[计算机科学] 云计算技术课件

云计算技术云计算已成为推动全球数字化转型的核心技术，市场规模已超过亿4000美元并持续快速增长这项革命性技术正在重塑各行各业的基础设施和IT业务模式，预计到年企业基础设施中云计算比例将超过2025IT60%课程目标1理解云计算基本概念与核心架构掌握云计算的定义、特征和发展历程，深入了解各种服务模式和部署模型的本质区别2掌握各种云服务模式与部署模型熟练掌握、、等服务模式，以及公有云、私有云、混合SaaS PaaSIaaS云的部署策略3学习主流云技术与实战应用深入学习虚拟化、容器、微服务等核心技术，并通过实际案例掌握应用方法了解云计算最新发展趋势与前沿技术第一部分云计算概述定义与起源云计算的核心概念和历史发展基本特征五大基本特征的深入分析服务模式、、等模式SaaS PaaSIaaS技术体系核心技术架构与实现云计算的定义核心概念关键特点云计算是一种基于互联网的共享计算资源交付模型，它将计云计算具有按需自助服务、广泛网络访问、资源池化、快速弹算、存储、网络等资源虚拟化并通过网络提供给用户这种性伸缩和可计量服务五大基本特征用户无需了解底层技术细IT模式实现了资源的按需分配和弹性扩展，用户可以随时随地通节，就能获得强大的计算能力和灵活的资源配置，这种抽象化过网络访问所需的计算服务的服务模式极大地简化了管理的复杂性IT云计算的起源与发展年概念萌芽11961在提出公共事业计算概念，预言计John McCarthyMIT算能力将像水电一样按需提供给用户使用2年先驱1999SaaS公司开创了软件即服务（）的商业模式，Salesforce SaaS通过互联网提供应用服务CRM年商业化元年32006亚马逊推出，首次将云计算从概念转化为可大规模商AWS用的服务平台4年快速发展2008-

2010、微软、阿里云等科技巨头相继推出云服务，云计算Google市场开始爆发式增长年后成熟期52020多云、混合云成为主流架构，云原生技术栈日趋完善，云计算进入全面普及阶段云计算基本特征按需自助服务广泛网络访问资源池化用户可以根据需要自主申请云服务通过标准网络协议提物理和虚拟资源被整合成资和释放计算资源，无需人工供，支持多种客户端设备访源池，采用多租户模型为多干预通过界面或问，包括手机、平板、笔记个用户动态分配资源用户Web API即可完成资源的快速配置，本电脑和工作站等，实现了通常不知道资源的确切物理大大提高了资源使用的灵随时随地的服务访问位置，但可以指定更高级别IT活性和效率的位置快速弹性伸缩能够快速弹性地配置资源，在某些情况下可以自动伸缩对用户而言，可用于配置的资源通常看起来是无限的，用户可以随时购买任意数量的资源云计算服务模式SaaS服务特点典型应用软件即服务（）通过网络开创了云服务SaaS SalesforceCRM交付完整的应用程序，用户无先河，提供办公套Office365需购买软件许可证或维护底层件云化版本，钉钉等企业协作基础设施应用程序在云端运平台实现了移动办公的全面云行，用户通过浏览器或客户端化这些应用覆盖了从企业管访问，享受即开即用的便利理到日常办公的各个场景核心优势用户无需关心软件安装、升级和维护，降低了管理成本和技术门IT槛按订阅付费模式让成本更加可控，多租户架构实现了资源的高效利用和成本分摊云计算服务模式PaaS典型案例简化流程提供了强大的应用开发环境Google AppEngine Web大大简化了应用开发和维护流程，提供开发平台，阿里云（应用引PaaS SAEServerless平台即服务（）提供完整的应用开发、了自动化的构建、测试和部署工具链支持擎）支持微服务架构的快速部署，这些平台PaaS测试和部署环境，包括编程语言运行时、数多种编程语言和框架，让开发团队能够快速都体现了在提升开发效率方面的巨大价PaaS据库、服务器等组件开发者可以专注构建和迭代应用值Web于应用逻辑开发，无需管理底层基础设施云计算服务模式IaaS虚拟化资源最灵活的云服务模式1计算存储网络2提供完整的基础设施按需弹性扩展3根据业务需求调配资源基础设施即服务（）提供虚拟化的计算、存储和网络资源，用户可以像使用物理设备一样管理这些虚拟资源、阿里IaaS AWSEC2云、腾讯云等都是典型的服务，它们为用户提供了高度灵活的基础设施环境ECS CVMIaaS的核心优势在于按需调配和弹性扩展能力，用户可以根据实际业务需求快速增减资源，实现成本的精确控制这种模式特别适合IaaS有自主技术能力的企业，能够在保持技术控制权的同时享受云计算的便利云计算新兴服务模式DaaS AIaaS数据即服务，提供数据处理、人工智能即服务，将机器学习分析和存储的一体化云服务解和能力封装为易用的云服AI决方案务接口FaaS XaaS函数即服务，无服务器计算的一切即服务，涵盖所有可能的核心，开发者只需关注业务逻云服务形态，代表云计算的最辑代码终发展方向云计算部署模式公有云私有云混合云多云策略由第三方云服务提供商拥有专为单一组织构建和使用的结合公有云和私有云的优同时使用多个云服务提供商和运营，向公众提供云服云环境，通常部署在企业内势，实现资源的灵活调配和的服务，避免供应商锁定风务、阿里云、腾讯部数据中心使用成本优化核心业务可部署险，提高可用性和灵活性AWS云等都属于公有云范畴具等开源平台或在私有云保障安全，突发需需要统一的多云管理平台来OpenStack有成本低、扩展性强、免维商业解决方案构建，提供更求可扩展到公有云，是很多协调不同云平台的资源和服护等优势，适合大多数中小高的安全性和控制能力大企业的首选方案务企业使用云计算的价值与优势60%成本降低企业成本平均减少幅度，从资本支出转为运营支出模式IT85%部署提速相比传统部署，云计算可将应用上线时间缩短至原来的IT15%

99.9%可用性保障主流云服务商提供的服务可用性承诺水平SLA倍3敏捷性提升企业业务创新和响应市场变化的速度提升倍数云计算通过按需付费模式显著降低了企业的投入成本，同时提供了前所未有的业务敏捷性企业可以快速部署新应用，弹性扩展资IT源，专注于核心业务创新而非基础设施管理第二部分云计算核心技术虚拟化技术云计算的基础支撑技术分布式存储2海量数据存储与管理网络虚拟化软件定义网络与NFV容器与微服务云原生应用架构资源调度管理智能化运维与优化虚拟化技术概述资源抽象将物理硬件资源抽象为逻辑资源，实现硬件与软件的解耦通过虚拟化层统一管理底层硬件，为上层应用提供标准化的资源接口利用率提升虚拟化技术可将服务器利用率从传统的提升到，大幅5-15%60-80%降低硬件投资成本和数据中心空间需求隔离与共享在同一物理设备上运行多个独立的虚拟环境，既实现了资源的充分利用，又保证了不同租户之间的安全隔离动态管理支持虚拟机的快速创建、复制、迁移和删除，实现了计算资源的动态分配和负载均衡服务器虚拟化技术核心架构Hypervisor Type1虚拟机管理程序是虚拟化的核心组裸金属虚拟化，如和VMware ESXi件，负责创建和管理虚拟机环境，直接运行在物理硬件上Xen硬件虚拟化架构Type

2、内存、设备的虚拟化技术确宿主型虚拟化，如，运行CPU I/O VirtualBox保虚拟机的高性能运行在主机操作系统之上容器技术特性传统虚拟机容器技术启动时间分钟级秒级资源占用级内存级内存GB MB隔离级别硬件级隔离进程级隔离部署密度低高容器技术是一种轻量级的虚拟化解决方案，通过共享主机操作系统内核来实现应用的隔离运行容器标准和生态系统的建立，使得应用打包、分Docker发和部署变得极其简便容器镜像构建与分发机制让应用部署实现了一次构建，随处运行的理想状态这种技术特别适合微服务架构和云原生应用开发，已成为现代应用部署的主流方式（）Kubernetes K8s容器编排标准已成为容器编排平台的事实标准，提供了自动化部署、扩Kubernetes展和管理容器应用的完整解决方案核心概念作为最小部署单元，管理应用生命周期，提Pod DeploymentService供网络访问，这些概念构成了的核心架构K8s声明式API通过配置文件描述期望状态，控制器模式确保实际状态与期望YAML状态一致，实现了真正的基础设施即代码云原生基础作为云原生应用的基础平台，支持微服务架构，提供了服务发现、K8s负载均衡、自动伸缩等关键能力分布式存储技术对象存储分布式文件系统分布式块存储兼容的对象存储服务和等分等块存储系S3HDFS GlusterFSCeph RBD和等开源方案，为布式文件系统，通过数据统为虚拟机和容器提供高MinIO海量非结构化数据提供高分片和多副本机制，实现性能的持久化存储，支持扩展性的存储解决方案，了级数据的可靠存储快照、克隆等高级功能PB支持访问和高并发访问RESTful API数据保护多副本和纠删码技术确保数据的可靠性，存储虚拟化技术简化了存储资源的管理和分配网络虚拟化技术软件定义网络网络功能虚拟化将网络控制平面与数据平面将传统网络设备的功能虚拟SDN NFV分离，通过集中式控制器实现网化为软件，运行在通用服务器络的可编程管理协上虚拟防火墙、负载均衡器、OpenFlow议和控制器技术让网络配置变得网关等网络功能可以按需部VPN灵活高效，支持复杂的网络策略署和扩展和服务链虚拟网络基础设施虚拟网络接口、虚拟交换机和虚拟路由器构成了云环境的网络基础设施网络安全隔离机制确保多租户环境下的网络安全云计算安全技术身份访问管理统一身份认证与授权数据加密保护传输与存储数据安全网络安全防护边界防护与入侵检测合规性审计安全合规与风险管控责任共担模型云商与用户的安全责任划分云计算安全采用多层防护体系，从身份认证到数据保护，从网络隔离到合规审计，构建全方位的安全保障机制安全责任共担模型明确了云服务商和用户各自的安全职责范围资源调度与管理技术智能监控实时监控云资源的使用情况和性能指标，通过大数据分析和机器学习算法，实现资源使用模式的预测和优化建议，为智能调度提供数据支撑自动化调度基于负载预测和资源约束的智能调度算法，实现作业的自动分配和资源的动态调整支持多种调度策略，如优先级调度、公平调度和资源预留机制运维自动化工具链和基础设施即代码实现了运维工作的自动化从DevOps配置管理到故障恢复，从性能优化到成本控制，全面提升运维效率和服务质量多租户技术租户隔离数据安全通过虚拟化和容器技术实现租户间的资源采用加密存储、访问控制和审计日志等机隔离，确保数据安全和性能不受影响制，保护租户数据的机密性和完整性架构设计计量计费多租户架构设计模式包括共享数据库、独精确计量各租户的资源使用量，实现按需立数据库和混合模式，平衡安全性和成本付费和配额管理的公平计费机制效益弹性伸缩技术负载监控实时监控、内存、网络等资源使用率CPU水平扩展增加实例数量来处理增长的负载需求垂直扩展提升单个实例的配置规格和性能自动调节基于预设策略自动执行伸缩操作弹性伸缩是云计算的核心特征之一，通过自动伸缩机制设计，系统能够根据实际负载需求动态调整资源配置基于负载的自动伸缩策略结合了时间触发和事件触发两种模式，确保在业务高峰期提供充足资源，在低谷期节约成本弹性架构设计原则要求应用具备无状态特性和水平扩展能力，通过负载均衡器分发请求，实现真正的按需伸缩这种架构不仅提高了系统的可用性和性能，还大大降低了运营成本云原生技术栈微服务架构容器化部署流水线服务网格CI/CD将单体应用拆分为独立的微使用等容器技术打持续集成和持续部署自动化提供了微服Docker ServiceMesh服务，每个服务专注于特定包应用及其依赖，配合了代码从开发到生产的整个务间的通信基础设施，包括的业务功能服务间通过轻进行编排管流程通过自动化测试、构服务发现、负载均衡、故障Kubernetes量级通信协议（如理容器化确保了应用在不建和部署，大大提高了软件恢复、监控和安全等功能或消息队列）同环境中的一致性运行，简交付的速度和质量，支持敏等服务网格产品简化了HTTP/REST Istio进行交互，实现了系统的模化了部署和运维工作捷开发和实践微服务的管理复杂度DevOps块化和可维护性第三部分云平台架构与实现公有云架构分析深入分析、阿里云等主流公有云平台的技术架构和设计AWS理念开源云平台等开源云平台的组件架构和企业级部署实践OpenStack容器云平台基于的容器云平台架构设计和运维管理Kubernetes混合云架构公有云与私有云的集成模式和统一管理策略公有云平台架构25+全球区域在全球部署的地理区域数量，确保就近服务和数据主权AWS

99.99%高可用性多可用区架构设计实现的服务可用性水平200+云服务种类主流公有云平台提供的不同类型云服务总数分钟15故障恢复灾备系统的平均故障恢复时间目标公有云平台采用区域和可用区的层次化架构设计，确保服务的高可用性和灾难恢复能力全球资源调度策略通过智能路由和负载均衡，为用户提供最佳的访问体验服务级别协议（）保障体系从基础设施到应用服务的多个层面提供可用性承诺，配合完善的监控告警和自动故障转移机制，确保业SLA务的连续性运行开源云平台OpenStack核心组件架构特点提供计算服务管理虚拟机采用松耦合的微服务架构，各组Nova生命周期，对象存储处理件通过进行通信Swift RESTfulAPI海量非结构化数据，块支持多种虚拟化技术和存储后Cinder存储为虚拟机提供持久化存储，端，具有良好的扩展性和灵活网络服务实现复杂的网性，是构建私有云和混合云的主Neutron络拓扑和安全策略流选择企业实践在企业级部署中需要考虑高可用性设计、性能调优和运维自动化通过编排服务实现基础设施即代码，仪表板提供统一的管理界Heat Horizon面，简化日常运维工作容器云平台架构控制平面节点运行服务器、调度器和控制器Master API工作节点运行和容器的实际计算资源Pod网络存储网络插件和存储接口CNI CSI运维监控日志收集、监控告警和运维自动化集群架构设计遵循主从模式，控制平面负责集群状态管理和决策，工作节点执行实际的容器运行任务网络模型采用扁平化设计，每个都有Kubernetes Pod独立的地址，简化了服务发现和通信IP存储方案支持多种持久化卷类型，从本地存储到分布式存储系统都能无缝集成集群的高可用和扩展性通过多节点和水平扩展工作节点来实现，运维Master管理依托丰富的云原生工具生态混合云架构设计网络连接统一身份通过专线、或技术实现建立跨云的统一身份认证和访问管理VPN SD-WAN公有云与私有云的安全连接，确保数体系，用户可以使用同一套凭据访问据传输的可靠性和安全性不同云环境的资源统一管理数据同步通过混合云管理平台实现跨云资源的制定数据分层策略，核心数据保存在统一监控、调度和运维，提供一致的3私有云，归档数据存储在公有云，实用户体验现成本和安全的平衡云计算性能优化计算优化存储优化网络优化通过亲和性设置、内采用存储提升性使用和技术CPU SSDIOPS SR-IOV DPDK存大页配置和拓扑能，配置存储缓存和预读提升网络吞吐量，优化NUMA优化，提升虚拟机和容器策略优化文件系统参数参数和缓冲区大小TCP的计算性能合理选择实和调度算法，减少存储部署和负载均衡器，I/O CDN例规格和架构，匹配访问延迟减少网络延迟CPU应用的计算特征应用优化应用程序云化适配包括状态管理、缓存策略和数据库连接池优化性能测试工具帮助识别瓶颈和优化机会云计算计费模型第四部分云计算应用与实践企业应用云化传统企业应用向云端迁移的策略、方法和最佳实践，包括应用评估、迁移规划和风险控制大数据与云服务AI基于云平台的大数据处理框架和人工智能服务，实现数据驱动的业务创新和智能决策物联网云平台设备连接管理、数据采集处理和边缘计算协同，构建完整的物联网云解IoT决方案云实践DevOps在云环境中实施理念，实现持续集成、持续部署和自动化运维的最DevOps佳实践企业应用云迁移策略应用评估对现有应用进行全面评估，分析技术架构、业务依赖和迁移复杂度评估指标包括应用的云就绪度、数据敏感性、性能要求和合规性需求迁移规划制定分阶段的迁移计划，优先迁移风险较低、价值较高的应用考虑应用间的依赖关系，制定合理的迁移顺序和时间窗口迁移执行使用云迁移工具和服务，如、阿里云迁云工具等，AWS MigrationHub自动化迁移过程建立迁移测试环境，验证应用功能和性能风险控制建立回滚机制和应急预案，制定数据备份和恢复策略进行充分的测试验证，确保迁移过程的安全性和可靠性企业云平台建设云管理平台统一管理界面和API安全合规体系身份认证与数据保护自动化运维监控告警与故障处理基础设施层计算存储网络资源池企业云平台建设遵循分层架构和标准化设计原则，从基础设施虚拟化到上层应用服务，构建完整的云计算能力标准化与自动化实践贯穿整个建设过程，确保平台的可维护性和扩展性容灾备份与业务连续性规划是企业云平台的重要组成部分，通过多站点部署和数据同步机制，保障关键业务的高可用性技术选型和架构决策需要综合考虑业务需求、技术成熟度和长期发展规划大数据云服务处理框架数据湖与仓库实时处理分析可视化生态系统提供了分数据湖架构支持多种格式数、和云端大数据分析平台集成了Hadoop ApacheKafka Storm布式存储和计算能力，据的统一存储，保持数据的等流处理框架实现了机器学习算法和可视化工Flink存储海量数据，原始形态和完整性数据仓实时数据摄取和分析批处具，支持自助式数据分析和HDFS和实现库云服务如理与流处理的架构商业智能报告数据治理和MapReduce YARNAmazon Lambda大规模数据处理框、阿里云确保了数据处理的完整性和数据安全机制确保数据质量Spark Redshift架支持内存计算，大幅提升提供高性能的实时性，满足不同业务场景和合规使用AnalyticDB数据处理性能，特别适合迭结构化数据分析能力的需求代计算和机器学习场景与机器学习云服务AI预训练服务加速计算云平台提供丰富的预训练模型和服务，API平台MLaaS和云资源为深度学习提供强大的并涵盖计算机视觉、自然语言处理、语音识别GPU TPU机器学习即服务平台提供了从数据预处理到行计算能力弹性集群支持大规模模型等领域开发者可以直接调用这些服务，快GPU模型训练、评估和部署的全流程工具链支训练，按需付费模式大大降低了研发成速构建智能应用，无需从零开始训练模型AI持多种机器学习框架如、本，让更多企业能够应用人工智能技术TensorFlow和，降低了应用开PyTorch Scikit-learn AI发的技术门槛物联网云平台设备连接管理边缘计算协同支持多种通信协议和设备类型的接边缘节点就近处理数据，减少网络延入，提供设备认证、注册和生命周期1迟，云端负责复杂分析和决策，实现管理功能云边协同数据分析安全管理实时流式数据处理和批量数据分析，端到端的安全保障，包括设备身份认4提供设备监控、故障预测和业务优化证、数据加密传输和访问权限控制insights云实践DevOps3持续集成持续部署基础设施即代码监控运维自动化代码构建、测试和质量自动化应用部署和发布流程，通过代码管理基础设施配置，全方位监控应用和基础设施，检查，及时发现和修复问题支持蓝绿部署和灰度发布实现环境的版本控制和自动化实现智能告警和自动化运维云实践将开发和运维深度融合，通过自动化工具链和云原生技术，实现了软件交付的高效率和高质量基础设施即代码（）使得环境配置标DevOps IaC准化和可重复，大大减少了环境差异导致的问题实践将安全左移，在开发流程中集成安全检查和合规验证云原生监控与日志管理体系提供了全栈可观测性，帮助团队快速定位和解决问DevSecOps题，持续提升系统的稳定性和性能云原生应用开发微服务设计无状态架构弹性设计遵循单一职责原则，将复杂应用拆分应用设计为无状态模式，状态信息存实现服务的自动发现和负载均衡，支为独立的微服务每个服务有明确的储在外部数据库或缓存中这种设计持动态扩缩容采用断路器模式和重业务边界，独立开发、测试和部署支持水平扩展和容器化部署，提高了试机制提高系统的容错能力，通过健优先设计确保服务间的松耦合，应用的弹性和可靠性分布式状态管康检查和自动故障转移确保服务的高API支持不同技术栈的混合使用理使用、等专门的存储系可用性Redis Etcd统。