《云计算架构原理》课件

云计算架构原理云计算已成为现代企业数字化转型的核心技术，从基础架构到应用服务，云计算正在重新定义我们获取和使用计算资源的方式本课程将深入探讨云计算架构的核心原理，包括基础知识与架构设计、实用理论与实践案例介绍，以及年云计算技术发展趋势2025课程概述1云计算定义与发展历程从虚拟化技术诞生到云原生时代，了解云计算的演进历程和核心概念2云计算架构模型与组件深入学习、、服务模型和云计算核心技术架构IaaS PaaSSaaS3主流云计算平台分析对比分析、阿里云、腾讯云等主流云服务提供商的技术特点AWS云计算安全与管理什么是云计算？按需提供计算资源资源池化与弹性伸缩云计算是一种基于互联网的计算通过资源池化技术实现计算资源模式，能够按需提供可配置的计的统一管理和动态分配，支持根算资源池，包括网络、服务器、据业务需求自动扩展和收缩资源存储、应用程序和服务规模按需付费模式采用按使用量付费的商业模式，用户只需为实际使用的资源付费，大幅降低基础设施的投资成本IT云计算的发展历程年代虚拟化技术诞生11960大型机引入虚拟化概念，为云计算奠定了技术基础，实现IBM了硬件资源的抽象化和共享2年推出模式1999Salesforce SaaS率先推出基于的服务，开创了软件即服务Salesforce WebCRM的商业模式，标志着云计算商业化的开始年推出32006Amazon AWS的发布标志着现代云计算时代的到来，Amazon WebServices和服务成为的典型代表EC2S3IaaS4年微软、阿里云成立2010Azure全球主要技术公司纷纷进入云计算市场，形成了多元化的云服务生态系统年至今云原生技术崛起52015容器化、微服务、等云原生技术快速发展，推动Kubernetes云计算向更加智能化和自动化方向演进云计算的基本特征可扩展性与弹性资源池化与多租户按需自助服务广泛的网络访问支持计算资源的快速扩用户可以通过自助服务通过标准网络协议和多展和收缩，能够根据业通过虚拟化技术将物理界面按需获取计算资种终端设备访问云服务负载变化自动调整资资源抽象为资源池，支源，无需人工干预，大务，支持移动办公和远源配置，确保应用性能持多个用户共享底层基幅提升资源交付效率程协作的业务需求稳定础设施，提高资源利用效率云计算架构概述管理层监控、安全、计费管理1应用层2应用与业务服务SaaS平台层3开发与运行环境PaaS虚拟化层4计算、存储、网络虚拟化基础设施层5物理服务器、存储、网络设备云计算服务模型软件即服务SaaS1直接提供应用软件服务平台即服务PaaS2提供应用开发平台基础设施即服务IaaS3提供基础计算资源云计算服务模型按照抽象层次分为三个主要类别，每个层次都建立在下一层的基础上提供最基础的计算、存储和网络资源；IaaS在基础上提供应用开发和部署平台；则直接向用户提供完整的应用软件服务这种分层架构使得用户可以根据自身需PaaS IaaSSaaS求选择合适的服务层次，实现成本优化和管理简化基础设施即服务IaaS核心特征适用场景与产品提供虚拟化的计算、存储和网络资源，用户可以在云端运特别适合需要灵活控制基础设施的场景，如开发测试环IaaS IaaS行任意操作系统和应用程序用户负责操作系统管理、应用部署境、应用托管、大数据处理等主要代表产品包括Web AWS和数据管理，而云服务商负责底层硬件维护、阿里云、腾讯云等EC2ECS CVM•虚拟机实例管理•基础设施快速扩展•弹性存储服务•开发测试环境搭建•虚拟网络配置•灾难恢复与备份•负载均衡器•高性能计算任务平台即服务PaaS应用开发运行环境提供完整的开发工具链支持多种编程语言和框架•集成环境IDE•Java/.NET/Python/Node.js12•版本控制系统•数据库服务•调试测试工具•中间件组件集成部署管理DevOps开发运维一体化支持自动化应用部署和扩缩容43•敏捷开发•流水线CI/CD快速迭代•容器编排••协作工具•服务监控软件即服务SaaS零部署成本用户无需安装和配置软件，通过浏览器即可直接使用完整的应用程序，大幅降低部署和维护成本IT订阅付费模式采用按用户数或使用量的订阅制收费模式，用户可以根据实际需求灵活调整服务规模，避免软件许可证的高额投资多租户架构单一应用实例同时为多个租户提供服务，通过数据隔离确保安全性，同时实现成本的有效分摊和资源的高效利用服务模型类比理解提供原材料IaaS就像提供面粉、鸡蛋、糖等原材料，你需要自己烘焙蛋糕提供厨房工具PaaS提供完整的厨房和烘焙工具，你专注于制作蛋糕配方直接购买成品SaaS直接去蛋糕店购买现成的蛋糕，即买即用这个类比清晰地说明了三种服务模型的本质区别让用户完全掌控从基IaaS础设施到应用的整个技术栈；简化了基础设施管理，让用户专注于应用PaaS开发；而则完全免除了技术复杂性，用户直接使用现成的软件服务选SaaS择哪种模型取决于企业的技术能力、控制需求和成本考量云计算部署模型公有云由第三方云服务提供商拥有和运营，通过互联网向公众提供服务具有成本低、扩展性强的优势，适合中小企业和初创公司私有云专为单一组织部署的云环境，可以部署在企业内部或由第三方托管提供更高的安全性和控制力，适合大型企业和政府机构混合云结合公有云和私有云的优势，允许数据和应用在两种环境间移动既保证了敏感数据的安全，又享受了公有云的灵活性社区云由具有共同关注点的组织共享的云基础设施，如同行业或监管要求相同的企业集群成本共担，合规要求一致公有云服务特点主要厂商公有云面向公众提供标准化的云服务，采用多租户架构实现资源全球公有云市场由几大主要厂商主导，包括亚马逊、微软AWS共享，通过规模经济效应大幅降低服务成本用户可以按需购买、等国际厂商，以及阿里云、腾讯云、华Azure GoogleCloud计算、存储、网络等基础设施服务为云等中国领先厂商•按需付费，成本透明•全球市场份额领先AWS•全球化服务覆盖•阿里云亚太地区强势•丰富的服务生态•腾讯云游戏和社交优势•持续技术创新•华为云企业市场专长私有云自主控制安全合规企业完全掌控云基础设施的建设、配置数据完全保存在企业内部或指定的可信和管理，可以根据特定需求定制化部环境中，满足严格的安全和合规要求，署，确保资源的专有性和独立性特别适合金融、政府等敏感行业技术选型投资回报可以自由选择硬件平台、虚拟化技术和虽然初期投资较大，但长期来看可以获管理软件，主流的私有云技术包括得更好的控制，特别是对于大规TCO、等开OpenStack VMwarevSphere模、稳定的工作负载场景源和商业解决方案混合云架构融合通过专用网络连接或技术，将公有云和私有云环境无缝集成，实VPN现统一的资源管理和应用部署平台灵活调度根据业务需求和数据敏感性，智能地在公有云和私有云之间分配工作负载，实现成本与性能的最佳平衡分级部署将核心业务系统部署在私有云确保安全性，将测试环境和突发负载部署在公有云获得弹性和成本优势数据同步建立高效的数据同步和备份机制，确保混合环境中数据的一致性和可用性，支持灾难恢复和业务连续性云计算优势30-50%成本降低将资本支出转为运营支出，减少硬件投资10x部署加速资源获取时间从数周缩短到分钟级

99.9%高可用性专业的灾备和冗余设计确保业务连续性200+全球覆盖主流云厂商在全球部署数百个数据中心云计算通过规模经济、自动化管理和全球化基础设施，为企业带来显著的技术和商业价值按需付费模式让企业避免了过度投资，弹性伸缩能力确保应用在负载高峰期仍能稳定运行，而专业的运维团队和先进的基础设施则提供了传统环境难以匹敌的可靠性保障IT云计算挑战网络依赖性云服务高度依赖网络连接的稳定性和带宽质量，网络中断或延迟可能直接影响业务运行，需要建立多重网络冗余机制单点风险大规模云服务的集中化特征可能带来系统性风险，一旦云服务商发生重大故障，可能影响众多客户的业务连续性数据安全数据存储在第三方环境中引发的安全和隐私担忧，需要建立完善的加密、访问控制和审计机制来保护敏感信息厂商锁定不同云厂商的技术架构和接口存在差异，可能导致应用迁移困难，增加API了更换服务商的成本和复杂度虚拟化技术服务器虚拟化在单一物理服务器上运行多个虚拟机虚拟化概念•技术Hypervisor将物理计算资源抽象为逻辑资源•资源利用率提升•硬件资源池化2•快速部署迁移•资源动态分配1•隔离与安全存储虚拟化将多个存储设备抽象为统一存储池•分布式存储3•数据冗余保护桌面虚拟化•容量弹性扩展5将桌面环境集中部署在数据中心网络虚拟化解决方案•VDI4创建逻辑网络结构与物理网络分离•远程访问支持•软件定义网络•统一管理维护•网络功能虚拟化•多租户隔离云计算中的虚拟化技术硬件虚拟化容器虚拟化通过在物理硬件上创建多个独立的虚拟机环境，每等容器技术实现操作系统级别的虚拟化，多个容器共享Hypervisor Docker个虚拟机都有完整的操作系统、、同一内核，具有更轻量级和高性能的特点容器技术已成为云原KVM VMwarevSphere是主流的硬件虚拟化解决方案生应用的标准部署方式Hyper-V•完全隔离的运行环境•启动速度快，资源占用少•支持不同操作系统•应用打包和分发便捷成熟的管理工具•微服务架构支持•分布式系统架构分布式监控系统健康状态实时监控1分布式事务2跨节点数据一致性保证一致性算法

3、等共识机制Paxos Raft理论CAP4一致性、可用性、分区容错权衡分布式基础5节点通信、故障检测、负载均衡分布式系统是云计算的核心技术基础，通过将计算任务分散到多个节点上执行，实现了高可用性和可扩展性理论指出在网络分区的情况下，系统无法同时保证一致CAP性和可用性，因此需要根据业务需求进行权衡现代分布式系统通常采用最终一致性模型，通过等共识算法确保系统状态的收敛Raft云计算存储技术对象存储块存储文件存储以对象为单位存储数据，提供原始块级别的存储服基于网络的文件系统服每个对象包含数据、元数务，可以挂载到虚拟机作务，支持和协NFS SMB据和唯一标识符兼为系统盘或数据盘使用议，可以被多个计算实例S3容的对象存储支持海量数支持高和低延迟，同时挂载和共享适合需IOPS据存储，适合非结构化数适合数据库、文件系统等要共享文件访问的应用场据、备份归档和静态网站对性能要求较高的应用场景托管景分布式文件系统将文件数据分布存储在多个节点上，通过冗余和数据分片确保可靠性和性能、HDFS GlusterFS等是典型的分布式文件系统解决方案云计算网络技术虚拟私有云（）VPC为用户提供逻辑隔离的虚拟网络环境，支持自定义地址范围、子网划IP分、路由表配置等，确保云上资源的网络安全和隔离软件定义网络（）SDN通过软件控制器集中管理网络策略，实现网络配置的自动化和动态调整，提供更灵活的网络服务和更高效的资源利用负载均衡技术在多个服务器实例间分发网络流量，支持四层和七层负载均衡，提供健康检查、会话保持等高级功能，确保应用的高可用性网络安全防护通过安全组、网络、应用防火墙等多层安全机制，ACL Web保护云上应用免受网络攻击，支持防护和入侵检测DDoS云计算计算服务虚拟机实例提供各种规格的虚拟服务器，支持多种操作系统和实例类型容器服务基于和的容器编排和管理平台Docker Kubernetes无服务器计算函数即服务，按需执行代码，无需管理服务器基础设施加速计算GPU提供和等专用硬件，支持训练和高性能计算GPU FPGAAI边缘计算在网络边缘部署计算资源，降低延迟提升用户体验云原生架构微服务架构容器化部署将大型应用拆分为小型、独立的服务，使用等容器技术打包应用及其依Docker每个服务专注于特定的业务功能，通过赖，确保在不同环境中的一致性运行，进行通信，支持独立开发、部署和API简化部署和管理流程扩展服务网格编排Kubernetes为微服务间的通信提供基础设施层，处自动化容器的部署、扩展和管理，提供理服务发现、负载均衡、故障恢复、安服务发现、负载均衡、自动修复等核心全认证等横切关注点功能，是云原生应用的运行基础微服务架构核心设计原则关键技术组件微服务架构遵循单一职责原则，每个服务应该专注于特定的业务微服务架构需要完善的基础设施支撑，包括服务注册与发现、领域服务间通过轻量级协议（如或消息队列）网关、配置管理、监控追踪等核心组件，确保分布式系统的HTTP/REST API进行通信，避免紧耦合稳定运行•业务能力导向的服务拆分•服务注册中心（、）Consul Eureka去中心化的数据管理•网关（、）•API KongZuul•故障隔离与容错设计•配置中心（、）Apollo Nacos•技术栈多样性支持•分布式追踪（、）Jaeger Zipkin容器技术容器概念与原理2基础架构Docker容器是一种操作系统级别的虚拟化技术，通过内核的命名空间采用客户端服务器架构，包含引擎、镜像、Docker-Docker和控制组功能，为应用提供隔离的运行环境，同时共享主机操容器和仓库等核心组件，通过定义镜像构建过程，Dockerfile作系统内核实现应用的标准化打包容器镜像与仓库容器安全镜像采用分层存储机制，支持版本管理和增量更新容器仓库通过镜像扫描、运行时安全监控、网络隔离等机制保障容器安提供镜像的集中存储和分发服务，支持私有仓库和公有仓库部全，使用最小权限原则和安全基线配置降低安全风险署架构Kubernetes控制平面组件包括、、和，API Serveretcd ControllerManager Scheduler负责集群的全局决策和状态管理，提供集群的统一入口和协调控制功能与工作负载Pod是的最小调度单元，可以包含一个或多个紧密Pod Kubernetes相关的容器、等工作负载控制器Deployment StatefulSet服务与网络3管理的生命周期Pod提供稳定的网络端点和负载均衡，管理外部访Service Ingress问，插件实现容器网络的灵活配置和跨节点通信CNI存储管理通过、和抽象存储资源，支持多种存储PV PVCStorageClass后端，为有状态应用提供持久化存储能力资源调度与扩展基于资源需求和约束条件智能调度到合适的节点，支持水Pod平自动扩缩容（）和垂直自动扩缩容（）HPA VPA无服务器计算（）Serverless函数即服务（）FaaS开发者只需编写业务逻辑代码，无需关心服务器管理、扩容和运维平台自动处理函数的执行、扩缩容和计费，实现真正的按使用付费事件驱动架构函数通过事件触发执行，支持请求、消息队列、定时器、文件上传等多种事件源，HTTP构建响应式和弹性的应用架构应用场景特别适合突发性负载、数据处理、后端、定时任务等场景微服务拆分、移动应用后API端、数据处理都是典型的应用案例IoT性能优化通过预热机制、代码优化、依赖管理等手段减少冷启动时间，提升函数执行性能合理设计函数粒度和触发频率以优化成本云计算安全架构用户责任数据保护、应用安全、访问管理共享责任网络配置、防火墙设置、补丁管理云厂商责任基础设施安全、物理安全、底层系统云计算安全遵循共享责任模型，明确划分了云服务提供商和用户各自的安全责任范围云厂商负责云的安全，包括基础设施、物理环境、网络控制等底层安全；用户负责云中的安全，包括数据保护、身份管理、应用配置等这种模型要求用户深入理解自身的安全责任，采用多层防护策略确保云上业务的安全运行身份与访问管理用户管理与认证建立统一的用户身份目录，支持多种认证方式包括用户名密码、数字证书、生物识别等，确保用户身份的真实性和唯一性角色与权限控制采用基于角色的访问控制（）模型，根据用户职责分配相应权限，RBAC实现细粒度的资源访问控制和权限分离多因素认证结合密码、短信验证码、硬件令牌等多种认证因子，大幅提升账户安全性，有效防范密码泄露和暴力破解攻击单点登录通过、等标准协议实现跨系统的单点登录，提升用户体SAML OAuth2验的同时简化身份管理复杂度数据安全保护传输加密数据传输过程保护静态加密密钥管理•协议TLS/SSL存储数据的加密保护加密密钥的安全管理•隧道VPN•数据库加密•密钥生成数据分类•专线连接•文件系统加密•密钥轮换备份恢复按敏感度分级管理•存储卷加密•密钥销毁数据备份与灾难恢复•公开数据•内部数据•定期备份•机密数据•异地备份3•绝密数据•快速恢复2415云计算合规与治理法规合规行业标准资源管理严格遵循、满足金融、医疗、教通过资源标记、成本GDPR等数据保护法育等特定行业的合规分摊、权限控制等手PIPL规，确保跨境数据传要求，通过段实现云资源的精细ISO输和个人信息处理符、等化管理，支持多项27001SOC2合当地法律要求，建国际认证，确保安全目、多部门的资源隔立完善的合规管理体管理体系的专业性离和成本核算系审计监控建立全面的审计日志体系，记录用户操作、资源变更、安全事件等关键信息，支持合规检查和安全事件调查高可用架构设计保障SLA可用性承诺

199.99%灾难恢复2指标优化RTO/RPO故障检测3自动监控与告警负载均衡4流量分发与故障转移多可用区5地理分布式部署高可用架构通过多层冗余设计确保系统的持续可用性从底层的多可用区部署到上层的应用负载均衡，每一层都具备故障容忍能力自动化的故障检测和恢复机制能够在故障发生时快速响应，将业务中断时间降到最低完善的灾难恢复计划确保在极端情况下也能快速恢复业务运行，满足企业级要求SLA多可用区部署架构可用区概念部署策略可用区是云厂商在同一地域内建设的物理隔离的数据中心集群，通过将应用和数据分布部署在多个可用区，实现故障隔离和负载具有独立的电力、网络和冷却系统不同可用区间通过高速专网分担主备模式适合数据库等有状态服务，主主模式适合无状态连接，延迟通常在以内的应用2ms Web•物理设施完全隔离•应用层负载均衡•独立的电力和网络•数据库主从复制•高速内网互联•存储跨区域复制•故障域隔离保护•网络流量智能调度自动伸缩技术伸缩策略配置基于利用率、内存使用率、请求量等关键指标设置伸缩阈值，支持多指标CPU组合和自定义指标，确保伸缩决策的准确性和及时性预测性伸缩结合历史数据和业务规律，预测负载变化趋势，提前进行资源调整特别适合有明显周期性特征的业务场景，如电商促销、在线教育等冷却期管理设置合理的伸缩冷却期，避免频繁的扩缩容操作导致系统不稳定通过逐步调整和平滑过渡，确保服务质量不受伸缩过程影响成本优化结合竞价实例、预留实例等计费模式，在保证性能的前提下最大化成本效益合理配置最小和最大实例数，平衡可用性和成本控制云迁移策略评估规划全面评估现有环境，制定详细的迁移计划和时间表IT重托管直接将应用迁移到云端，快速获得云基础设施的优势重构优化应用架构，充分利用云原生技术和服务重建基于云平台重新设计和开发应用系统替换使用服务替换现有的本地部署应用SaaS混合云架构混合云连接方案通过专线连接、隧道或技术实现公有云和私有云的网络互VPN SD-WAN通，确保数据传输的安全性和可靠性，支持混合云环境下的无缝资源调度统一身份管理建立跨云环境的统一身份认证体系，通过联邦身份或集成实现单点登LDAP录，简化用户管理并确保安全策略的一致性执行数据同步策略设计高效的数据同步和复制机制，确保混合环境中数据的一致性和可用性支持实时同步、定时同步和增量同步等多种模式统一监控管理部署跨云的监控和管理平台，实现对混合云环境的统一可视化监控、告警管理和性能优化，提供一致的运维体验与云计算DevOps流水线基础设施即代码CI/CD自动化构建、测试和部署流程，通过持使用代码定义和管理基础设施资源，实续集成和持续交付提升软件交付效率和现环境的版本控制、自动化部署和一致质量，支持快速迭代和频繁发布性保证，降低人工配置错误的风险监控与反馈配置管理建立全方位的监控体系，收集应用性统一管理应用配置和环境参数，支持配能、用户行为和业务指标，通过数据驱置的版本控制、环境隔离和动态更新，动的方式持续优化产品和服务质量确保应用在不同环境中的正确运行。