度得逐步提升。機器主頻從幾十兆陸續更新到2.4GHz以上。大量的郵件要藉助outlook等軟體加以組織，而且隨著多媒體應用的普及，郵件附件包含更多圖片，尺寸越來越大了。自己PC上硬碟也在不斷升級，其容量從64MB，陸續達到500GB、1024GB（一個T）。而後隨著行動硬碟出現，又配行動硬碟，其容量從20GB，陸續到1TB。還有USB盤，從32MB開始，陸陸續續到8GB、16GB。不但如此，為了做資訊的長期、永久儲存，還得買來空白光碟，時不時地做光碟燒錄。還要面對不斷升級的軟體的下載更新，防不勝防的從網路上來的病毒侵襲，對自己本地的機器，作為網際網路一個終端節點的PC機的管理，依然存在巨大的挑戰。時間和精力的投入，資金的投入，都是可觀的。家裡有桌上型電腦，膝上型電腦，上網本，放在各自房間，要穿牆打洞用網線把它們連線起來。

這種矛盾推動著因特網向雲端計算髮展。因特網還是因特網，依靠它把全世界的計算機，哪怕是不同邏輯結構的一些計算機網路連線起來，構成資訊共享的基礎平臺。再把資料和對資料的處理集中起來，形成龐大的伺服器群。同時讓使用者端儘可能地簡化，家庭和辦公室都採用無線網路，免去網線連線的不便。這就是所謂“網路雲化”和“雲端計算”。

雲端計算由一系列可以動態升級和被虛擬化的資源組成，這些資源被所有云計算的使用者共享並且可以方便地通過網路訪問。使用者無需掌握雲端計算的技術，只需要按照個人或者團體的需要租賃雲端計算的資源。管道煤氣把氣源虛擬化了，使用者可以甩掉煤氣罐，只要將煤氣管道接入並安裝一個用氣量表，就可以方便地隨心使用煤氣。廚房變得簡潔寬敞了。把計算能力作為一種像煤氣一樣的公用事業提供給使用者的理念，是雲端計算思想的起源。在雲端計算環境下，有強大的現代通訊能力支援，計算和儲存都集中到伺服器雲端，使用者端被大大瘦身簡化。家裡不再需要高階機，不再需要大硬碟，取消了網線，電腦在哪裡都能工作，手機也可以上網了。

雲端計算的稱謂很好地體現了它的特點。最初的計算機就是跟計算相連的，今天的小學生課本里，就告訴孩子們“計算機是幹什麼用的？”“計算機當然是用來計算的機器”（義務教育課程標準實驗教科書《語文》五年級下冊 P177，人民教育出版社，2016.1）。雲端計算把計算機再一次跟計算緊密地聯絡起來了。電子計算既包括數值計算，也包括種種邏輯的、離散結構的計算，對錶、樹、圖等等資料結構的查詢、排序、插入、刪除等等。計算機所做的一切，都可以叫做計算。到因特網上去做字串資訊搜尋，就需要許多計算。雲端計算的雲字，可以理解為包含了海量的、無限量的儲存，容量像雲海一樣龐大。也可以理解為對使用者而言，計算和儲存像雲一樣漂浮、虛幻，不知道網路上的儲存與計算在那裡進行和怎樣進行。實際上計算被分佈在大量的分散式網路計算機上。這使得個人和企業使用者能夠僅僅根據需求訪問計算機和儲存系統，終端無需大量儲存和配置強大的處理能力。這就像家裡使用煤氣、水電一樣，無需煤氣罐，無需水箱，簡潔方便。當然它是通過網際網路進行傳輸並且是適當收費的。

在雲基地的容錯伺服器群擔負雲端計算的骨幹作用，其上承擔資源管理和排程任務的管理層軟體是實現雲端計算功能的關鍵。早幾年，人們喜歡比照傳統計算機系統中作業系統的重要性，把雲基地伺服器群的管理層叫做雲作業系統，但是雲架構跟傳統計算機系統差別實在很顯著，雲端管理層技術要求高，需要配備超級小型機作為主機來擔負管理職能。這方面以往長期由IOH（IBM、Oracle以及HP）這三家執行UNIX系統的超級小型機壟斷。其他國內外廠商雖然也有其它品牌，比如戴爾為中小型企業提供256G記憶體、兩個英特爾至強E5-2680 2.5GHz處理器，可為300名應用程式使用者服務共享的桌面雲伺服器R730或T630，但機器規模和影響都比較小。而IOH的高檔小型機，僅一家銀行在全國就需要幾十套。還有電信、股票市場等，投資相當可觀。而且，關鍵技術依賴國外還有安全風險。

好訊息是，2013年1月，這一局面發生了變化，作為國家863計劃重大專項“高階容錯計算機”專案成果，浪潮天梭K1系統正式釋出（參見：http://it.sohu.com/20140116/n393602997.shtml：浪潮部署實施K遷工程 啟動主機國產化）。當年9月，浪潮聯合16家國內骨幹IT企業成立了國產主機系統產業聯盟，初步形成了完整的國產主機產業鏈，並提出了“K遷工程”。擬幫助使用者將資料庫、中介軟體以及各類應用系統從IOH國外機器遷移到國產主機上。這一計劃已經在工商銀行、建設銀行的部分分行試行。將銀行現有基於IBM的小型機業務動態遷移到浪潮雲系統上執行。上線以來系統整體效能良好，可靠地滿足了關鍵領域的高服務效能要求。

目前，國內的阿里巴巴、百度、騰訊等主要的網際網路企業的70%以上的伺服器整機櫃都用浪潮品牌。浪潮伺服器佔據了全國網際網路市場份額的60%。特別令國人興奮的是，近年來有36臺浪潮高階伺服器，竟然出口到了微軟總部，用於下一代作業系統和雲產品的開發與測試。這是國產品牌伺服器首次進入美國本土，證明了浪潮的計算機技術已經可以跟美國媲美，在IT領域也有了享譽世界的中國品牌（2016年1月9日CCTV《新聞聯播》）。

在雲端計算架構下，前端雲端計算使用者能夠通過網路按需獲取資源，如同開啟電燈用電，開啟水龍頭用水一樣，接入即用；後臺的管理系統保證雲端計算能夠實現對各類異構軟硬體基礎資源的相容和排程，實現資源的動態配置和流轉，保證雲端計算三大類服務（Iaas、Paas、Saas）的實現，它們分別叫做基礎設施即服務，平臺即服務，軟體即服務。其基本功能包括，一是管理和驅動海量伺服器、儲存陣列等基礎硬體，將一個資料中心的硬體資源邏輯上整合成一臺伺服器；二是為雲應用軟體提供統一、標準的介面；三是管理海量的計算任務以及資源調配。四是保證雲系統的可靠與安全。舉例說，如果雲使用者在其終端上請求使用一個文書處理軟體，雲作業系統將分配適量的虛擬IT資源，在這些資源上安裝傳統的虛擬作業系統（如Windows），然後在該作業系統上安裝相應的軟體（如Office word）。這實際上是向雲使用者提供了一臺配置了所需應用程式的虛擬化了的傳統PC機。後臺的雲管理系統兼有分散式系統、網路作業系統和個人機系統的特點，並有進一步的昇華。

雲端計算總是跟大資料關聯，以大資料為處理物件。資料計量單位從第三代的IBM 360引進位元組B（Byte）概念以來，隨著計算機處理資料的增多，歷經KB（210B）、MB（210KB）、GB（210MB）、TB（210GB），現在到了PB（210TB）、EB（210PB）、ZB（210EB）的提升，到了資訊爆炸時代。據國際數字公司（IDC）報告顯示，2010年全球資料量已達1.2ZB，人類正式進入ZB時代。（水木然：《工業4.0大革命》P21 電子工業出版社 2015.3）。現在個人買一臺電腦，有了4GB記憶體，500GB硬碟，再附帶買一個TB級容量的行動硬碟的配置。企業和行業部門已經常用PB級容量表示，比如一個省級政府部門所有共享資料量將逐步增加到10PB；克拉瑪依雲基地可容納的資料量達1萬PB。1EB大約等於4462個美國國會圖書館的資料總量。前幾年有人估計，“2015年將有250億臺聯網的裝置，…他們每年將產生1.6ZB以上的資料”（Dominic Betts等著，鄒恆明譯《雲遷移技術（第2版）》P1清華大學出版社2013.3）。“到2020年將突破35ZB”（水木然：《工業4.0大革命》P21 電子工業出版社 2015.3）

大資料的採集、組織、儲存就是雲端計算應有之意。比如一個單詞的排序查詢，就要做很多大小比較和邏輯運算。請注意，雲端計算的資料物件，除了傳統的已有計算物件之外，還包括網際網路上數不勝數的網站網頁。網際網路的搜尋引擎要索引幾十億個網頁，每天有幾十億次查詢，收集日誌資料就多達幾十TB。這就是典型的大資料處理，計算專家們要研究新的更有效的演算法。谷歌公司最強大的實力就在於，他們有基於大資料探勘技術的搜尋引擎，可以為使用者快速地從雲端儲存中找出所要的結果。百度也有自己類似的搜尋引擎。

雲端計算還有以下一些特徵：
(1)服務的自助化。比如雲端計算為客戶提供應用服務目錄，客戶可採用自助方式選擇滿足自身需求的服務專案和內容。使用者無需跟服務提供商互動就可自助地得到計算資源能力。
(2)雲服務無處不在。雲端計算的元件和整體構架由網路連線在一起，通過網路向使用者提供服務。而客戶可藉助不同的終端裝置和行動網路，通過標準的應用實現對網路的訪問，從而使得雲端計算的服務無處不在。
(3) 雲服務是全天候的。只要願意，凌晨2點起床看實況轉播的球賽，悉聽尊便。有人把無處不在的、24小時全天候的網路生活稱之為雲生活。
(4)服務可計量化。在提供雲服務過程中，針對客戶不同的服務型別，通過計量的方法來自動控制和優化資源配置。即資源的使用可被監測和控制，因而像供應煤氣水電那樣，是一種即付即用的服務模式。
(5)資源配置動態化。根據消費者的需求動態劃分或釋放不同的物理和虛擬資源，當增加一個需求時，可通過增加可用的資源進行匹配，實現資源的快速彈性提供；當使用者不再使用這部分資源時，可釋放這些資源。雲端計算實現了IT資源利用的可擴充套件性。
(6)資源的透明化。對使用者而言，雲端計算各個層面的資源是透明的，無限大的，使用者無須瞭解內部結構，只關心自己的需求是否得到滿足即可。

在電腦雲架構下，終端使用者的電腦配置不要求太高，跟手機的界限變得模糊起來，電腦不只是呆在家裡的書桌上，也到了每個人的書包和口袋裡。家裡的每個人，包括老人和小孩，都需要用終端和手機移動式上網辦公或娛樂，因此需要不限時地無線連通。其中D-Link等無線路由器產品出色地擔負了組建無線網路這一任務。現在上網格局比以前又有了變化。對外跟寬頻網路運營商以有線寬頻相連，在室內則配置一套，比如D-Link公司的DL-524 AirPlus G 802.11g/2.4GHz無線路由器，組成無線區域網。筆者自己配置好以後稱為D-Link_DIR-600M無線網路。桌上型電腦、膝上型電腦、手機、照相機等都被無線聯通起來。

雲端計算這一新的資訊科技變革成果，正在推動“網際網路+”各個方面的經濟發展。層出不窮的雲服務，正在帶給人類更多電子計算的實惠，也在日愈深入地改善著人們的社會生活方式。家庭成員和朋友之間，藉助雲端計算平臺，更加強了溝通，提升了和諧度和幸福感。當今整個年輕一輩都趕上了雲端計算的好時代。

（說明：本次發表時，將原標題“雲端計算架構”改成了現在的標題“跨入雲端計算時代”，這樣似乎更符合電子計算曆史的敘述風格）