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云计算-从基础到应用架构系列-云计算的演进

作者: CallHot  来源: 博客园  发布时间: 2011-01-09 23:23  阅读: 876 次  推荐: 0   原文链接   [收藏]  

  开篇

  本篇是主要讲述云计算的发展历程,由于云计算本身提出来也不是太久,并且其实云计算也是经过前人的一些经验总结提出,所以我们对之前的一些计算机的发展史有个一定的了解,那么对云计算的理解就更深入了,当今信息化技术的飞速发展,用户通过浏览器完成信息服务的访问,促进了从传统的数据中心的模式转变到云计算的模式的动力,随着服务器虚拟化,并行处理,向量处理等技术的飞速发展,推动了现有企业应用模式的转变,本文将会针对这些描述进行阐述,加深对云计算的理解,当然如果您在本文中发现错误之处,那么请您批评指出,谢谢。

  摘要

      上一篇《云计算-从基础到应用架构系列-云计算的概念》我们讲述了关于云计算方面的概念,那么为了加深对这些概念的理解,我们这里对计算机的软硬件的发展史来对比分析下云计算的未来趋势,并且我们知道对于信息化技术的发展主要集中在软件和硬件二个方面,就目前的情况来说,硬件有提出“摩尔定律”这个我想大部分的人应该都知道,不过我在后面还是简单的说明下,现在的这个阶段,是信息爆炸的阶段,就目前我们经常使用的无论是Google搜索还是Baidu搜索,或者是Bing 都有非常大的网页数据量,可见目前的信息化技术的增长之快。

      我们的主题主要是下面的几个方面的内容:

      1、对应计算机硬件的演化。

      2、互联网的发展。

      3、虚拟化技术的演进。

      4、云计算的优势和变革

  本文大纲

1、开篇

2、摘要

3、本文大纲

4、硬件的发展史

5、互联网的发展

6、虚拟化技术的演进

7、云计算的优势和变革

8、本文总结

9、后续

  硬件的发展史

      计算机的发展史我们大家应该都从计算机基础那本书上应该学习过经过了4个阶段:

      第一个阶段是:1946-1957年:电子管计算机。

      第二个阶段是:1958-1963年:晶体管计算机。

      第三个阶段是:1964-1969年:小规模集成电路计算机。

      第四个阶段是:1970-1990年:微处理器及大规模/超大规模集成电路计算机。

      本文将会从另外一个角度来说明,就是从计算机的代数来说明可能和上面的几个时间点会有部分出入,不过采用的技术上是相近的。

  第一代计算机:

      第一代计算机可以追溯到1943年,当时由哈佛大学设计开发,IBM出资赞助完成,这是一台可编程的计算机。Mark I 详细信息:摘自“维基百科”。

  馬克一號(Mark I)是美國第一部大尺度自動數位電腦,被認為是第一部萬用型計算機。它的生产和设计者给它起的名字是Automatic Sequence Controlled Calculator(全自動化循序控制計算機,缩写为ASCC),马克一号是它的用户哈佛大學给它起的名字。

  這部機電式ASCC是由IBM的Howard H. Aiken所設計的,在1944年8月7日搬到哈佛大學。馬克一號的特點為全自動運算。一但開始運算便無須人為介入。馬克一號是第一部被實作出來的全自動電腦,同時與當年的其他電子式電腦相比它非常可靠。大家認為「這是現代電腦時代的開端」以及「真正的電腦時代的曙光」。

  ASCC是由開關、繼電器、轉軸以及離合器所構成。它使用了765,000個元件以及幾百哩長的電線,組裝大小為16公尺(51呎)長,2.4公尺(8呎)高,2呎深。重達4500公斤(5短噸)。其基本計算單元使用同步式機械,所以它有一跟長15公尺(50呎)的傳動軸,並由一顆4千瓦的馬達所驅動。馬可一號可以儲存72組數據,每組數據有23位十進位數字。每秒可執行3次加法或是減法。一個乘法則須6秒,一個除法須15.3秒,計算一個對數或是一個三角函數需花費超過一分鐘。

  馬克一號藉由打卡紙讀取、執行每一道指令。它沒有條件分支指令。這表示需要複雜運算的程式碼會很長一串。迴圈的完成需利用打卡紙頭尾相接的方式。這種程式碼與資料分開放置的架構就是眾所週知的「哈佛架構」。計算機先驅Grace Hopper是馬克一號的程式設計員。

  在捐贈儀式上,Aiken沒有提到IBM對於設計與製造這部電腦的參與,IBM對此很不滿,因此與Aiken分道揚鑣。IBM將這部電腦命名為ASCC但隨後哈佛大學與Aiken將它改為馬克一號。 IBM之後去製造了另一部電腦SSEC。

  馬克一號之後有馬克二號(在1947年 或是 1948年),馬克三號/ADEC(1949年九月)以及哈佛馬克四號(1952年),全都是Aiken的工作成果。馬克二號是馬克一號的效能增進版,但也是由機電繼電器所構成。馬克三號部分採用電子元件,而馬克四號就全部改用電子元件了,也就是固態元件。馬克三號與馬克四號使用磁鼓記憶體,馬克四號同時也有使用磁芯記憶體。馬克二號與馬克三號搬到維吉尼亞州的Dahlgren基地給美國海軍使用,馬克四號留在哈佛大學並且給了美國空軍使用。

  馬克一號最終還是被拆解了,但有一部分留在哈佛大學的Cabot Science Center。

  第二代计算机

       第二代计算机按照前面的计算机阶段的话就是处在电子管计算机。ENIAC(电子数字积分计算机)于1946年建成,相关详细信息如下:

  埃尼阿克(ENIAC) 摘自“百度百科”

在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院揭幕典礼。它,就是世界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”(ENIAC)。这个庞然大物占地面积达170平方米,重达30吨。在揭幕仪式上,“埃尼阿克”为来宾表演了它的“绝招”----—分别在1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算,这比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。这次完美的亮相,使得来宾们喝彩不已。

  ENIAC:长30.48米,宽1米,占地面积约63平方米,30个操作台,约相当于10间普通房间的大小,重达30吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。它包含了17,468 真空管7,200水晶 二极管, 1,500 中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器,1500继电器,6000多个开关,每秒执行5000次加法或400次乘法,是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

  第三代计算机

       第一个集成电路虽然1958年9月就已经完成,但是真正投入到使用的时间是1963年,发明者是Kilby,他的发明带来了工业革命。集成电路的出现,使得像IBM 360这样的大型机进一步增加了存储和处理能力,也使更多的企业使用计算机,随着时间的推移,大规模集成电路出现,这是第四代计算机了。

  小规模集成电路

  根据集成电路规模的大小,通常将其分为SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。分类的依据是一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个小规模集成电路:SSI (Small Scale Integration )通常指含逻辑门数小于10 门(或含元件数小于100个)。

  第四代计算机

  当微处理器的出现,标志着大规模/超大规模集成电路的出现。第四代计算机通过超大规模集成电路,提供更高的计算速度,面积却比以往更小,1971年11月,Intel发布世界第一台商用微处理器-Intel-4004,详细资料:来自“维基百科”

  4004是美國英特爾公司 (Intel) 推出的第一款微處理器,也是全球第一款微處理器;1971年11月15日发布。

  4004處理器的尺寸為3mm×4mm,外層有16隻針腳,內有2,300個晶體管,採用五层設計,10微米製程。

  4004的最高時脈有740KHz,能執行4位元運算,支援8位元指令集及12位元位址集。當時脈是108KHz時,可以每秒运算6万次,成本低于100美元。4004處理器的性能與早期电子计算机ENIAC相若。ENIAC是在1946年推出,機器體積庞大,需占用一个房间。ENIAC擁有18000个真空管。

  該款處理器原先是為一家名為 Busicom 的日本公司而設計,用來生產電算機。

  总结

  通过上面的讲述,我们对计算机应该的发展史进行了回顾,我们不难发现,现在的CPU的处理能力远远超过了其他部件的发展速度,计算机的硬件发展很迅速。下面我们来看看摩尔定律的定义:

  摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,当价格不变时;或者说,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

  从目前的Intel的多核或是AMD的真多核之争,我们能够看出来,目前的计算机仍然属于第四代计算机,超大规模集成电路的阶段。

  互联网的发展

      互联网可以说是促进云计算进步的主要因素之一,正是由于互联网的出现,才得以让客户通过浏览器来完成服务的使用,如果没有出现互联网,那么云计算也就没有办法完成调用。

      互联网协议(IP) 这是目前互联网上每台计算机使用的标准通信协议。其实早在20世纪30年代,Bush就提出了MEMEX的概念,该系统是自动化图书馆系统,具体的简介信息如下:

     Memex是Vannevar Bush于1945年在其文章《As We May Think》中提出的一种“扩展存储器(Memory-Extender)”设想。文中指出,Memex是一个基于微缩胶卷存储的“个人图书馆”,可以根据“交叉引用”来播放图书和影片。它可以通过照相或触摸屏感应来记录新信息。同时它还提供在资料之间建立关联的功能,读者可以建立一些指向某些微缩胶卷片段的链接,并依照自己的喜好形成新的线性顺序,甚至加上自己的补充或评论。而且这些可以成为共享,他人只要键入建立链接的作者的索引代码,就可以追溯到这些关联。

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  后来经过演化,出现了NCP协议,该协议在ARPANET主机上进行链接,而底层是通过IMP来完成的,ARPNET是由一种通信子网(Communication Subnet)和资源子网(Resource Subnet)组成的两级结构的计算机网络。由接口报文处理机IMP(Interface Message Processor)和它们之间互连的通信线路一起负责主机Host之间的通信任务,构成了通信子网,实现信息传输与交换。由通信子网互连的主机组成资源子网,它负责信息处理、运行用户应用程序、向网络用户提供可共享的软硬件资源。当某主机(例如H1)要与远地另一主机(例如H2)通信、交换信息。H1首先将信息送至本地直接与其相连的IMP暂存,通过通信线路沿着适当的路径(按一定原则静态或动态的选择的)转发至下一IMP暂存,依次经过中间的IMP中转,最终传输至远地的目的IMP,并送入与之直接相连的目的主机。

  如此,由IMP组成的通信子网,完成信息在通信双方各IMP之间的存贮--转发(Store and forward)任务。采用这种方式,使通信线路不为某对通信双方所独占,大大提高昂贵的通信线路的利用效率。ARPANET中存贮--转发的信息基本单元是分组(Packet),它是将整个要交换的信息报文(Message)分成若干信息分组,对每个分组按存贮--转发的方式在通信子网上传输,因此把这种以存贮--转发方式传输分组的通信子网又称为分组交换数据网(PSDN)。

  我们来看看IMP的体系结构:

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  随着NCP协议的进一步发展,在1983年1月1日ARPANET将其协议从NCP替换为更灵活和更强大的TCP/IP协议。NCP协议的过时,标志着互联网的兴盛开始。

      TCP/IP协议发展至今已经有很多版本的迭代,从一开始的(TCP V1)到现在的流行的IPv4,IPv6,当然未来IPv6是趋势,当然我们必须知道,TCP/IP的推广过程也可以说是一波三折,一开始并不顺利,也是随着不断的推广,才得以迅速的普及和发展。

      IPv6于1995年1月提出,IPv6也被称为下一代互联网协议,目前我们的互联网大部分的服务都是基于IPv4协议创建的,如果完成IPv6的推广无疑是艰难的工作。当然目前的很多硬件设备都已经提供了对IPv6的支持。

      2012年之后,运营商将无法再获得IPv4地址,业务持续发展和IPv4地址即将耗尽是他们必须面对的现实问题。面对地址短缺的现状,IPv6是解决地址问题的根本手段。然而,任何一项新技术从诞生到成熟都不可能一蹴而就,IPv4和IPv6将在相当长的一段时间内共存。因此,如何使IPv4平滑演进到IPv6,如何保障IPv6的安全和服务质量,如何抓住三网融合、物联网等新机遇,以及推动IPv6的发展与成熟等诸多问题,引起了业界的普遍关注。

      因此我们本文就不详细阐述相关的内容,如果详细阐述,那么将会需要好几篇的篇幅来说明,一方面本人对网络方面的内容也是理解的深度不够,就不班门弄斧了。

     1990年第一个web浏览器问世,其中集成了编辑器,可以创建超文本文件,该浏览器与世界第一台Web服务器进行通信,时间是1990年12月25日     世界上第一个网页浏览器

  知道世界上第一个网站吗?Info.cern ch是世界上第一个网络服务器的网址,运行在欧洲原子核研究委员会(CERN)的一台NeXT计算机上。而第一个网页地址是http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html,是有一个名叫Tim Berners-Lee的人创建的。
  现在还可以访问这个网站:http://info.cern.ch/
  网页的顶端还骄傲地写着一行英文:The website of the world’s first-ever web server

  后续的相关内容就是浏览器的迅速发展,开始了浏览器大战,我这里就不详细讲述了。

  虚拟化技术的演进

      服务器虚拟化是指将一台物理服务器上同时运行多个独立的虚拟操作系统的方法,这样的方式,可以将计算机上的投资回报利益最大化,虚拟化的提出产生于20世纪60年代,我们平时说的虚拟化技术,都是通过软件来完成的,通过软件来模拟一个独立的操作系统环境,这样可以使多个用户同时访问一台计算机资源,但是给客户的感觉是独立访问自己的服务器。图形化的概括如下:      image

      我们学过操作系统的应该知道,我们平时在使用打印机的时候,其实我们如果本地只有一台打印机的时候,为了将这台打印机提供给多个人同时使用,这个时候,我们就会使用虚拟化的技术,只不过我们实际的实现机制是通过任务队列,并发执行的而已,但是给用户的感觉是自己在独占资源。

      Amazon云计算服务中的EC2提供的服务器虚拟化技术中,就是通过不同的客户创建不同的虚拟服务器实例,通过自身提供的机器镜像,然后在启动实例时,将机器镜像拷贝到操作系统中,当用户关闭虚拟服务器时,EC2会撤销实例,释放服务器资源,EC2是基于Xen虚拟化技术之上的应用。

      服务器虚拟化的技术一般来说主要是针对以下的几个方面的虚拟化:      image

     详细的虚拟化技术及相关讲述将会在后面的虚拟化的技术中详细的讲述。

  云计算的优势和变革

     本节我们将会讲述云计算给我们带来了什么,云计算带来的优势和变革是什么?上章我们对比了云计算相比传统的基础设施方面的优势对比,我们这里不再进行详细的阐述,下面我们从其他的角度来分析云计算的优势吧。

一、云计算的优势

     云计算带来的优势,我们从下面几个方面来讲述

     1、优化信息产业的布局

     这个乍一看,的确有点大,云计算模式呢,从原来的企业的对信息化服务的自给自足的模式转变为部分服务由云计算提供商来提供的模式,IT产业中将会出现更多的实力雄厚的云计算服务提供商,他们专门提供相应的服务,这些云计算服务提供商,他们通过提供相关领域的专家和业务人员,提供更专业的服务,一般来说这些云服务提供商都有非常雄厚的硬件和软件实力,像目前的几大云服务提供商,无一不是这样。

     2、推进了专业分工

     这个怎么说呢?就是通过云计算服务提供商,一些中小型企业不用自己构建自己的数据中心,或者说是投入大量的基础设施服务,只需要通过互联网访问云技术服务提供商提供的服务即可,自己也不需要考虑一些成本投入,或者维护投入等等。云服务提供商会提供大量的专业人员和科研团队来完成这些工作,因此带来了专业分工的优势。 这里的云服务提供商的优势是相对中小型企业来说,云服务提供商更专业,更具有经验。而且从投入成本的角度来说,云服务提供商的价格更低廉。除了带来一些成本上的优势,还包括云计算服务提供商提供了软件管理方面的专业化,是同一个人的效率更高,这也减少了人力成本的投入。

      云计算是专业分工更加明显,进一步的优化了IT产业的布局,通过一些手段,让更多的企业专注自己的领域,扬长避短,减少内耗,同时也带来了商机。

      3、提高资源的利用率

      这个所谓的资源利用率一般是泛指的资源,对于资源的利用我们前面在服务器虚拟化那块专门的讲述了云计算提供商通过服务器的虚拟化,来达到资源的尽可能的最大化的利用,从而提高投入产出比,带来更高的利益,举个简单的例子我们来说明吧:

      例如现在有个网站,一年365天,只有逢年过节的时候,会出现100W的同时并发的情况,平时非逢年过节的日期时,也就是1000-10000的并发数,这个时候,如果是企业自己投入基础设施,构建数据中心的话,可能我们的投入如下:(这里只是假设)

      一个负载均衡器

      8台应用服务器

      4个数据库服务器(3个读服务器、1个写主服务器)

      这里的成本还是比较高的,上面的节假日的情况,勉强应付过来,平时一般1000-10000只要开太服务器就可以应付的来的话,那么我们可能平时的情况下,我们只要这样配置我们的服务器:(括号内的为准)

      一个负载均衡器(暂不需要)

      8台应用服务器(1台服务器)

      4个数据库服务器(1个读服务器、1个写主服务器)

      无疑其他的硬件投入在大部分的时间是浪费的,而且如果我们采用集群,RAID 的话,这将是非常大的自己投入,而且硬件每年都会产生折旧,这就会冲击我们的每年的利润。

      使用云的情况如下:

      非节假日

      从云计算服务提供商,购买如下服务:

      1台应用服务器资源

      1个读服务器、1个写主服务器

      按实际的运行的小时付费,如果只运行10小时一天那么一年的费用就是 (10 * 365) * $/1.H=TotalPay。

      节假日的时候

      只要为我们新扩充的资源单独的付费就可以。

      一个负载均衡器

      7台应用服务器

      2个数据库服务器

      我们这里要为上面的硬件资源单独付费,采用的计费方式与上面的非节假日的形式相仿,这里我们就可以看出,使用云技术服务的方式,可以为我们节省很多的成本,我们只为我们需要的并且使用的资源付费,如果没使用的资源,我们可以不付费。

      4、降低管理开销

      云计算提供商本身提供给客户了一些方便的管理功能,内置了一些自动化的管理,对应用管理的动态,自动化,高效率是云计算的核心,因此,云计算要保证当用户创建一个服务时,用最短的时间和最少的操作来满足用户的需求,当用户停用某个服务操作时,需要提供自动完成停用的操作,并行回收相应的资源,当然,由于虚拟化技术在云计算中的大量应用,提供了很大的灵活性和自动化,降低了用户对应用管理的开销。云计算平台会根据用户的应用的业务需求,来动态的增减资源分配,完成资源的动态管理,并且对用户增减模块时的自动资源配置,自动资源释放等,包括一些自动的冗余备份,安全性,宕机的自动恢复等。

  二、云计算带来的变革

      上节我们讲述了云计算带来的几个优势,我们本节来看看,云计算带来的IT产业的变革,我们来分析下,作为IT产业,都有什么样的角色,具体的角色的职责是什么,通过上下的层次关系基本上有所了解,我们看图就明白了。      image

      在图的中间,我们看到了,就是云提供商是这个产业的核心,所以云提供商在云计算中处于核心地位,相信随着标准的定制及产业的发展,云计算提供越来越多的服务。

  后续

      下一篇我们就开始讲述虚拟化方面内容了,希望大家看完本章内容后,如果有什么意见和建议,请您提出来,我在下篇书写的时候,会及时的改进,谢谢您的意见,由于个人水平有限,错误或不足之处还请多多指点。

  参考文献

 1、维基百科:http://zh.wikipedia.org/zh/%E9%A6%AC%E5%85%8B%E4%B8%80%E8%99%9F

 2、百度百科:http://baike.baidu.com/view/22486.htm

 3、百度百科:http://baike.baidu.com/view/1343946.htm

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标签:云计算 架构

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