云計算標(biāo)準(zhǔn)化白皮書

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院

2014年7月

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院云計算標(biāo)準(zhǔn)化白皮書

目錄

一、緒論........................................................................................................................1

（一）背景...........................................................................................................1

（二）范圍...........................................................................................................2

（三）縮略語和習(xí)語...........................................................................................2

1、組織協(xié)會縮略語......................................................................................2

2、技術(shù)術(shù)語縮略語......................................................................................3

二、云計算概述............................................................................................................4

（一）云計算的定義...........................................................................................4

（二）云計算的關(guān)鍵特征...................................................................................4

（三）云能力類型和云服務(wù)類別.......................................................................6

1、云能力類型..............................................................................................6

2、云服務(wù)類別..............................................................................................6

（四）典型的云計算部署模式...........................................................................7

（五）云計算參考架構(gòu).......................................................................................7

三、云計算支撐技術(shù)分析..........................................................................................14

1、系統(tǒng)虛擬化...................................................................................................15

2、虛擬化資源管理...........................................................................................16

3、分布式數(shù)據(jù)存儲...........................................................................................17

4、并行計算模式...............................................................................................19

5、用戶交互技術(shù)...............................................................................................21

6、安全管理.......................................................................................................21

7、運(yùn)營支撐管理...............................................................................................22

四、云計算應(yīng)用情況分析..........................................................................................26

（一）國際云計算應(yīng)用情況分析.....................................................................26

（二）國內(nèi)云計算應(yīng)用情況分析.....................................................................28

（三）云計算面臨的挑戰(zhàn).................................................................................29

五、國際云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作......................................................................................31

（一）國際云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作概述.................................................................31

（二）國際云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作分析.................................................................32

六、國內(nèi)云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作......................................................................................34

（一）國內(nèi)云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作概述.................................................................34

（二）云計算標(biāo)準(zhǔn)體系.....................................................................................35

1、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................38

2、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................39

3、整機(jī)裝備標(biāo)準(zhǔn)........................................................................................39

4、軟件標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................40

5、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................45

6、安全標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................47

7、其它標(biāo)準(zhǔn)................................................................................................48

七、如何實(shí)施云計算..................................................................................................48

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（一）云計算實(shí)施總路線.................................................................................48

（二）云服務(wù)水平協(xié)議（SLA）實(shí)施步驟.......................................................52

（三）云安全實(shí)施步驟.....................................................................................55

附錄AOpenStack開源云計算平臺介紹................................................................61

A.1OpenStack云計算平臺概述................................................................61

A.2OpenStackCompute.............................................................................61

A.3OpenStackObjectStorage...............................................................63

A.4OpenStackImageService.................................................................64

附錄B國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和協(xié)會的主要工作...........................................................66

B.1ISO/IECJTC1/SC7簡介......................................................................66

B.2ISO/IECJTC1/SC27簡介....................................................................66

B.3ISO/IECJTC1/SC38簡介....................................................................67

B.4ISO/IECJTC1/SC39簡介....................................................................67

B.5ITU-TSG13簡介..................................................................................68

B.6分布式管理任務(wù)組（DMTF）簡介.......................................................68

B.7云安全聯(lián)盟（CSA）簡介.....................................................................69

B.8歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所（ETSITCGRID）簡介...................................70

B.9美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）簡介.......................................71

B.10開放網(wǎng)格論壇開放云計算接口工作組（OGFOCCI－WG）簡介.......72

B.11全球網(wǎng)絡(luò)存儲工業(yè)協(xié)會（SNIA）簡介...............................................72

B.12開放云計算聯(lián)盟（OCC）簡介.............................................................73

B.13結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織（OASIS）簡介.........................................74

B.14開放組群（TOG）簡介.........................................................................74

B.15零售行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ARTS）簡介...............................................75

B.16電氣與電子工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEEESA）簡介.............................75

B.17云計算互操作論壇（CCIF）簡介.......................................................76

B.18開放云計算宣言（OCM）簡介.............................................................76

B.19云計算用戶案例討論組（CCUCDG）簡介...........................................76

B.20云審計（CloudAudit）簡介...............................................................77

B.21OMG云標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)組（OMGCloudStandardsCoordination）簡介77

B.22因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）簡介.......................................................77

B.23全球跨云技術(shù)論壇（GICTF）簡介.....................................................78

B.24TMForum云服務(wù)啟動組簡介..............................................................78

B.25亞洲云計算協(xié)會（ACCA）簡介...........................................................79

B.26世界無線通訊解決方案聯(lián)盟（ATIS）簡介.......................................79

B.27開放數(shù)據(jù)中心聯(lián)盟（ODCA）簡介.......................................................80

B.28云標(biāo)準(zhǔn)客戶委員會（CSCC）簡介.......................................................80

B.29歐洲云行業(yè)聯(lián)盟（EuroCloud）簡介.................................................81

B.30歐洲網(wǎng)絡(luò)和信息安全協(xié)會（ENISA）簡介.........................................81

B.31韓國云計算論壇（CCFK）簡介...........................................................82

B.32韓國云服務(wù)聯(lián)盟（KCSA）簡介...........................................................82

B.33云計算戰(zhàn)略研究小組（CSRT）簡介...................................................83

參考文獻(xiàn)......................................................................................................................84

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一、緒論

（一）背景

云計算作為一種IT基礎(chǔ)設(shè)施交付和使用模式，一種信息服務(wù)交付和使用模

式，一種基于互聯(lián)網(wǎng)共享信息資源的新型計算模式，近年來備受業(yè)界和各國政

府關(guān)注。全球云計算產(chǎn)業(yè)雖處于發(fā)展初期，但發(fā)展空間十分廣闊，Gartner報

告顯示，云計算服務(wù)市場規(guī)模總量目前僅占全球ICT市場總量的1/40，但增長

迅猛，未來幾年年均增長率預(yù)計將超過20%，到2015年，全球云計算服務(wù)市場

規(guī)模預(yù)計將達(dá)到1768億美元。眾多國內(nèi)外廠商圍繞云計算開發(fā)出大量的產(chǎn)品，

越來越多的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開始嘗試構(gòu)建在云平臺之上，基于云計算的解決方案也

在多個領(lǐng)域逐步開始實(shí)施，云計算市場方興未艾。與此同時，云服務(wù)的多樣性

以及資源平臺的異構(gòu)性為不同云之間的互連互通帶來了巨大挑戰(zhàn)。針對云計算

中的各個關(guān)鍵層面制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，成為屏蔽云服務(wù)多樣性和資源異構(gòu)性，搭建

一個互聯(lián)互通、安全可靠云計算環(huán)境的必要條件。

云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作是推動云計算技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用發(fā)展，以及行業(yè)信息化

建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工作之一。云計算相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也成為當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)

組織及協(xié)會的關(guān)注熱點(diǎn)。近年來，ISO、IEC、ITU等國際標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛啟動云計

算標(biāo)準(zhǔn)化工作并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織也啟動了云計算的標(biāo)

準(zhǔn)化研究及規(guī)劃工作。2012年9月20日成立了“全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員

會云計算標(biāo)準(zhǔn)工作組”（以下簡稱“云計算標(biāo)準(zhǔn)工作組”），開展我國云計算標(biāo)準(zhǔn)

化工作。在我國云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作中，一方面，梳理了國際標(biāo)準(zhǔn)組織及協(xié)會的

云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作，調(diào)研我國云計算標(biāo)準(zhǔn)化需求，參與我國云計算標(biāo)準(zhǔn)體系的

研制，并開展急需的云計算標(biāo)準(zhǔn)制定；另一方面，積極參與和推動國際云計算

標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作，以促進(jìn)國內(nèi)云計算標(biāo)準(zhǔn)工作與國際工作的協(xié)調(diào)開展。

為了推動我國云計算標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，支撐云計算產(chǎn)業(yè)

和應(yīng)用的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)我國與國際的云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作融合發(fā)展，中國電

子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院組織編寫了《云計算標(biāo)準(zhǔn)化白皮書》，本白皮書全面介紹了

云計算的關(guān)鍵支撐技術(shù)，系統(tǒng)分析了云計算在國內(nèi)外的應(yīng)用情況，重點(diǎn)梳理了

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國內(nèi)外云計算標(biāo)準(zhǔn)化組織和協(xié)會的工作進(jìn)展，最后提出了基于國家標(biāo)準(zhǔn)的我國

云計算實(shí)施步驟建議。

（二）范圍

《云計算標(biāo)準(zhǔn)化白皮書》將關(guān)注云計算的概念和發(fā)展趨勢、介紹云計算技

術(shù)的應(yīng)用情況、全面分析國內(nèi)外云計算標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀、同時結(jié)合我國云計算

的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用情況提出我國云計算實(shí)施步驟建議，為我國云計算產(chǎn)業(yè)落地應(yīng)用

提出參考意見。

（三）縮略語和習(xí)語

1、組織協(xié)會縮略語

A

ARTS:AssociationforRetailTechnologyStandards（零售行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）

C

CCIF:CloudComputingInteroperabilityForum（云計算互操作論壇）

CESI:ChinaElectronicsStandardizationInstitute（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院）

CSA:CloudSecurityAlliance（云安全聯(lián)盟）

CSRT:CloudStrategyResearchTeam（云計算戰(zhàn)略研究小組）

D

DMTF:DistributedManagementTaskForce（分布式管理任務(wù)組）

E

ETSI:TheEuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所）

EuroCloud:EuroCloud（歐洲云行業(yè)聯(lián)盟）

G

GICTF：GlobalInter-CloudTechnologyForum（全球跨云技術(shù)論壇）

I

IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers（電氣電子工程師學(xué)會）

ISO/IECJTC1SC7:InternationalOrganizationforStandardization/International

ElectrotechnicalCommissionJointTechnicalCommitteeSub-technicalCommittee7（國際標(biāo)準(zhǔn)

化組織/國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)委員會7分技術(shù)委員會）

ISO/IECJTC1SC38:InternationalOrganizationforStandardization/International

ElectrotechnicalCommissionJointTechnicalCommitteeSub-technicalCommittee38（國際標(biāo)準(zhǔn)

化組織/國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)委員會38分技術(shù)委員會）

ITU-T:InternationalTelecommunicationUnion–TelecommunicationStandardization

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Sector（國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部）

K

KCSA：KoreaCloudServiceAssociation（韓國云服務(wù)聯(lián)盟）

N

NIST:NationalInstituteofStandardsandTechnology（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）

O

OASIS:OrganizationfortheAdvancementofStructuredInformationStandards（結(jié)構(gòu)化

信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織）

OCC:TheOpenCloudConsortium（開放云計算聯(lián)盟）

OCM：OpenCloudManifesto（開放云計算宣言）

OGF:OpenGridForum（開放式網(wǎng)格論壇）

OMG:ObjectManagementGroup（對象管理組）

S

SNIA:StorageNetworkingIndustryAssociation（全球網(wǎng)絡(luò)存儲工業(yè)協(xié)會）

T

TOG:TheOpenGroup（開放群組）

2、技術(shù)術(shù)語縮略語

A

AJAX:AsynchronousJavaScriptandXML（異步JavaScript和XML）

C

CCRA：CloudComputingReferenceArchitecture（云計算參考架構(gòu)）

CDMI:CloudDataManagementInterface（云數(shù)據(jù)管理接口）

CRM:CustomerRelationshipManagement（客戶關(guān)系管理）

E

EC2:ElasticComputingCloud（彈性計算云）

G

GFS:GoogleFileSystem（Google文件系統(tǒng)）

H

HDFS:HadoopDistributedFileSystem（Hadoop分布式文件系統(tǒng)）

I

IaaS:InfrastructureasaService（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）

IAM:IdentityandAccessManagement（身份及訪問管理）

M

MPI:MessagePassingInterface（消息傳遞接口）

O

OCCI:OpenCloudComputingInterface（開放云計算接口）

OVF:OpenVirtualizationFormat（開放虛擬化格式）

P

PaaS:PlatformasaService（平臺即服務(wù)）

PUE：PowerUsageEffectiveness（電能利用率）

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R

REST:RepresentationalStateTransfer（表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移）

S

SaaS:SoftwareasaService（軟件即服務(wù)）

SLA:ServiceLevelAgreement（服務(wù)水平協(xié)議）

SOA:ServiceOrientedArchitecture（面向服務(wù)的體系架構(gòu)）

SPoF:SinglePointofFailure（單點(diǎn)登錄故障）

SSO:SingleSignOn（單點(diǎn)登錄）

S3：SimpleStorageService（簡單存儲服務(wù)）

V

VMM：VirtualMachineMonitor（虛擬機(jī)監(jiān)控器）

X

XAM:eXtensibleAccessMethod（可擴(kuò)展訪問方法）

二、云計算概述

（一）云計算的定義

隨著云計算的不斷發(fā)展，業(yè)界對云計算的定義認(rèn)識已趨于統(tǒng)一，目前云計

算的定義以ISO/IECJTC1和ITU-T組成的聯(lián)合工作組制定的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

17788《云計算詞匯與概述》（Informationtechnology–CloudComputing–Overview

andvocabulary）DIS版的定義為主。其定義為：

云計算是一種將可伸縮、彈性、共享的物理和虛擬資源池以按需自服務(wù)的

方式供應(yīng)和管理，并提供網(wǎng)絡(luò)訪問的模式。云計算模式由關(guān)鍵特征、云計算角

色和活動、云能力類型和云服務(wù)分類、云部署模型、云計算共同關(guān)注點(diǎn)組成。

（二）云計算的關(guān)鍵特征

《云計算概述與詞匯》中對云計算關(guān)鍵特征進(jìn)行了具體規(guī)定。這些關(guān)鍵特

征一方面可以幫助理解云計算的內(nèi)涵和外延，另一方面可以作為區(qū)別云計算和

其它各類計算模式的依據(jù)。云計算的關(guān)鍵特征為：

——廣泛的網(wǎng)絡(luò)接入。可通過網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制訪問物理和虛擬資源的

特性。這里的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制有助于通過異構(gòu)用戶平臺使用資源。這個關(guān)鍵特

性強(qiáng)調(diào)云計算使用戶更方便地訪問物理和虛擬資源：用戶可以從任何網(wǎng)

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絡(luò)覆蓋的地方，使用各種客戶端設(shè)備，包括移動電話、平板、筆記本和

工作站訪問資源。

——可測量的服務(wù)。通過可計量的服務(wù)交付使得服務(wù)使用情況可監(jiān)控、控

制、匯報和計費(fèi)的特性。通過該特性，可優(yōu)化并驗(yàn)證已交付的云服務(wù)。

這個關(guān)鍵特性強(qiáng)調(diào)客戶只需對使用的資源付費(fèi)。從客戶的角度看，云計

算為用戶帶來了價值，將用戶從低效率和低資產(chǎn)利用率的業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)變

到高效率模式。

——多租戶。通過對物理或虛擬資源的分配保證多個租戶以及他們的計算

和數(shù)據(jù)彼此隔離和不可訪問的特性。在典型的多租戶環(huán)境下，組成租戶

的一組云服務(wù)用戶同時也屬于一個云服務(wù)客戶組織。在某些情況下，尤

其在公有云和社區(qū)云部署模型下，一組云服務(wù)用戶由來自不同客戶的用

戶組成。一個云服務(wù)客戶組織和一個云服務(wù)提供者之間也可能存在多個

不同的租賃關(guān)系。這些不同的租賃關(guān)系代表云服務(wù)客戶組織內(nèi)的不同小

組。

——按需自服務(wù)。云服務(wù)客戶能根據(jù)需要自動，或通過與云服務(wù)提供者的

最少交互，配置計算能力的特性。這個關(guān)鍵特性強(qiáng)調(diào)云計算為用戶降低

了時間成本和操作成本，因?yàn)樵撎匦再x予了用戶無需額外的人工交互，

就能夠在需要的時候做需要做的事情的能力。

——快速的彈性和可擴(kuò)展性。物理或虛擬資源能夠快速、彈性，有時是自

動化地供應(yīng)，以達(dá)到快速增減資源目的的特性。對云服務(wù)客戶來說，可

供應(yīng)的物理或虛擬資源無限多，可在任何時間購買任何數(shù)量的資源，購

買量僅僅受服務(wù)協(xié)議的限制。這個關(guān)鍵特性強(qiáng)調(diào)云計算意味著用戶無需

再為資源量和容量規(guī)劃擔(dān)心。對客戶來說，如果需要新資源，新資源就

能立刻自動地獲得。資源本身是無限的，資源的供應(yīng)只受服務(wù)協(xié)議的限

制。

——資源池化。將云服務(wù)提供者的物理或虛擬資源進(jìn)行集成，以便服務(wù)于

一個或多個云服務(wù)客戶的特性。這個關(guān)鍵特性強(qiáng)調(diào)云服務(wù)提供者既能支

持多租戶，又通過抽象對客戶屏蔽了處理復(fù)雜性。對客戶來說，他們僅

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僅知道服務(wù)在正常工作，但是他們通常并不知道資源是如何提供或分布

的。資源池化將原本屬于客戶的部分工作，例如維護(hù)工作，移交給了提

供者。需要指出的是，即使存在一定的抽象級別，用戶仍然能夠在某個

更高的抽象級別指定資源位置。

（三）云能力類型和云服務(wù)類別

1、云能力類型

云能力類型是根據(jù)資源的使用情況，對為云服務(wù)客戶提供的云服務(wù)的功能

進(jìn)行的分類。有三類不同的云能力類型：應(yīng)用能力類型、基礎(chǔ)設(shè)施能力類型和

平臺能力類型。這三類能力類型有不同的關(guān)注點(diǎn)，即相互之間的功能交叉最少。

這些云能力類型不應(yīng)與云服務(wù)類別混淆。

——應(yīng)用能力類型。云服務(wù)客戶能使用云服務(wù)提供者的應(yīng)用的一類云能力

類型。

——基礎(chǔ)設(shè)施能力類型。云服務(wù)客戶能配置和使用計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源

的一類云能力類型。

——平臺能力類型。云服務(wù)客戶能使用云服務(wù)提供者支持的編程語言和執(zhí)

行環(huán)境，部署、管理和運(yùn)行客戶創(chuàng)建或客戶獲取的應(yīng)用的一類云能力類

型。

2、云服務(wù)類別

云服務(wù)類別是擁有相同質(zhì)量集的一組云服務(wù)。一種云服務(wù)類別可對應(yīng)一種

或多種云能力類型。

典型的云服務(wù)類別包括：

——通訊即服務(wù)（CaaS）。為云服務(wù)客戶提供實(shí)時交互與協(xié)作能力的一種

云服務(wù)類別。

——計算即服務(wù)（CompaaS）。為云服務(wù)客戶提供部署和運(yùn)行軟件所需的配

置和使用計算資源能力的一種云服務(wù)類別。

——數(shù)據(jù)存儲即服務(wù)（DSaaS）。為云服務(wù)客戶提供配置和使用數(shù)據(jù)存儲相

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關(guān)能力的一種云服務(wù)類別。

——基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）。為云服務(wù)客戶提供云能力類型中的基礎(chǔ)設(shè)

施能力類型的一種云服務(wù)類別。

——網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS）。為云服務(wù)客戶提供傳輸連接和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)能力的

一種云服務(wù)類別。

——平臺即服務(wù)（PaaS）。為云服務(wù)客戶提供云能力類型中的平臺能力類

型的一種云服務(wù)類別。

——軟件即服務(wù)（SaaS）。為云服務(wù)客戶提供云能力類型中的應(yīng)用能力類

型的一種云服務(wù)類別。

（四）典型的云計算部署模式

云計算有四類典型的部署模式：“公有云”、“私有云”、“社區(qū)云”和“混合

云”。具體描述如下：

——公有云。云基礎(chǔ)設(shè)施對公眾或某個很大的業(yè)界群組提供云服務(wù)。

——私有云。云基礎(chǔ)設(shè)施特定為某個組織運(yùn)行服務(wù)，可以是該組織或某個

第三方負(fù)責(zé)管理，可以是場內(nèi)服務(wù)（on-premises），也可以是場外服

務(wù)（off-premises）。

——社區(qū)云。云基礎(chǔ)設(shè)施由若干個組織分享，以支持某個特定的社區(qū)。社

區(qū)是指有共同訴求和追求的團(tuán)體（例如使命、安全要求、政策或合規(guī)性

考慮等）。和私有云類似，社區(qū)云可以是該組織或某個第三方負(fù)責(zé)管理，

可以是場內(nèi)服務(wù)，也可以是場外服務(wù)。

——混合云。云基礎(chǔ)設(shè)施由兩個或多個云（私有云、社區(qū)云或公有云）組

成，獨(dú)立存在，但是通過標(biāo)準(zhǔn)的或私有的技術(shù)綁定在一起，這些技術(shù)可

促成數(shù)據(jù)和應(yīng)用的可移植性（例如用于云之間負(fù)載分擔(dān)的cloud

bursting技術(shù)）。

（五）云計算參考架構(gòu)

在國家標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù)云計算參考架構(gòu)》中，對展示了云計算模式和其他

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計算模式之間的區(qū)別和聯(lián)系，同時，展示了不同角色之間的分工、合作和交互，

為云計算提供者和開發(fā)者搭建了一個基本的技術(shù)實(shí)現(xiàn)參考模型，該國家標(biāo)準(zhǔn)等

同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC17789《信息技術(shù)云計算參考架構(gòu)》(CloudComputing

ReferenceArchitecture)，簡稱CCRA。

CCRA從四個不同的視角描述了云計算，如圖1。

圖1架構(gòu)視角之間的轉(zhuǎn)換

CCRA包含了詳細(xì)的用戶視角和功能視角，并未包含實(shí)現(xiàn)視角和部署視角的

具體介紹。圖2給出了用戶視角向功能視角的轉(zhuǎn)換。

圖2用戶視角向功能視角的轉(zhuǎn)換

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用戶視角涉及云計算活動，角色和子角色，參與方，云能力類型和云服務(wù)

類別，云部署模型和共同關(guān)注點(diǎn)等云計算概念。見圖3。

圖3用戶視角實(shí)體

其中，角色是一組具有相同目標(biāo)的云計算活動的集合。其中云計算的角色

包括：云服務(wù)客戶，云服務(wù)提供者，云服務(wù)協(xié)作者。表1展示了云計算角色及

其包含的子角色，及活動。

表1CCRA角色、子角色和活動

角色子角色活動

云服務(wù)客戶云服務(wù)用戶使用云服務(wù)

云服務(wù)管理者執(zhí)行服務(wù)測試

監(jiān)控服務(wù)

管理安全策略

提供計費(fèi)和使用量報告

對問題報告的處理

管理租戶

業(yè)務(wù)管理者執(zhí)行業(yè)務(wù)管理

選擇和購買服務(wù)

獲取審計報告

云服務(wù)集成者連接ICT系統(tǒng)和云服務(wù)

云服務(wù)提供者云服務(wù)運(yùn)營管理者準(zhǔn)備系統(tǒng)

監(jiān)控和管理服務(wù)

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管理資產(chǎn)和庫存

提供審計數(shù)據(jù)

云服務(wù)部署管理者定義環(huán)境和流程、

定義度量指標(biāo)的收集、

定義部署步驟、

云服務(wù)管理者提供服務(wù)、

部署和配置服務(wù)、

執(zhí)行服務(wù)水平管理

云服務(wù)業(yè)務(wù)管理者管理提供云服務(wù)的業(yè)務(wù)計劃、

管理客戶關(guān)系、

管理財務(wù)流程

客戶支持和服務(wù)代表監(jiān)控客戶請求

跨云提供者管理同級的云服務(wù)；

執(zhí)行云服務(wù)的調(diào)節(jié)、聚集、仲裁、互

連或者聯(lián)合

云服務(wù)安全和風(fēng)險管理者管理安全和風(fēng)險

設(shè)計和實(shí)現(xiàn)服務(wù)的連續(xù)性

確保依從性

網(wǎng)絡(luò)提供者提供網(wǎng)絡(luò)連接、

交付網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、

提供網(wǎng)絡(luò)管理

云服務(wù)協(xié)作者云服務(wù)開發(fā)者設(shè)計、創(chuàng)建和維護(hù)服務(wù)組件

組合服務(wù)

測試服務(wù)

云審計者執(zhí)行審計

報告審計結(jié)果

云服務(wù)代理者獲取和評估客戶

選擇和購買服務(wù)

獲取審計報告

CCRA還有一個很重要的概念就是共同關(guān)注點(diǎn)，共同關(guān)注點(diǎn)指的是需要在不

同角色之間協(xié)調(diào)，且在云計算系統(tǒng)中一致實(shí)現(xiàn)的行為或能力。共同關(guān)注點(diǎn)包含

可審計性，可用性，治理，互操作性，維護(hù)和版本控制，性能，可移植性，隱

私，法規(guī)，彈性，可復(fù)原性，安全，服務(wù)水平和服務(wù)水平協(xié)議等。

CCRA認(rèn)為云計算功能架構(gòu)用一組高層的功能組件來描述云計算。功能組件

代表了為執(zhí)行與云計算相關(guān)的各種角色和子角色的云計算活動的功能集合。

功能架構(gòu)通過分層框架來描述組件。在分層框架中，特定類型的功能被分

組到各層中，相鄰層次的組件之間通過接口交互。

功能視圖涵蓋了功能組件，功能層和跨層功能等云計算概念，如圖4。

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圖4功能層

CCRA的分層框架包括4層，以及一個跨越各層的跨層功能集合。四層分別

是：用戶層、訪問層、服務(wù)層、資源層

跨越各層的功能稱為跨層功能。

分層框架如圖5所示。

圖5云計算層次框架

圖6展示了使用分層框架方式組織的對CCRA組件的高層次概述。

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圖6CCRA功能組件

圖7展示了用戶視圖如何提供云計算活動的集合，以及這些云計算活動在

功能視圖中如何表示（以及如何使用實(shí)現(xiàn)視圖中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)）。

圖7從用戶視圖到功能視圖

圖8展示了CCRA主要元素的常用配置，包括角色、云計算活動和組件。

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圖8CCRA主要元素的常用配置

圖9展示了角色、云計算活動和組件。箭頭表明多個云計算活動和多個角色

之間的關(guān)系。

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圖9活動和組件之間關(guān)系和交換示例

三、云計算支撐技術(shù)分析

通過對云計算參考架構(gòu)中不同角色、不同功能的分析，我們總結(jié)出云計算

的7類主要支撐技術(shù)，下面分別闡述這7類技術(shù)。

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1、系統(tǒng)虛擬化

系統(tǒng)虛擬化是指將一臺物理計算機(jī)系統(tǒng)虛擬化為一臺或多臺虛擬計算機(jī)系

統(tǒng)。每個虛擬計算機(jī)系統(tǒng)（簡稱虛擬機(jī)）都擁有自己的虛擬硬件（如CPU、內(nèi)存

和設(shè)備等），來提供一個獨(dú)立的虛擬機(jī)執(zhí)行環(huán)境。通過虛擬化層的模擬，虛擬機(jī)

中的操作系統(tǒng)認(rèn)為自己仍然是獨(dú)占一個系統(tǒng)在運(yùn)行。每個虛擬機(jī)中的操作系統(tǒng)

可以完全不同，并且它們的執(zhí)行環(huán)境是完全獨(dú)立的。這個虛擬化層被稱為虛擬

機(jī)監(jiān)控器（VirtualMachineMonitor，簡稱VMM）。系統(tǒng)虛擬化的體系結(jié)構(gòu)如圖

10所示。

虛擬機(jī)虛擬機(jī)

應(yīng)用程序應(yīng)用程序

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)

虛擬硬件抽象層虛擬硬件抽象層

虛擬化層

硬件抽象層

硬件

圖10系統(tǒng)虛擬化體系結(jié)構(gòu)圖

虛擬機(jī)可以看作是物理機(jī)的一種高效隔離的復(fù)制。虛擬機(jī)具有三個典型特

征：同質(zhì)、高效和資源受控。同質(zhì)指的是虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境和物理機(jī)環(huán)境在本質(zhì)

上需求是相同的，但是在表現(xiàn)上有一些差異。高效指的是虛擬機(jī)中運(yùn)行的軟件

需要具有接近在物理機(jī)上直接運(yùn)行的性能。資源受控指的是VMM需要對系統(tǒng)資

源有完全控制能力和管理權(quán)限，包括資源的分配、監(jiān)控和回收。

VMM對物理資源的虛擬可以歸結(jié)為三個主要任務(wù)：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化

和I/O虛擬化。CPU虛擬化是VMM中最核心的部分，決定了內(nèi)存虛擬化和I/O

虛擬化的正確實(shí)現(xiàn)。CPU虛擬化包括指令的模擬、中斷和異常的模擬及注入和對

稱多處理器技術(shù)的模擬。內(nèi)存虛擬化一方面解決了VMM和客戶機(jī)操作系統(tǒng)對物

理內(nèi)存認(rèn)識上的差異，另一方面在虛擬機(jī)之間、虛擬機(jī)和VMM之間進(jìn)行隔離，

防止某個虛擬機(jī)內(nèi)部的活動影響到其他的虛擬機(jī)甚至是VMM本身，從而造成安

全上的漏洞。I/O虛擬化主要是為了滿足多個客戶機(jī)操作系統(tǒng)對外圍設(shè)備的訪問

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需求，通過訪問截獲、設(shè)備模擬和設(shè)備共享等方式復(fù)用外設(shè)。

按照VMM提供的虛擬平臺類型可以將VMM分為兩類：完全虛擬化和半虛擬

化。完全虛擬化下，VMM虛擬的是現(xiàn)實(shí)存在的平臺。在客戶機(jī)操作系統(tǒng)看來，虛

擬的平臺和現(xiàn)實(shí)的平臺是一樣的，客戶機(jī)操作系統(tǒng)覺察不到運(yùn)行在一個虛擬平

臺上。這樣的虛擬平臺無需對現(xiàn)有的操作系統(tǒng)做任何修改。半虛擬化下，VMM

虛擬的平臺在現(xiàn)實(shí)中是不存在的。這樣的虛擬平臺需要對客戶機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行

修改使之適應(yīng)虛擬環(huán)境。操作系統(tǒng)知道自己運(yùn)行在虛擬平臺上，并且會主動去

適應(yīng)。

當(dāng)前主流的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以分為三類：Hypervisor模型、宿主模

型和混合模型。在Hypervisor模型中，VMM可以看作是一個擴(kuò)充了虛擬化功能

的操作系統(tǒng)，對底層硬件提供物理資源的管理功能，對上層的客戶機(jī)操作系統(tǒng)

提供虛擬環(huán)境的創(chuàng)建和管理功能。與Hypervisor不同，宿主模型中，VMM作為

宿主操作系統(tǒng)獨(dú)立的內(nèi)核模塊。物理資源由宿主機(jī)操作系統(tǒng)管理，VMM提供虛擬

化管理。宿主模型和Hypervisor模型的優(yōu)缺點(diǎn)恰好相反。宿主模型的最大優(yōu)點(diǎn)

是可以充分利用現(xiàn)有操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序以及其它功能，缺點(diǎn)是虛擬化效

率較低，安全性取決于宿主操作系統(tǒng)。而Hypervisor模型虛擬化效率高、安全，

但是需要自行開發(fā)設(shè)備驅(qū)動和其它一些功能。混合模型集成了上述兩類模型的

優(yōu)點(diǎn)。混合模型中，VMM讓出大部分I/O設(shè)備的控制權(quán)，將它們交由一個運(yùn)行在

特權(quán)虛擬機(jī)中的特權(quán)操作系統(tǒng)來控制。因此，混合模型下CPU和內(nèi)存的虛擬化

由VMM負(fù)責(zé)，而I/O虛擬化由VMM和特權(quán)操作系統(tǒng)共同合作完成。

2、虛擬化資源管理

虛擬化資源是云計算中最重要的組成部分之一，對虛擬化資源的管理水平

直接影響云計算的可用性、可靠性和安全性。虛擬化資源管理主要包括對虛擬

化資源的監(jiān)控、分配和調(diào)度。

云資源池中應(yīng)用的需求不斷改變，在線服務(wù)的請求經(jīng)常不可預(yù)測，這種動

態(tài)的環(huán)境要求云計算的數(shù)據(jù)中心或計算中心能夠?qū)Ω黝愘Y源進(jìn)行靈活、快速、

動態(tài)的按需調(diào)度。云計算中的虛擬化資源與以往的網(wǎng)絡(luò)資源相比，有以下特征：

(1)數(shù)量更為巨大；

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(2)分布更為離散；

(3)調(diào)度更為頻繁；

(4)安全性要求更高。

通過對虛擬化資源的特征分析以及目前網(wǎng)絡(luò)資源管理的現(xiàn)狀，確定虛擬化

資源的管理應(yīng)該滿足以下準(zhǔn)則：

(1)所有虛擬化資源都是可監(jiān)控和可管理的；

(2)請求的參數(shù)是可監(jiān)控的，監(jiān)控結(jié)果可以被證實(shí)；

(3)通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽可以對虛擬化資源進(jìn)行分配和調(diào)度；

(4)資源能高效地按需提供服務(wù)；

(5)資源具有更高的安全性。

在虛擬化資源管理調(diào)度接口方面，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（Representational

StateTransfer，簡稱REST）有能力成為虛擬化資源管理強(qiáng)有力的支撐。REST

實(shí)際上就是各種規(guī)范的集合，包括Http協(xié)議、客戶端/服務(wù)器模式等。在原有

規(guī)范的基礎(chǔ)上增加新的規(guī)范，就會形成新的體系結(jié)構(gòu)。而REST正是這樣一種體

系結(jié)構(gòu)，它結(jié)合了一系列的規(guī)范形成了一種新的基于Web的體系結(jié)構(gòu)，使其更

有能力來支撐云計算中虛擬化資源對管理的需求。

3、分布式數(shù)據(jù)存儲

分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲。其中，非

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲主要采用文件存儲和對象存儲技術(shù)，而結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲主要采

用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，特別是NoSQL數(shù)據(jù)庫。下面分別闡述這三方面的技術(shù)：

（1）分布式文件系統(tǒng)

為了存儲和管理云計算中的海量數(shù)據(jù)，Google提出分布式文件系統(tǒng)GFS

（GoogleFileSystem）。GFS成為分布式文件系統(tǒng)的典型案例。ApacheHadoop

項(xiàng)目的HDFS實(shí)現(xiàn)了GFS的開源版本。

GoogleGFS是一個大規(guī)模分布式文件存儲系統(tǒng)，但是和傳統(tǒng)分布式文件存

儲系統(tǒng)不同的是，GFS在設(shè)計之初就考慮到云計算環(huán)境的典型特點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)由廉價

不可靠PC構(gòu)建，因而硬件失敗是一種常態(tài)而非特例；數(shù)據(jù)規(guī)模很大，因而相應(yīng)

的文件I/O單位要重新設(shè)計；大部分?jǐn)?shù)據(jù)更新操作為數(shù)據(jù)追加，如何提高數(shù)據(jù)

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追加的性能成為性能優(yōu)化的關(guān)鍵。相應(yīng)的GFS在設(shè)計上有以下特點(diǎn)：

利用多副本自動復(fù)制技術(shù)，用軟件的可靠性來彌補(bǔ)硬件可靠性的不足。

將元數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)分開，用單點(diǎn)或少量的元數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行元數(shù)據(jù)管

理，大量的用戶數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)存儲分塊的用戶數(shù)據(jù)，規(guī)模可以達(dá)到PB級。

面向一次寫多次讀的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，將存儲與計算結(jié)合在一起，利用分

布式文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的位置相關(guān)性進(jìn)行高效的并行計算。

GFS/HDFS非常適于進(jìn)行以大文件形式存儲的海量數(shù)據(jù)的并行處理，但是，

當(dāng)文件系統(tǒng)的文件數(shù)量持續(xù)上升時，元數(shù)據(jù)服務(wù)器的可擴(kuò)展性面臨極限。以HDFS

為例，只能支持千萬級的文件數(shù)量，如果用于存儲互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的小文件則有困

難。在這種應(yīng)用場景面前，分布式對象存儲系統(tǒng)更為有效。

（2）分布式對象存儲系統(tǒng)

與分布式文件系統(tǒng)不同，分布式對象存儲系統(tǒng)不包含樹狀名稱空間

（Namespace），因此在數(shù)量增長時可以更有效地將元數(shù)據(jù)平衡地分布到多個結(jié)

點(diǎn)上，提供理論上無限的可擴(kuò)展性。

對象存儲系統(tǒng)是傳統(tǒng)的塊設(shè)備的延伸，具有更高的“智能”：上層通過對

象ID來訪問對象，而不需要了解對象的具體空間分布情況。相對于分布式文件

系統(tǒng)，在支撐互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時，對象存儲系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

相對于文件系統(tǒng)的復(fù)雜API，分布式對象存儲系統(tǒng)僅提供基于對象的創(chuàng)

建、讀取、更新、刪除的簡單接口，在使用時更方便而且語義沒有歧義。

對象分布在一個平坦的空間中，而非文件系統(tǒng)那樣的名稱空間之中，這

提供了很大的管理靈活性：既可以在所有對象之上構(gòu)建樹狀邏輯結(jié)構(gòu)；

也可以直接用平坦的空間；還可以只在部分對象之上構(gòu)建樹狀邏輯結(jié)

構(gòu)；甚至可以在同一組對象之上構(gòu)建多個名稱空間。

Amazon的S3就屬于對象存儲服務(wù)。S3通過基于HttpREST的接口進(jìn)行數(shù)

據(jù)訪問，按照用量和流量進(jìn)行計費(fèi)，其他的云服務(wù)商也都提供了類似的接口服

務(wù)。很多互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商，如Facebook等也都構(gòu)建了對象存儲系統(tǒng)，用于存儲圖

片、照片等小型文件。

（3）分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)的單機(jī)數(shù)據(jù)庫采用“向上擴(kuò)展”的思路來解決計算能力和存儲能力的

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問題，即增加CPU處理能力、內(nèi)存和磁盤數(shù)量。這種系統(tǒng)目前最大能夠支持幾

個TB數(shù)據(jù)的存儲和處理，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。采用集群設(shè)計的分布式數(shù)據(jù)庫

逐步成為主流。傳統(tǒng)的集群數(shù)據(jù)庫的解決方案大體分為以下兩類：

Share-Everything（Share-Something）。數(shù)據(jù)庫結(jié)點(diǎn)之間共享資源，例

如磁盤、緩存等。當(dāng)結(jié)點(diǎn)數(shù)量增大時，結(jié)點(diǎn)之間的通信將成為瓶頸；而

且處理各個結(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)的訪問控制也為事務(wù)處理帶來麻煩。

Share-Nothing。所有的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間并不共享任何信息。當(dāng)任意

一個結(jié)點(diǎn)接到查詢?nèi)蝿?wù)時，都會將任務(wù)分解到其他所有的結(jié)點(diǎn)上面，每

個結(jié)點(diǎn)單獨(dú)處理并返回結(jié)果。但由于每個結(jié)點(diǎn)容納的數(shù)據(jù)和規(guī)模并不相

同，因此如何保證一個查詢能夠被均衡地分配到集群中成為一個關(guān)鍵問

題。同時，結(jié)點(diǎn)在運(yùn)算時可能從其他結(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，這同樣也延長了數(shù)

據(jù)處理時間。在處理數(shù)據(jù)更新請求時，Share-Nothing數(shù)據(jù)庫需要保證

多結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性，需要快速準(zhǔn)確定位到數(shù)據(jù)所在結(jié)點(diǎn)。

云計算環(huán)境下，大部分應(yīng)用不需要支持完整的SQL語義，而只需要

Key-Value形式或略復(fù)雜的查詢語義。在這樣的背景下，進(jìn)一步簡化的各種NoSQL

數(shù)據(jù)庫成為云計算中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲的重要技術(shù)。

Google的BigTable是一個典型的分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。在表中，數(shù)

據(jù)是以“列族”為單位組織的，列族用一個單一的鍵值作為索引，通過這個鍵

值，數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的操作都可以被分布到多個結(jié)點(diǎn)上進(jìn)行。

在開源社區(qū)中，ApacheHBase使用了和BigT