《大规模分布式存储系统》第12章 云存储【12.5】

javazx

12.5　云平台整体架构
云存储是云计算的存储部分，理解云存储架构的前提是理解云平台整体架构。
云计算按照服务类型大致可以分为三类：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务
& }7 O; y  q2 L( u4 ]（PaaS）以及软件即服务（SaaS），如图12-3所示。
图　12-3　云计算服务类型
8 C; s2 I( Y1 GIaaS将硬件设备等基础资源以虚拟机的形式封装成服务供用户使用，如Amazon
云计算AWS（Amazon Web Service）的弹性计算云EC2，PaaS进一步抽象硬件资源，
! F% v5 i, K% N4 [0 K4 v- |提供用户应用程序的运行环境，开发者只需要将应用程序提交给PaaS平台，PaaS平
台会自动完成程序部署，处理服务器故障，扩容等问题，典型的如（Google App
6 v, z* S# U7 r$ G7 G+ }Engine）GAE。另外，微软的云计算平台Windows Azure Platform也可大致归入这一
类。SaaS的针对性更强，它将某些特定应用软件封转成服务，如Salesforce公司提供
的在线客户端管理CRM服务，Google的企业应用套件Google Apps等。
本节首先分别介绍Amazon、Google以及Microsoft这三个云平台的整体架构，其
中，Amazon提供IaaS服务，Google和Microsoft提供PaaS服务，接着介绍一般情况下云
& o- I! V  ?" x1 T平台的整体架构。
12.5.1　Amazon云平台
+ l. \: }- u; ], h- `3 PAmazon Web Services（AWS）是Amazon构建的一个云计算平台的总称，它提供
, D0 d. f3 g' S: U了一系列云服务。通过这些服务，用户能否访问和使用Amazon的存储和计算基础设
/ h1 L9 ~, w4 q" t8 U施。如图12-4所示，AWS平台分为如下几个部分：
- y3 Z  f* c. I5 y1 K- n图　12-4　AWS平台整体架构
●计算类：核心产品为弹性计算云EC2（Elastic Computing）。EC2几乎可以认为
是迄今为止云计算领域最为成功的产品，通俗地讲，就是提供虚拟机，用户的应用
程序部署在EC2实例中。EC2架构的核心是弹性伸缩，当托管的应用程序访问量变化
时能够自动增加或者减少EC2实例，并通过弹性负载均衡技术将访问请求分发到新增
的EC2实例上。在计费模式上，EC2按照使用量计费，而不是采用传统的预付费方
- V, F+ l# e3 B式。EBS（Elastic Block Store）是一个分布式块设备，可以像本地的磁盘一样直接挂
载在EC2实例上，与本地磁盘不同的是，保存到EBS的数据会由EBS的管理节点自动
复制到多个存储节点上。EC2实例的本地存储是不可靠的，如果EC2实例出现故障，
+ C9 F5 U' S  t* [2 n本地存储上保存的数据将会丢失，而保存到EBS上的数据不会丢失。EBS用于替代
( \1 ]+ c& l) @EC2实例的本地存储，从而增强EC2可靠性。
! h. V% r0 t* j●存储类：存储类产品较多，包括简单对象存储S3，表格存储系统SimpleDB、
" @" c$ j6 r2 v, _& {/ H: x% j8 VDynamoDB、分布式关系数据库服务（Relational Datastore Service,RDS）以及简单消
息存储（Simple Queue Service,SQS）。S3用于存储图片、照片、视频等大对象，为
了提高访问性能，S3中的对象还能够通过CloudFront缓存到不同地理位置的内容分发
网络（Content Delivery Network,CDN）节点。SimpleDB和DynamoDB是分布式表格系
统，支持对一张表格进行读写操作；RDS是分布式数据库，目前支持MySQL以及
& V% \. V2 J8 l6 @- v* v- D9 hOracle两种数据库。SQS主要用于支持多个任务之间的消息传递，解除任务之间的耦
8 E5 l; r) A" V' U% N2 I合，相当于传统的消息中间件（Message Queue）。为了提高访问性能，可以使用
, c6 u  q. o+ e" i; j5 XElasticCache缓存存储系统中的热点数据。
3 ?* _6 j' l+ R6 s2 ~& {- g* G●工具支持：AWS支持多种开发语言，提供Java、Ruby、Python、PHP、Windows
＆.NET以及Android和iOS的工具集。工具集中包含各种语言的SDK、程序自动部署
以及各种管理工具。另外，AWS通过CloudWatch系统提供丰富的监控功能。
. P  }, h% b; Y! ]& _AWS平台引入了区域（Zone）的概念。区域分为两种：地理区域（Region
" L: j) t, f: d( z/ {! DZone）和可用区域（Availability Zone），其中地理区域是按照实际的地理位置划分
) ^: a. }2 I- M9 D9 @7 ^; u& O的，而可用区域一般是按照数据中心划分的。
假设网站MyWebSite.com托管在AWS平台的某个可用区域中。AWS开发者将Web
应用上传到AWS平台并部署到指定的EC2实例上。EC2实例一般分成多个自动扩展组
（Auto Scaling Group），并通过弹性负载均衡（Elastic Load Balancing）技术将访问
* {' h" R/ Y  x% W+ r) Q请求自动分发到自动扩展组内的EC2实例。开发者的Web应用可以使用AWS平台上的
存储类服务，包括S3、SimpleDB、DynamoDB、RDS以及SQS。
. A+ |" c/ |* ]/ b, f5 N网站上往往有一些大对象，比如图片、视频，这些大对象存储在S3系统中，并
通过内容分发技术缓存到多个CloudFront节点。当Internet用户浏览MyWebSite.com
7 ^* t( X# y' p" E! m  \时，可能会请求S3中的大对象，这样的请求将通过DNS按照一定的策略定位到
CloudFront节点。CloudFront首先在本地缓存节点查找对象，如果不存在，将请求源
站获取S3中存储的对象数据，这一步操作称为回源。
! \+ `, V# n# p0 {7 o. N, f% J12.5.2　Google云平台
8 w7 I' M7 L- ~+ Q5 }, a# q8 T* eGoogle云平台（Google App Engine,GAE）是一种PaaS服务，使得外部开发者可
  [$ ?8 q$ q  z+ u/ c以通过Google期望的方式使用它的基础设施服务，目前支持Python和Java两种语言。
8 z- ?4 V( w: ?0 E4 w" [9 ?GAE虽然在产品上相比Amazon云平台还有较大的差距，但在技术上是成功的，尤其
适用于企业构建自己的企业私有云。GAE的整体架构如图12-5所示。
图　12-5　Google App Engine整体架构
GAE云平台主要包含如下几个部分：
8 r! J  P$ l$ o4 @●前端服务器。前端的功能包括负载均衡以及路由。前端服务器将静态内容请求
7 O. V2 g. a  E' K1 `转发到静态文件服务器，将动态内容请求转发到应用服务器。
7 b# `  m" j; ]●应用服务器。应用服务器装载应用的代码并处理接收到的动态内容请求。
●应用管理节点（App Master）。调度应用服务器，将应用服务器的变化通知前
端，从而前端可以将访问流量切换到正确的应用服务器。
7 Q  e* A5 K2 B, J●存储区。包括DataStore、MemCache以及BlobStore三个部分。应用的持久化数
- v% p8 z* N) Q' \1 Z) Z据主要存储在DataStore中，MemCache用于缓存，BlobStore是DataStore的一种补充，
用于存储大对象。
( V+ j; {% r% z  [●服务区。除了必备的应用服务器以及存储区之外，GAE还包含很多服务，比如
6 \& D% G$ t/ J; F0 t图像处理服务（Images）、邮件服务、抓取服务（URL fetch）、任务队列（Task
Queue）以及用户服务（Users）等。
: D, Y6 x7 j) h0 z另外，作为PaaS服务，GAE还提供了如下两种工具：
9 I: J' u; y3 ]: d, X- X●本地开发环境。GAE中大量采用私有API，因此专门提供了本地开发和调试的
Sandbox环境以及SDK工具。
●管理工具。GAE提供Web管理工具用于管理应用并监控应用的运行状态，比如
2 X9 P! s( |7 @' o$ S: f资源消耗、应用日志等。
GAE的核心组件为应用服务器以及存储区，其中，应用服务器用于托管GAE平
  n+ l& o8 Q. |台用户的应用程序，存储区提供云存储服务。下面分别介绍这两个部分。
( j8 c) N- g- e6 S' g1.应用服务器
/ M9 L- H7 N1 }& |5 PGAE对外不提供虚拟机服务，因此，对于不同的开发语言，需要提供不同的应
: K/ {8 L5 I3 y" _3 D用服务器实现，目前支持Python和Java两种语言。每一台应用服务器可能运行多个
! h$ j0 B3 o+ mGAE平台用户的应用，为了防止应用程序之间互相干扰，应用程序将在受限制的“沙
" S! {) |3 s* h2 k0 j$ h. k/ y; _盒”环境中运行。“沙盒”环境中的GAE应用程序无法执行以下操作：
●写入到本地文件系统。应用程序必须使用数据存储区来存储持久化数据。
2 [: {4 y! P( q( _7 A# V% ?●打开套接字或者直接访问其他主机。应用程序必须使用网址提取服务（URL
Fetch）分别从端口80和443上的其他主机发出HTTP和HTTPS请求。
: e6 ]* `0 s; f2 Y5 @& q●生成子进程或者线程。应用程序的网络请求必须在单个线程中处理，并且必须
9 s8 V: V$ h+ }" @* w3 J  \在几秒内完成，GAE会自动终止响应时间很长的进程以免应用服务器过载。
●进行其他类型的系统调用。
6 ?) I1 a, z" S& r2.存储区
Datastore是App Engine存储区的核心，底层为6.2节中介绍的Google Metastore系
6 X5 ]9 J3 s2 H) o- \* E统。与关系数据库最大的不同点在于，Datastore支持自动增加或者减少存储节点，提
供线性扩展能力。App Engine直接将开源的Memcache用作缓存服务，缓存Datastore中
的热点数据。Datastore不适合存储大对象（Blob对象），因此，App Engine设计了专
门的Blobstore用于支持大对象存储。
0 ]9 r7 i0 \/ x除了GAE平台，Google还单独提供了两种云存储服务，Google Cloud Storage以及
) w! n3 S6 Z9 J" l9 C3 D3 S  fGoogle Cloud SQL。其中，Google Cloud Storage与Amazon S3类似，用于存储图片、
: y; o1 _0 q( {/ n8 ^( m视频等大对象数据，Google Cloud SQL与Amazon RDS类似，用于提供分布式关系数
据库服务。
12.5.3　Microsoft云平台
Windows Azure Platform是一个服务平台，用户利用该平台，通过互联网访问微
/ Q2 G7 R( h: ~! ~1 l6 K9 e+ s软数据中心的计算和存储服务，它不但支持传统的微软编程语言和开发平台，如C#
  V2 @6 w, r2 q( O4 Z和.NET平台，还支持PHP、Python、Java等多种非微软编程语言和架构。
" N$ K- o7 l; C2 p0 o3 sWindowsAzure平台包含如下几个部分。
' A$ A/ s8 n% R! |, X  T8 V●计算服务
5 V4 ^2 n0 Q0 ?Windows Azure平台中每个计算实例是一个运行着64bit的Windows Server 2008的
9 i( L' u% R6 S; j8 X1 I+ E虚拟机，分为三种类型：Web Role实例，Worker Role实例和VM Role实例。其中，
Web Role实例提前在内部安装了IIS7，用于托管Azure平台用户的Web应用程序；
( n8 `0 @' B) W2 T, l0 E5 `0 h( `Worker Role实例设计用来运行各种各样的基于Windows的代码，例如，Worker Role
实例可以运行一个模拟程序、进行视频处理等，Worker Role与Web Role的不同点在
& q0 f) V# T/ e/ _! X; t- p4 U于，Worker Role内部并没有安装IIS。一般来说，用户只会用到Web Role和Worker
Role。应用通过Web Role与用户相互作用，然后利用Worker Role进行任务处理。当
用户需要将本地的Windows Server应用移动到Windows Azure平台时，VM Role将会起
作用。VM Role除了允许对环境拥有更多的控制权之外，它和Web Role以及Worker
$ }. _& O) f0 }Role是没有区别的。与Amazon云平台需要用户提供虚拟机的虚拟映像文件不同的
是，Azure平台会自动虚拟出虚拟机，处理虚拟机升级，Role实例故障，Azure平台用
1 ?+ L0 q  |3 W* {) [& u户只需要专注于如何创建应用程序即可。
●存储服务
Windows Azure存储服务包括Azure Blob,Table,Queue以及SQL Azure。其中，Azure
) p' Z; o0 R0 o) QBlob存储二进制数据，如图片，照片，视频等个人文件。Azure Table存储更加结构化
7 q8 i$ u" f! {' X的数据，支持单张表格上的操作，但是它不同于关系数据库系统中的二维关系表，
4 h$ v. u/ P" y' P7 v查询语言也不是大家熟悉的关系查询语言SQL。Azure Queue的作用和微软消息队列
（MSMQ）相近，用来支持在Windows Azure应用程序组件之间进行通信。SQL Azure
则是将微软的关系数据库SQL Server搬到云环境中，提供二维关系表和SQL查询语
$ }2 [7 E, {- J' B% f- ]言。为了提高访问性能，Windows Azure还提供了两种缓存机制：Azure Caching以及
8 z! ~) \! O& }Azure内容分发网络（CDN）。Azure Caching在数据中心内部缓存热点数据，Azure
5 f& ~. x* R, I4 U/ E; GCDN在离用户较近的“边缘节点”缓存Azure Blob中的Blob对象。
  U/ K& G6 t: Q  v0 u" _1 B) b●连接服务
Windows Azure连接服务包括Azure Service Bus以及Azure Connect。Azure Service
Bus包含三个部分：Service Bus Queue,Service Bus Topic和Service Bus Relay。其中，
Service Bus Queue和Service Bus Topic与消息中间件的Queue和Topic模式类似，用于解
除应用程序之间的耦合。Service Bus Queue提供点对点的通信，保证每个发送者产生
8 }& `0 c. v9 E3 s的消息只被一个接收者获取；Service Bus Topic提供一对多的发布订阅通信，每个发
布者发布的消息能被所有的订阅者获取。Service Bus Relay使得Azure平台服务器端可
以访问运行在企业内部的本地WCF服务，这些WCF服务通常没有一个固定的IP地
* `; l/ j7 Y5 @! }' ~; K址，而且被企业防火墙所保护。Azure Connect在Windows Azure应用和本地运行的机
. U! Q  C4 ]9 u9 v# w, \) o器之间建立一个基于IPsec协议的连接，使得两者更容易结合起来使用。例如，某个
  f( H" ^' C; f: T- y6 M; Y企业需要将现有的由ASP.NET创建的Windows Server应用移动到Windows Azure Web
Role中区，如果这个应用使用的数据库需要保留在本地机器上，那么Azure Connect技
术能够使运行在Windows Azure上的应用正常访问本地数据库，甚至连使用的连接字
% w" T: a5 p7 F符串都不需要改变。
  V- }  p4 I9 r; U7 z●工具支持
6 A* z" J" c3 o& @5 ~5 pWindows Azure平台不但支持传统的微软编程语言和开发平台如C#和.NET平台，
还支持PHP、Python、Java、node.js等多种非微软编程语言和架构。Azure平台提供各
6 l; Q+ N& f( [4 D5 n/ N! [种语言的SDK以及平台管理工具。
图12-6显示了Windows Azure Platform用于托管用户Web程序的整体架构。假设网
站MyWebSite.com托管在Windows Azure平台的某个数据中心内。Azure平台开发者将
: |$ K. C& C- q4 ~! vWeb应用上传到Azure平台，由平台将应用自动部署到Role实例上。在Azure内部，一
6 d; u9 L  C8 \个应用可能运行在一个或者多个Role实例上，将运行同一个应用的Role实例成为一个
& c+ F) X. j+ E5 O- b/ w' mRole实例组，并通过负载均衡器将访问请求按照一定的策略自动分发到其中的Role实
: K& d- H% g; I0 w2 l( F例。开发者的Web应用可以使用Azure平台上的存储类服务，包括Azure Blob、
" q) x, i4 S& h& ]- P4 DTable、Queue以及SQL Azure。为了提高性能，应用也可以使用Azure Caching缓存热
点数据，就像使用Memcache一样。
图　12-6　Windows Azure Platform整体架构
- M' K9 b; N4 P: J9 q7 F7 y$ q网站上往往有一些Blob对象，比如图片、视频，这些对象存储在Azure Blob系统
1 |/ p1 w: h; e' y中，并通过内容分发技术缓存到多个Azure CDN节点。Internet用户访问
* L/ ^" [- q4 s/ FMyWebSite.com中的Blob时，访问请求将通过DNS定位到CDN节点上，如果CDN缓存
了Blob的副本，直接将副本返回给用户，否则，CDN节点将请求Azure源站中的Azure
0 a; ~. Q2 |9 J  O  C2 I3 H0 N5 y7 qBlob存储系统获取Blob对象，这一步操作称为回源。
12.5.4　云平台架构
从托管Web应用程序的角度看，云平台主要包括云存储以及应用运行平台，如图
12-7所示。
图　12-7　云平台整体架构
" Z  K1 d0 d$ \! p* c云平台的核心组件包括：云存储组件和应用运行平台组件。下面简单介绍一
下。
（1）云存储组件
云存储组件包括两层：分布式存储层以及存储访问层。分布式存储层管理存储
- B$ {( X! K; n6 j4 t1 b3 \服务器集群，实现各个存储设备之间的协同工作，保证数据可靠性，对外屏蔽数据
  D! P. u. ?% J' u* F- l( M所在位置，数据迁移，数据复制，机器增减等变化，使得整个分布式系统看起来像
是一台服务器。分布式存储层是云存储系统的核心，也是整个云存储平台最难实现
的部分。CDN节点将云存储系统中的热点数据缓存到离用户最近的位置，从而减少
用户的访问延时并节约带宽。
, m# J1 L8 M* \/ l存储访问层位于分布式存储层的上一层，该层的主要作用是将分布式存储层的
客户端接口封装为WebService（基于RESTful,SOAP等协议）服务，另外，该层通过
调用公共服务实现用户认证，权限管理以及计费等功能。存储访问层不是必须的，
云存储平台中的计算实例也可以直接通过客户端应用编程接口（API）访问分布式存
. n. E6 H9 I0 h3 ~储层中的存储系统。
+ J2 T2 L, B' e9 c5 e5 H; g（2）应用运行平台组件
9 N# O1 ^5 C$ K应用运行平台的主体为计算实例，计算实例最主要的功能有两个：开发者的应
% Y; e, T; E0 C; ^* M7 H7 A! @用程序运行环境以及离线任务处理。不同的云计算平台厂商的计算实例形式往往不
& `( y4 e+ ^4 Q3 [1 M2 d+ z同：AWS（Amazon Web Service）平台中的计算实例为Amazon的弹性计算（Elastic
Computing,EC2）虚拟机，它们既用于托管开发者的Web程序，又可用来执行Hadoop
9 ]0 m  T0 `8 R; kMapReduce计算或者图像以及视频转换等离线任务；GAE（Google App Engine）平台
中的计算实例分为前端实例（Frontend Instance）以及后端实例（Backend Instance），
其中，前端实例为GAE特有的Python、Java以及Go语言运行容器，用于托管开发者使
用Python、Java或者Go语言开发的Web程序，后端实例执行运行时间较长的离线任
务；微软的Azure平台（Windows Azure Platform）的计算实例为运行着一个64位的
- ~  \9 s& L- X5 ?5 u1 E7 n  [Windows Server 2008的虚拟机，分为Web Role、Worker Role以及VM Role三种角色，
! n. [( F4 P* [5 o1 F5 s8 U其中，Web Role用于托管Web程序，Worker Role用于执行视频处理等离线计算任务。
多个计算实例构成一个计算实例组，当实例组中的某个实例出现故障时，能够
自动将负载迁移到其他的实例，并且支持动态增加或者减少实例从而使得实例组的
处理能力具有动态可伸缩性。运行平台的最前端是路由及负载均衡组件，它将用户
的请求按照一定的策略发送到合适的计算实例。
/ d: _% P- P- x/ s7 f) o云存储平台还包含一些公共服务，这些基础服务由云存储组件及运行平台组件
所共用，如下所示：
" i- J* n* D  C●消息服务。消息服务将执行流程异步化，用于应用程序解耦。计算实例一般分
为处理Web请求的前台实例以及处理离线任务的后台实例，在很多情况下，前台实例
( ?8 z" Y, j3 q* c- n* n处理Web请求的过程中需要启动运行在后台的任务，这种需求可以通过消息服务实
现。
●缓存服务。缓存服务用于存储云存储系统中的读多写少的热点数据，从而加速
* `5 t& A, f5 B! _查询，减少对后端存储系统压力。大多数云存储平台提供Memcache服务。
1 w/ e- k! o- c8 q●用户管理。用户管理主要功能是用户身份认证，确保用户的身份合法，并存储
6 M# b4 q2 u( q8 B. {用户相关的个人信息。云计算平台一般支持单点登录，在多个应用系统中，用户只
8 G; K' k: g8 ]' k' b需要登录一次就可以访问所有相互信任的系统。
8 k1 Q; G; K* o) c●权限管理。为多个服务提供集中的权限控制，以确保应用和数据只能被有授权
4 ^# e; T! M. T; z! Y7 ~# v的用户访问。云存储系统一般会维护一系列的访问策略，每一条策略表示某个用户
是否对某个资源具有某种操作权限。
●安全服务。安全服务包括Web漏洞检测，网页挂马检测，端口安全检测，入侵
检测，分布式拒绝服务攻击（Distributed Denial of Service,DDoS）缓解等。Web漏洞
8 R" y* p# I: D( z. _* K检测提供对应用的SQL注入漏洞、XSS跨站脚本漏洞、文件包含等高危安全漏洞进行
) B2 @& ^0 e2 R/ P4 B6 J7 ?检测；网页挂马检测通过静态分析技术和虚拟机沙箱行为检测技术相结合，对网站
% k6 h* F/ D! F( ^进行挂马检测；端口安全检测通过定期扫描服务器开放的高危端口，降低系统被入
侵的风险；主机入侵检测通过主机日志安全分析，实时侦测系统密码破解，异常IP
登录等攻击行为并实时报警；DDos缓解技术能够抵御SYN flood以及其他拒绝服务攻
击。
●计费管理。利用底层的监控系统所采集的数据对每个用户使用的资源和服务进
行统计，计算出用户的使用费用，并提供完善和详细的报表。云存储系统计费涉及
" x  A* H" R7 T. a! E的参数一般包括：CPU时间，网络出口带宽，存储量以及服务调用次数（包括读写
API调用次数）。
% v, u  r6 d2 U( S4 C●资源管理。管理云存储平台中的所有服务器资源，将应用程序或者虚拟机映射
- n! R  O0 W- a, d) k4 [9 F0 u自动部署到合适的计算实例，另外，自动调整计算实例的数量来帮助运行于其上的
- {2 {7 f, }- e2 i% r- w  H6 a* g应用更好地应对突发流量。当计算实例发生故障时，资源管理系统还需要通知前端
3 b* u2 M4 d' C' I' Y( ]的负载均衡层，将流量切换到其他计算实例。
( G2 [% C3 z8 \7 f; W3 T% O●运维管理。云存储平台的运维需要做到自动化，从而降低运维成本，一般来
% m: m3 T/ w. ?+ w( Y# Q说，有一套专门的Web运维系统用于系统上下线，批量升级系统程序版本等。
. k4 p! e; J7 {4 p& G/ ]●监控系统。监控系统有两个层面，其一是资源层面，即资源的运行情况，比如
: v: b. {6 C$ r" QCPU使用率、内存使用率和网络带宽利用率、Load值等，需要注意的是，云计算平
  P' M2 o" ^! r台除了监控物理机资源，还需要监控虚拟机资源的运行情况；其二是应用层面，主
要记录应用每次请求的响应时间、读写请求数等。
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