《云計算導(dǎo)論》第五章

云操作系統(tǒng)目錄計算機(jī)軟件與操作系統(tǒng)1UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展2云操作系統(tǒng)概述35.1計算機(jī)軟件與操作系統(tǒng)5.1.1計算機(jī)軟件的發(fā)展計算機(jī)軟件是計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行某項任務(wù)所需的程序、數(shù)據(jù)及文檔的集合。作為計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它已經(jīng)逐漸滲透到人類社會、經(jīng)濟(jì)、生活的方方面面。C++語言的設(shè)計者、著名計算機(jī)科學(xué)家本賈尼·斯特勞斯特盧普（BjarneStroustrup）在演講中多次提到“人類文明運行在軟件之上”。美國著名發(fā)明家和計算機(jī)科學(xué)家雷·庫茲韋爾（RayKurzweil）在其《奇點臨近：當(dāng)計算機(jī)智能超越人類》一書中也斷言：“如果地球上所有軟件都突然停止工作，那么人類現(xiàn)代文明也會戛然而止。”在軟件技術(shù)體系中，操作系統(tǒng)是軟件運行支撐技術(shù)的核心，是管理硬件資源、控制程序運行、改善人機(jī)界面和為應(yīng)用軟件提供支持的一種系統(tǒng)軟件。它運行在計算機(jī)上，向下管理計算機(jī)系統(tǒng)中的資源（包括存儲、外設(shè)和計算等資源），向上為用戶和應(yīng)用程序提供公共服務(wù)。5.1計算機(jī)軟件與操作系統(tǒng)5.1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展簡史1956年出現(xiàn)了歷史上第一個實際可用的操作系統(tǒng)GM-NAAI/O，這一系統(tǒng)是通用汽車公司（GeneralMotors）和北美航空（NorthAmericanAviation）聯(lián)合研制的在IBM704計算機(jī)上運行的管理程序，通過提供批處理的功能，彌補(bǔ)處理器速度和I/O之間的差異，來提高系統(tǒng)效率。第一個公認(rèn)的現(xiàn)代操作系統(tǒng)是從20世紀(jì)70年代開始得到廣泛應(yīng)用的UNIX系統(tǒng)。它是第一個采用與機(jī)器無關(guān)語言（C語言）來編寫的操作系統(tǒng)，從而可以提供更好的可移植性。從20世紀(jì)80年代開始，以IBMPC為代表的個人計算機(jī)（PC）開始流行，開啟了個人計算機(jī)時代。PC上的典型操作系統(tǒng)包括蘋果公司的MacOS系列、微軟公司的DOS/Windows系列以及從UNIX系統(tǒng)中衍生出來的Linux操作系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，在個人計算機(jī)普及的同時，出現(xiàn)了以智能手機(jī)為代表的新一代移動計算設(shè)備，例如黑莓（BlackBerry）、iPhone和GoogleAndroid手機(jī)，智能手機(jī)性能強(qiáng)勁，已經(jīng)成為新一代的小型計算設(shè)備。近年來，絕大多數(shù)計算機(jī)采用的處理器已經(jīng)從單核處理器發(fā)展為雙核、四核甚至更多核，然而目前的多核處理器上采用的操作系統(tǒng)依然是基于多線程的傳統(tǒng)架構(gòu)，很難充分利用多核處理器的并行處理能力。為此，研究人員已經(jīng)在嘗試專門針對多核處理器開發(fā)多核操作系統(tǒng)的原型，但尚未得到廣泛的推廣和應(yīng)用。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時代之后，操作系統(tǒng)發(fā)展的一個新方向主要是提高操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支持能力。近年來，面向不同的互聯(lián)網(wǎng)計算與應(yīng)用模式，國內(nèi)外都提出了許多面向云計算和數(shù)據(jù)中心的云操作系統(tǒng)。5.1計算機(jī)軟件與操作系統(tǒng)5.1.3操作系統(tǒng)的軟件定義本質(zhì)隨著“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”的流行，近年來出現(xiàn)了各種各樣不同的“軟件定義”概念。“軟件定義”的核心技術(shù)途徑是硬件資源虛擬化和管理功能可編程。所謂硬件資源虛擬化，是將硬件資源抽象為虛擬資源，由系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對虛擬資源的管理和調(diào)度。常見的如操作系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存對物理內(nèi)存的虛擬、偽終端對終端的虛擬、Socket對網(wǎng)絡(luò)接口的虛擬、邏輯卷對物理存儲設(shè)備的虛擬等。管理功能可編程則是應(yīng)用軟件對通用計算系統(tǒng)的核心需求，主要表現(xiàn)在訪問資源所提供的服務(wù)以及改變資源的配置和行為兩個方面。作為計算系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)一方面直接管理各種硬件資源，另一方面作為“虛擬機(jī)”向應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。5.2UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展5.2.1UNIX系統(tǒng)簡介1971年，UNIX誕生于美國AT&T公司的貝爾實驗室。經(jīng)過40多年的發(fā)展和完善，UNIX已經(jīng)成為一種主流的操作系統(tǒng)技術(shù)，基于此項技術(shù)的產(chǎn)品也形成了一個大家族。UNIX技術(shù)始終處于國際操作系統(tǒng)領(lǐng)域的主流地位，它支持多用戶和多任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)，可靠性高，伸縮性突出，并支持多種處理器架構(gòu)，在巨型計算機(jī)、服務(wù)器和普通個人計算機(jī)等多種硬件平臺上均可運行。現(xiàn)在，UNIX、Linux和Windows成為三大類主流操作系統(tǒng)。UNIX作為應(yīng)用面最廣、影響力最大的操作系統(tǒng)之一，一直是關(guān)鍵應(yīng)用中的首選操作系統(tǒng)。5.2UNIX類操作系統(tǒng)的發(fā)展5.2.2UNIX家族的演化UNIX家族的演化大致可以分為三個階段：初始研發(fā)階段、商業(yè)推廣階段、成熟應(yīng)用階段。1.UNIX初始研發(fā)階段20世紀(jì)70年代是UNIX初始研發(fā)階段。1972年，UNIX發(fā)布了第二版，最大的改進(jìn)是添加了后來成為UNIX標(biāo)志特征之一的管道功能。1979年，UNIXV發(fā)布。這是歷史上第一個完整意義上的UNIX版本，也是最后一個廣泛發(fā)布的研究型UNIX版本。2.UNIX商業(yè)推廣階段UNIX商業(yè)化實質(zhì)上意味著將產(chǎn)生各種獨立的UNIX版本。5.3云操作系統(tǒng)概述5.3.1基本概念云操作系統(tǒng)是指構(gòu)架于服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件資源和單機(jī)操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)軟件之上，管理海量的基礎(chǔ)硬件、軟件資源的云平臺綜合管理系統(tǒng)。它主要有三個作用，一是管理和驅(qū)動海量服務(wù)器、存儲等基礎(chǔ)硬件，將一個數(shù)據(jù)中心的硬件資源邏輯上整合成一臺服務(wù)器；二是為云應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口；三是管理海量的計算任務(wù)以及資源調(diào)配和遷移。云操作系統(tǒng)的三大特點如下：（1）網(wǎng)絡(luò)化（2）安全（3）具有“計算的可擴(kuò)充性”5.3云操作系統(tǒng)概述5.3.2云操作系統(tǒng)實例1.VMwarevSphereVMwarevSphere是業(yè)界第一款云操作系統(tǒng)，是由虛擬化技術(shù)衍生出來的。2.甲骨文SolarisOracleSolaris11是甲骨文的一款云操作系統(tǒng)，能在SPARC、x86服務(wù)器和Oracle集成系統(tǒng)上建立大型企業(yè)級IaaS、PaaS和SaaS。3.浪潮云海OS浪潮云海是第一款國產(chǎn)的云計算中心操作系統(tǒng)，采用“Linux+Xen”開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線，支持分布式計算、分布式存儲等，性能更好、可用性更強(qiáng)、成本更低，于2010年底發(fā)布。4.微軟WindowsServer2012年9月，微軟正式發(fā)布了WindowsServer2012操作系統(tǒng)，微軟稱其是公司的第一個云操作系統(tǒng)。5.3云操作系統(tǒng)概述5.3.2云操作系統(tǒng)實例5.曙光Cloudview云操作系統(tǒng)曙光Cloudview是一款面向公有云和私有云的云操作系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將IT基礎(chǔ)設(shè)施資源、軟件與信息按需提供給用戶使用，支持IaaS服務(wù)，并通過部署平臺服務(wù)軟件和業(yè)務(wù)服務(wù)軟件支持PaaS服務(wù)和SaaS服務(wù)。6.華為FusionSphere華為云操作系統(tǒng)FusionSphere是華為自主創(chuàng)新的一款操作系統(tǒng)，提供強(qiáng)大的虛擬化功能和資源池管理、豐富的云基礎(chǔ)服務(wù)組件和工具、開放的運維和管理API接口等，專門為云計算環(huán)境設(shè)計。7.阿里YunOSYunOS是阿里巴巴集團(tuán)研發(fā)的智能操作系統(tǒng)，融合了阿里巴巴集團(tuán)在大數(shù)據(jù)、云服務(wù)以及智能設(shè)備操作系統(tǒng)等多領(lǐng)域的技術(shù)成果，并且可搭載于智能手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)汽車、智能家居、智能穿戴設(shè)備等多種智能終端，YunOS通過可信的感知、可靠的連接、分布式計算以及高效流轉(zhuǎn)的服務(wù)實現(xiàn)萬物互聯(lián)。5.3云操作系統(tǒng)概述5.3.3云操作系統(tǒng)的挑戰(zhàn)大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)的處理方法提出了新的要求，單臺機(jī)器已經(jīng)無法滿足計算所需的資源。因此，一些新型的應(yīng)用程序不斷被推出，這些應(yīng)用程序不再適合單個服務(wù)器，而是運行在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的一組服務(wù)器上。例如：ApacheHadoop和ApacheSpark等分析框架，ApacheKafka等消息代理框架，ApacheCassandra等關(guān)鍵值存儲以及面向客戶的應(yīng)用程序（如Twitter和Netflix運行的應(yīng)用程序）。5.3云操作系統(tǒng)概述5.3.4新一代云操作系統(tǒng)的職責(zé)與功能既然傳統(tǒng)操作系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足數(shù)據(jù)中心的需求，那么云操作系統(tǒng)應(yīng)該是什么樣的呢？從運營商的角度來看，它將跨越數(shù)據(jù)中心（或云）中的所有機(jī)器，并將它們聚合成一個運行應(yīng)用程序的巨大資源池，不需要再為特定的應(yīng)用程序配置特定的機(jī)器。所有應(yīng)用程序都可以在任何機(jī)器上使用任何可用資源，即使這些機(jī)器上已經(jīng)有其他應(yīng)用程序正在運行。從開發(fā)人員的角度來看，云操作系統(tǒng)將作為應(yīng)用程序和機(jī)器之間的中介，提供通用的接口來簡化構(gòu)建分布式應(yīng)用程序。云操作系統(tǒng)不需要替換我們在云中使用的Linux或任何其他主機(jī)操作