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  • 云计算的基本原理和应用
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    2019-05-04 19:12:44

    云计算(cloudcomputing,分布式计算技术的一种,其最基本的概念,是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序,再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术,网络服务提供者可以在数秒之内,达成处理数以千万计甚至亿计的信息,达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。

    最简单的云计算技术在网络服务中已经随处可见,例如搜寻引擎、网络信箱等,使用者只要输入简单指令即能得到大量信息。

    未来如手机、GPS等行动装置都可以透过云计算技术,发展出更多的应用服务,进一步的云计算不仅只做资料搜寻、分析的功能,未来如分析DNA结构、基因图谱定序、解析癌症细胞等,都可以透过这项技术轻易达成。

    稍早之前的大规模分布式计算技术即为“云计算”的概念起源。

    云计算基本原理

    云计算的基本原理是,通过使计算分布在大量的分布式计算机上,而非本地计算机或远程服务器中,企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上,根据需求访问计算机和存储系统。

    这可是一种革命性的举措,打个比方,这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通,就像煤气、水电一样,取用方便,费用低廉。最大的不同在于,它是通过互联网进行传输的。

    云计算的蓝图已经呼之欲出:在未来,只需要一台笔记本或者一个手机,就可以通过网络服务来实现我们需要的一切,甚至包括超级计算这样的任务。从这个角度而言,最终用户才是云计算的真正拥有者。

    云计算的应用包含这样的一种思想,把力量联合起来,给其中的每一个成员使用。

    人工智能、大数据、云计算和物联网的未来发展值得重视,均为前沿产业,多智时代专注于人工智能和大数据的入门和科谱,在此为你推荐几篇优质好文:
    云计算的定义包括几种,工作原理是什么?
    http://www.duozhishidai.com/article-13330-1.html
    什么是云计算,云计算发展到了什么阶段?
    http://www.duozhishidai.com/article-13270-1.html
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    http://www.duozhishidai.com/article-13059-1.html


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  • 浅谈云计算基本原理

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    云计算的基础知识进行介绍,包含CAP理论,以及BASE


    在这里插入图片描述


    一、大数据的计算

    云计算基于:
    1.大规模的分布式计算和存储
    2.通过网络访问,方便用户通过多种接入方式

    1.与大数据的关系

    通俗点说,我们要是以大数据为数据源,以云计算为工具,从而达成我们的目标。

    2.定义
    一种商业计算模型,计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和信息服务。
    再通俗的说,就是通过网络我们就可以获得廉价的计算服务。

    3.七大特点
    超大规模、虚拟化、高伸缩性、高可靠性、通用性、按需服务、极其廉价。

    4.三大分类

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    eg:
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    5.发展现状
    国外:亚马逊的Amazon Web(AWS),谷歌,微软的MIcrosoft
    国内:阿里云,华为云、腾讯云、七牛云等

    二、理论基础

    1.CAP理论

    • C(一致性):所有的节点上的数据时刻保持同步
    • A(可用性):每个请求都能接受到一个响应,无论响应成功或失败
    • P(分区容错):系统应该能持续提供服务,即使系统内部有消息丢失(分区)

    一个分布式系统最多只能同时满足两项。

    2.CAP权衡

    • CA (一致性+可用) without P:如果不要求P(分区容错性),则C(强一致性)和A(可用性)是可以保证的。但其实分区始终会存在,因此CA的系统更多的是允许分区后各子系统依然保持CA。
    • CP (一致性+分区)without A:如果不要求A(可用),相当于每个请求都需要在Server之间强一致,而P(分区)会导致同步时间无限延长,如此CP也是可以保证的。很多传统的数据库分布式事务都属于这种模式。
    • AP (可用+分区) without C:要高可用并允许分区,则需放弃一致性。一旦分区发生,节点之间可能会失去联系,为了高可用,每个节点只能用本地数据提供服务,而这样会导致全局数据的不一致性。现在众多的NoSQL都属于此类。

    在这里插入图片描述
    BASE是指基本可用(Basically Available)、软状态(Soft State)、最终一致性(Eventual Consistency)。

    基本可用是指分布式系统在出现故障的时候,允许损失部分可用性,即保证核心可用。电商大促时,为了应对访问量激增,部分用户可能会被引导到降级页面,服务层也可能只提供降级服务。这就是损失部分可用性的体现。

    软状态是指允许系统存在中间状态,而该中间状态不会影响系统整体可用性。分布式存储中一般一份数据至少会有三个副本,允许不同节点间副本同步的延时就是软状态的体现。例如MySQL replication的异步复制就是这种体现。

    最终一致性是指系统中的所有数据副本经过一定时间后,最终能够达到一致的状态。

    在这里插入图片描述

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    目录

    1.Google文件系统GFS

    2.系统架构

    3.GFS的特点

    4.容错机制

    5.系统管理技术


    1.Google文件系统GFS

    • Google文件系统(Google File System,GFS)是一种大型的分布式文件系统。
    • 它为Google云计算提供海量存储,并与Chubby、MapReduce及Bigtable等技术结合十分紧密,处于所有核心技术的底层。
    • GFS不是开源系统。
    • GFS采用廉价的商业机器构建分布式系统,同时将GFS的设计与Google应用的特点紧密结合。
    • GFS将容错的任务交给文件系统完成,利用软件的方法解决系统可靠性问题,使存储的成本成倍下降。
    • GFS将服务器故障视为正常现象,并采用多种方法,从多种角度,使用不同的容错措施,确保数据存储的安全,保证不间断的数据存储服务。

    2.系统架构

    GFS将整个系统的节点分为三类角色:Client(客户端)、Master(主服务器)和Chunk Server(数据块服务器)。

    • Client是GFS提供给应用程序的访问接口,它是一组专用接口,不遵守POSIX规范,以库文件的形式提供。应用程序直接调用这些库函数,并与该库连接在一起。
    • Master是GFS的管理节点,在逻辑上只有一个,它保存系统的元数据,负责整个文件系统的管理,是GFS文件系统中的”大脑“
    • Chunk Server负责具体的存储工作。数据以文件的形式存储在Chunk Server上,Chunk Server的个数可以有多个,它的数目直接决定了GFS的规模。GFS将文件按照固定大小进行分块,默认为64MB,每一块称为一个Chunk(数据块),每个Chunk都有一个对应的索引号(index)。

    运行过程:

    • Client在访问GFS时,首先访问Master节点,获取与之进行交互的Chunk Server信息,然后直接访问这些Chunk Server,完成数据存取工作。
    • GFS的这种设计方法实现了控制流和数据流的分离。Client与Master之间只有控制流,而无数据流,极大地降低了Master的负载。Client与Chunk Server之间直接传输数据流,同时由于文件被分成多个Chunk进行分布式存储,Client可以同时访问多个Chunk Server,从而使得整个系统的I/O高度并行,系统整体性能得到提升。

    3.GFS的特点

     (1)采用中心服务器模式

    • GFS采用中心服务器模式管理整个文件系统,简化了设计,降低了实现难度。
    • Master管理分布式文件系统中所有的元数据。文件被划分为Chunk进行存储,对于Master来说,每个Chunk Server只有一个存储空间。Client发起的所有操作都需要先通过Master才能执行。
    • 优点:

             ① 增加新的Chunk Server 比较容易,Chunk Server只需要注册到Master上即可,Chunk Server之间无任何关系。

              (如果采用完全对等的,无中心的模式,那么如何将Chunk Server的更新信息通知到每一个Chunk Server,会是一个设计难点,而且也将在一定程度上影像系统的扩展性) 

            ② Master维护了一个统一的命名空间,同时掌握整个系统内Chunk Server的情况,据此可以实现整个系统范围内数据存储的负载均衡。

            ③ 由于只有一个中心服务器,元数据的一致性问题自然得到了解决。

    • 缺点:极易成为整个系统的瓶颈等

                   (GFS采用多种机制来避免Master成为系统性能和可靠性上的瓶颈,如尽量控制元数据的规模、对Master进行远程备份、控制信息和系统分流等)

     (2)不缓存数据

    • (缓存(Cache)机制是提升文件系统性能的一个重要手段,通用文件系统为了提高性能一般需要实现复杂的缓存机制)
    •   GFS文件系统根据应用的特点,没有实现缓存,是从两个方面考虑的:                                                                                                                                                             

             ① 必要性:客户端大部分是流式顺序读写,并不存在大量的重复读写,缓存这部分数据对提高系统整体性能的作用不大;对于Chunk Server,由于GFS在Chunk Server上以文件的形式存储,如果对某块数据读取频繁,本地的文件系统自然会将其缓存。

             ② 可行性:如何维护缓存与实际数据之间的一致性是一个极其复杂的问题,在GFS中各个Chunk Server的稳定性都无法确保,加之网络等多种不确定因素,一致性问题更为复杂;另外由于读取的数据量巨大,以当前的内存容量无法完全缓存。

    • 对于存储在Master中的元数据,GFS采取了缓存策略

           ① 一方面,Master需要频繁操作元数据,把元数据直接保存在内存中,提高了操作效率。

           ②另一方面,采用相应的压缩机制降低元数据占用空间的大小,提高内存的利用率。

     (3)在用户态下实现

    • (文件系统是操作系统的重要组成部分,通常位于操作系统的底层(内核态)。在内核态实现文件系统,可以更好地和操作系统本身结合,向上提供兼容的POSIX接口。)

        GFS选择在用户态下实现,主要基于以下几点考虑:

    1. 在用户态下实现,直接利用操作系统提供的POSIX编程接口就可以存取数据,无需了解操作系统的内在实现机制和接口,降低了实现的难度,提高了通用性。
    2. POSIX接口提供的功能更为丰富,在实现过程中可以利用更多的特性,而不像内核编程那样受限。
    3. 用户态下有多种调试工具,而在内核态中调试相对比较困难。
    4. 用户态下,Master和Chunk Server 都以进程的方式运行,单个进程不会运行整个操作系统,从而可以对其进行充分优化。在内核态下,如果不能很好地掌握其特性,效率不但不会高,甚至还会影响到整个系统运行的稳定性。
    5. 用户态下,GFS和操作系统运行在不同的空间,两者耦合度降低,方便GFS自身和内核的单独升级。

    (4)只提供专用接口

    • 通常的分布式文件系统一般都会提供一组与POSIX规范兼容的接口,使应用程序可以通过操作系统的统一接口透明的访问文件系统,而不需要重新编译程序。
    • GFS在设计之初,是完全面向Google的应用的,采用了专门的文件系统访问接口。
    • 接口以库函数的形式提供,应用程序与库函数一起编译,Google应用程序在代码中通过调用这些库函数的API,完成对GFS文件系统的访问。

        采用专用接口的好处:

    1. 降低了实现的难度。通常与POSIX兼容的接口需要在操作系统内核一级实现,而GFS是在应用层实现的。
    2. 采用专用接口可以根据应用的特点对应用提供一些特殊支持,如支持多个文件并发追加的接口等。
    3. 专用接口直接和Client、Master、Chunk Server交互,减少了操作系统之间上下文的切换,降低了复杂度,提高了效率。

    4.容错机制

      Master容错

    •   Master上保存了GFS文件系统的三种元数据:

              (1) 命名空间(Name Space),即整个文件系统的目录结构。

           (2)Chunk与文件名的映射表。

           (3)Chunk副本的位置信息,每一个Chunk默认有三个副本。

    •  容错方案:

            (1)就单个Master来说,对于前两种元数据,GFS通过操作日志来提供容错功能。

            (2)第三种元数据信息则直接保存在各个Chunk Server上,当Master启动或Chunk Server向Master注册时自动完成。

            (3)当Master发生故障时,在磁盘数据保存完好的情况下,可以迅速恢复以上的元数据。

            (4)为了防止master彻底死机的情况,GFS还提供了Master远程的实时备份,这样在当前的GFS Master出现故障无法工作时,另外一个GFS Master可以迅速接替其工作。

    Chunk Server容错

    • GFS采用副本的方式实现Chunk Server的容错

            (1)每个Chunk有多个存储副本(默认为三个),分布存储在不同的Chunk Server上。

            (2)副本的分布车略需要考虑多种因素,如网络的拓扑、机架的分布、磁盘的利用率等。、

            (3)对于每一个Chunk,必须将所有的副本全部写入成功,才视为写入成功。之后,如果相关的副本出现丢失或不可恢复等情况,Master自动将该副本复制到其他Chunk Server,从而确保副本保持一定的个数。

            (4)虽然一份数据需要存储三份,看起来好像磁盘空间的利用率不高,但综合比较多种因素,加之磁盘的成本不断下降,采用副本无疑是最简单、可靠、有效和实现难度最小的一种方法。

    • GFS中的每一个文件被划分为多个Chunk,Chunk的默认大小是64MB,这是因为Google应用中处理的文件都比较大,以64MB为单位进行划分,是一个较为合理的选择。
    • Chunk Server存储的是Chunk的副本,副本以文件的形式进行存储。每一个Chunk以Block为单位进行划分,大小为64kB,每一个Block对应一个32bit的校验和。
    • 当读取一个Chunk副本时,Chunk Server会将读取的数据和校验和进行比较,如果不匹配,就会犯回错误,使Client选择其他Chunk Server上的副本。

    5.系统管理技术

        GFS是一个分布式文件系统,包含从硬件到软件的整套解决方案。除了上面提到的一些GFS的关键技术外,还有相应的系统管理技术来支持整个GFS的应用,这些技术可能不一定为GFS独有。

    • 大规模集群安装技术
    • 故障检测技术
    • 节点动态加入技术
    • 节能技术

           

     本文学习总结自刘鹏教授主编的教材《云计算(第三版)》

     

     

     

     

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    管理中间件负责对云计算的资源进行管理,并对众多应用任务进行调度,使资源能够高效、安全地为应用提供服务;

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    基于上述体系结构,本文以IaaS云计算为例,简述云计算的实现机制,如图4所示。


                          4  简化的IaaS实现机制

    用户交互接口向应用以Web Services方式提供访问接口,获取用户需求。服务目录是用户可以访问的服务清单。系统管理模块负责管理和分配所有可用的资源,其核心是负载均衡。配置工具负责在分配的节点上准备任务运行环境。监视统计模块负责监视节点的运行状态,并完成用户使用节点情况的统计。执行过程并不复杂:用户交互接口允许用户从目录中选取并调用一个服务。该请求传递给系统管理模块后,它将为用户分配恰当的资源,然后调用配置工具来为用户准备运行环境。



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