《大规模分布式存储系统》第12章 云存储【12.5】

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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。
7 h- M( e0 W7 [  k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
$ ^# W2 h% T% h' E（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
IaaS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
4 A# x+ O" `  M  K* R% N云计算AWS（Amazon Web Service）的弹性计算云EC2，PaaS进一步抽象硬件资源，
/ b3 e" c5 M% }) X0 t! K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
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
/ x* }' Y1 I- l/ u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
平台的整体架构。
1 B2 p% f# ?0 I& c12.5.1　Amazon云平台
Amazon Web Services（AWS）是Amazon构建的一个云计算平台的总称，它提供
9 j9 W& j  f" U/ q7 A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
施。如图12-4所示，AWS平台分为如下几个部分：
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
# N4 T: f. ]- {5 A  u/ V1 E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
, V, }% d8 m+ O: g+ p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
' P, Z, x" a% ]" F4 d3 ]/ [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
* ^: c* M; \: g0 C) D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，
& U% r7 r) b( R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
EC2实例的本地存储，从而增强EC2可靠性。
3 ]+ a) V3 r' X4 Y9 d( U: Q' |●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、
" z. o) |: [& LDynamoDB、分布式关系数据库服务（Relational Datastore Service,RDS）以及简单消
( M1 R3 d/ X  e( C0 }/ Y' E- A! ^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
3 @' D  v' u& Q3 I网络（Content Delivery Network,CDN）节点。SimpleDB和DynamoDB是分布式表格系
9 T- A, B4 \0 w: U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
Oracle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
* z  X  E- y7 T% ^# v4 v7 j- t' k0 K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
3 W+ m8 k  k' j- [- n- gElasticCache缓存存储系统中的热点数据。
7 u/ R) d0 R% X( k: y. |●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
' ~0 v/ Z: S+ g3 p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。
" E+ W5 U& T# |5 x" `" Q' xAWS平台引入了区域（Zone）的概念。区域分为两种：地理区域（Region
' X2 \/ z5 `' g( x- m. G* KZone）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
的，而可用区域一般是按照数据中心划分的。
5 p! r. Q8 [0 n. \3 h* C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
, X! p9 i9 r- u1 T  _, D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
# N; t4 |5 x+ m2 i; }（Auto Scaling Group），并通过弹性负载均衡（Elastic Load Balancing）技术将访问
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。
' z# r3 `; {3 z6 q+ P# X7 k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
$ w1 V- Y+ _7 s7 P* P通过内容分发技术缓存到多个CloudFront节点。当Internet用户浏览MyWebSite.com
4 W/ ^# M1 {9 k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。
- \- D% {( m1 W' Y% ^12.5.2　Google云平台
Google云平台（Google App Engine,GAE）是一种PaaS服务，使得外部开发者可
+ ]* G6 h7 a6 D1 l; C3 l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。
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：
●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
" I8 `+ U1 p$ ?6 o8 t5 b6 a0 j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。
●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。
, [5 e/ ~6 g/ V1 [* E4 X, E●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
0 `1 ]5 d, ?& m7 v3 U' \端，从而前端可以将访问流量切换到正确的应用服务器。
7 A' O8 T9 ^0 J! z5 W" S9 [●存储区。包括DataStore、MemCache以及BlobStore三个部分。应用的持久化数
0 q$ f1 G4 p5 H3 q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。
& N1 Y3 b1 f  B& v●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
& h8 V: j' \4 D/ ^3 O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。
另外，作为PaaS服务，GAE还提供了如下两种工具：
) O; k$ g" m. B5 t! D; ^. }! r●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。
$ Q  l! F5 W' b7 G●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
8 s+ u) [+ y* m& G, |; m; ]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
8 f* _: r2 Z, I- h% h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。
1.应用服务器
) {9 S  Y$ j9 eGAE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
3 h) \0 A9 S  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
GAE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
) g# y, Z% ]( f& x6 r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：
8 e3 Z) A2 T1 P$ }- f2 i●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。
% N( ?$ q/ v* S3 D( D●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
* z) Z* T1 K5 I2 {( iFetch）分别从端口80和443上的其他主机发出HTTP和HTTPS请求。
●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
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。
4 ^2 I: Y" x1 k: o2.存储区
5 P. ?% B0 [4 J% M6 dDatastore是App Engine存储区的核心，底层为6.2节中介绍的Google Metastore系
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
6 p, Q  v; ?+ L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
" D7 p; R: m; n门的Blobstore用于支持大对象存储。
除了GAE平台，Google还单独提供了两种云存储服务，Google Cloud Storage以及
$ l  K' _2 Y1 }Google Cloud SQL。其中，Google Cloud Storage与Amazon S3类似，用于存储图片、
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
8 A8 k) |& D: b* |9 r% ]/ i$ ^$ ?据库服务。
12.5.3　Microsoft云平台
! \' D  ]. a0 b; E1 JWindows Azure Platform是一个服务平台，用户利用该平台，通过互联网访问微
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#
1 L; ^$ N2 c3 U: L# D和.NET平台，还支持PHP、Python、Java等多种非微软编程语言和架构。
WindowsAzure平台包含如下几个部分。
$ z+ P+ c6 `: B+ l8 f7 n1 b●计算服务
Windows Azure平台中每个计算实例是一个运行着64bit的Windows Server 2008的
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；
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
# T$ L' t, \, J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
7 L( d; Q* I; ]; H. k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
1 T# k: l6 C2 pRole。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
& ?1 @1 d' t# c! R- W! ?5 I. E. |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
2 I' U: o* `$ S* L: r% g$ C9 o5 O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
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
. k  o( Q& P3 B2 `' c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
户只需要专注于如何创建应用程序即可。
/ D, q& i( [0 o, V9 h●存储服务
  T" o0 ]# G/ C5 G; m  j2 FWindows Azure存储服务包括Azure Blob,Table,Queue以及SQL Azure。其中，Azure
Blob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
& S2 ?8 g( g+ o' {0 L/ ~$ Z* |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，
8 O4 }% K- @7 O$ d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
. Q% g! ], {7 V, C, X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
, [4 h; e' n6 ?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
7 k( l4 A7 ^2 @6 N* p# t! E& mAzure内容分发网络（CDN）。Azure Caching在数据中心内部缓存热点数据，Azure
0 m- Z, q/ {9 p8 B2 GCDN在离用户较近的“边缘节点”缓存Azure Blob中的Blob对象。
% G! z# @" R  T●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
( g4 g- A+ t, |% f3 ?5 G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
8 h3 `: b2 u& y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
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
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
企业需要将现有的由ASP.NET创建的Windows Server应用移动到Windows Azure Web
- q3 j$ @) s, f5 ]+ n5 n1 ZRole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
, f  E% U5 F5 w# ~! G1 G; T  n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
符串都不需要改变。
●工具支持
: I( g4 O. k$ fWindows 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
种语言的SDK以及平台管理工具。
5 x% R7 ~: ^- B# a4 u" m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
1 w8 ^& T% ~9 c: R( h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
Web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
( a, J/ B9 j# Q1 W, C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
2 N. S" m8 Q7 N- e+ K+ P& XRole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
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、
+ ^% x! E8 ]) F8 r. V' oTable、Queue以及SQL Azure。为了提高性能，应用也可以使用Azure Caching缓存热
; I6 k% Z7 z; u# Y5 E点数据，就像使用Memcache一样。
3 y. `& O' S, k3 \5 j* q3 Z4 \; m图　12-6　Windows Azure Platform整体架构
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
7 z" b. Q: i: `+ R& r- w中，并通过内容分发技术缓存到多个Azure CDN节点。Internet用户访问
MyWebSite.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
! L, W9 W/ U& `1 F: v; ]2 d2 T+ o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
# f, D' q+ t/ s& p8 {0 }- y: J6 lBlob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
3 w# g& @( n) X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
2 T* h- M: u. z) @! h/ d4 Y2 N12-7所示。
1 e3 H9 @5 _6 l1 t( G1 F图　12-7　云平台整体架构
0 W- d, p5 a; U+ R: s8 H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
% B/ R+ Y, X. }( {" C3 r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
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
& [& c3 @. W7 p! Q+ [% K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
$ M: I9 h3 q! x5 o# e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
+ O5 _" X0 ~7 L! s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。
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
1 S: q5 T$ W8 U2 t" c客户端接口封装为WebService（基于RESTful,SOAP等协议）服务，另外，该层通过
1 W% i- l% t; I, b1 `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
储层中的存储系统。
6 ?% w  u8 d3 f7 y) L（2）应用运行平台组件
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
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
3 o- ]- {4 f8 \, m2 G' e3 P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
MapReduce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），
9 U$ w/ [+ m" W- W* q9 R4 R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
! @9 N6 i; L7 `" R0 q' T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
% z6 V  e- e( k: o3 t务；微软的Azure平台（Windows Azure Platform）的计算实例为运行着一个64位的
Windows Server 2008的虚拟机，分为Web Role、Worker Role以及VM Role三种角色，
& w  N4 @5 T- t# j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
( d: V" I# R) x: E' p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
' e7 {7 }9 E4 ^" e4 e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
; u% z. i- E' C( X4 I: t的请求按照一定的策略发送到合适的计算实例。
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：
●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
& Z* ~! R- {, T$ B6 T5 h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
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
* c9 K* b0 }) s* z! P5 I; o1 J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。
●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
; i* {# d3 Z$ x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
需要登录一次就可以访问所有相互信任的系统。
( t/ k' [7 }& q●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
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
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
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
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
: v' z4 K0 {* H' }5 ?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
9 O8 l! S: m% y: I" G0 K9 r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
. I+ J( o1 U) X8 L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
5 g5 J& f+ o0 i+ j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
+ e3 ^- p  k4 }" b: ?7 e' ]' z; X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
6 ^5 Z& u8 g  U2 M1 p' y4 _; k# NAPI调用次数）。
- L% E; K( X3 V9 S6 U●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
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
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
的负载均衡层，将流量切换到其他计算实例。
+ e3 s& m4 d" R$ y" ~8 |; |; }! C6 q: V●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
7 u+ Q5 @0 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。
1 r8 N) l0 R0 ]* u, n- m0 R●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
CPU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
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
0 {; V! i* v( x9 ~( E& E! l. w要记录应用每次请求的响应时间、读写请求数等。
7 b% t; C8 `; t+ N  z3 e, L8 @

, H$ P$ J7 v3 E/ p3 J