《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。
/ K. l) R( c' Y1 W, z6 y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
（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
/ J' G' ^- w' [% P% XIaaS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，
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
( _: V/ V) R/ Z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
. o- G+ J4 H; ^& J0 `; MEngine）GAE。另外，微软的云计算平台Windows Azure Platform也可大致归入这一
$ @! v( k2 [" X! u& D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
5 f; k6 Z5 N' s; G0 I$ C$ a' d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。
12.5.1　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
: U) ~! w. A% r9 S7 j4 `* S& W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
2 O9 s7 o# ?  Q- f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
5 h8 A2 S  j3 p+ q. b●计算类：核心产品为弹性计算云EC2（Elastic Computing）。EC2几乎可以认为
" [. Y5 n+ M2 |- [. a) A1 A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
4 K' F: F- F5 I% @/ s- o" Q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
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
9 z) s# z/ X+ M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
1 Z5 V! Y1 T: `- [7 W0 ?$ P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，
: x2 K! P1 `6 {; s. p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。
●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、
1 a+ q8 o" g* q$ R6 O, C' xDynamoDB、分布式关系数据库服务（Relational Datastore Service,RDS）以及简单消
. M2 C! i4 o. B5 R  l* |- ]  f7 S; d* `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
# v% ]& z8 ~. U3 `' o网络（Content Delivery Network,CDN）节点。SimpleDB和DynamoDB是分布式表格系
0 u; C% F7 ~5 c( {* {0 m9 S# v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
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
. R: f) Q, d) f& x# X: XElasticCache缓存存储系统中的热点数据。
●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 V1 Z' B7 k0 n$ d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。
, C! \& }4 B( n, R. i. V, N- b$ cAWS平台引入了区域（Zone）的概念。区域分为两种：地理区域（Region
Zone）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。
, J$ R8 U% M! u4 F+ x& b9 B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
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。
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
1 y7 A  Y+ x1 C5 O3 {/ K通过内容分发技术缓存到多个CloudFront节点。当Internet用户浏览MyWebSite.com
& A0 Y- e" b. f2 N7 ]9 s9 t6 @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
  B, M+ T* l2 l, {8 k" I5 ^$ vCloudFront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。
12.5.2　Google云平台
  G5 {: o; r/ tGoogle云平台（Google App Engine,GAE）是一种PaaS服务，使得外部开发者可
( U  T" V( I: T* j8 I: U* G3 P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。
5 M$ M/ e. J: t( S2 w' ]) s" \+ y图　12-5　Google App Engine整体架构
GAE云平台主要包含如下几个部分：
! n7 G/ L" F3 j●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
* P3 y  ^% h+ t6 v  `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。
●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
; D* }: I1 i/ l$ e* d8 V8 \端，从而前端可以将访问流量切换到正确的应用服务器。
. E3 F4 G4 Q  ]) N# m●存储区。包括DataStore、MemCache以及BlobStore三个部分。应用的持久化数
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。
●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
5 \7 @0 ~5 K; h- y  q, _图像处理服务（Images）、邮件服务、抓取服务（URL fetch）、任务队列（Task
8 Y! c3 [5 K9 Y* {+ XQueue）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：
0 J! k! |/ \. q6 i2 @●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
1 V) i% ~! q% SSandbox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
  Y3 h7 P2 c* q) ?. a资源消耗、应用日志等。
. p7 U* q8 H* P: XGAE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
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
# a- `, L( N6 wGAE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
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
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：
6 a* w% w) a6 p* A" ^& d8 Q●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。
- ]9 i+ ]" L# S0 L& ]: H●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。
  {" a6 H7 U2 u●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
5 M* U1 {0 l; M9 r3 C- ?( G, L$ M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。
6 O/ h  ~! h+ h9 f8 C●进行其他类型的系统调用。
" T( o" I8 h  j! v  q$ j$ \2.存储区
, X& o' |5 }. w" T$ D- C9 HDatastore是App Engine存储区的核心，底层为6.2节中介绍的Google Metastore系
9 y; n' p! M6 C% W( s4 M  T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
5 m8 `% G& F% D4 L* F, P6 w8 X6 W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
" m2 \6 ^; c, q$ b2 G" m0 _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
- f2 P9 h% d/ v9 m8 |0 G% p据库服务。
! u0 ?+ U% Y/ _/ Q0 t12.5.3　Microsoft云平台
- V0 L0 L! @; H, J" j5 M! }' D4 _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
& E0 M5 F+ x: l# m( v4 b9 }4 T% a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#
和.NET平台，还支持PHP、Python、Java等多种非微软编程语言和架构。
. n2 g5 G" T( |- H. D  _4 |9 XWindowsAzure平台包含如下几个部分。
7 m' N+ Y9 V: V●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；
3 m2 Y2 v8 L7 A, y  H8 r' Q6 }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
: p5 I; b1 ]* J' i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
9 |( M5 }7 [; \7 m; x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
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
7 Z7 m4 L9 b; \) \2 \户只需要专注于如何创建应用程序即可。
- v2 R. z5 x5 m0 ^/ O●存储服务
Windows 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
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，
: H- t2 ^6 b8 \0 h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
0 Z, w' V8 g0 S. X（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
3 I$ w# \7 E* k/ }5 L: g6 V8 ?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
) i5 V4 }& a; I# T: W8 G% ]4 VAzure内容分发网络（CDN）。Azure Caching在数据中心内部缓存热点数据，Azure
" y" H9 Y2 |( p; A5 j* WCDN在离用户较近的“边缘节点”缓存Azure Blob中的Blob对象。
●连接服务
5 k6 F  K8 C3 x& ~7 }Windows Azure连接服务包括Azure Service Bus以及Azure Connect。Azure Service
3 S+ L  }; E3 b& s5 G; GBus包含三个部分：Service Bus Queue,Service Bus Topic和Service Bus Relay。其中，
* }2 K$ K& Z1 I7 `1 c! uService 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
( o2 S" x& m! u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
/ {  H" g; S- {$ \8 d9 @, `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
& J/ d5 m- e4 y. M3 k3 @. E- G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
1 F  S+ ?6 A7 X- `3 C. D3 a+ c% d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
  r) ?  L, f5 j, z0 \1 W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
- ?; o0 z3 b4 _6 L* G; z& g: N- @符串都不需要改变。
  s; z/ {$ b' {9 W+ d# a4 Z4 ?* H# \●工具支持
Windows 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。
, b+ w+ H% c3 }2 }- T) a5 R6 Q5 V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
0 i: g( f' M+ Q# N: B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
* s6 e& p) _$ h# j8 dWeb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
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
Role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、
& k' b5 t' L. c0 [- Z6 L8 ^4 L7 cTable、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。
: Z  ]: W6 v0 b- l6 w% `9 |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
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
- `, e* d1 D2 k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
. E3 _- }/ l  _- zBlob存储系统获取Blob对象，这一步操作称为回源。
" a  R2 {$ ^% i( \! ]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
. I8 n0 e  k: Q1 i$ `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
+ v* q: k3 ^# Z1 }; v下。
. K: r8 F* E7 e' S. C（1）云存储组件
  r- x  A) H5 c0 f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
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
4 H1 g" X2 M! p* v; \  s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
& ~2 D4 O/ L8 Q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。
. w, e& a/ {5 |/ ~  f* j( p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
9 s8 U  i9 G. s- c) L4 s8 \% U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，
# X- S9 r. ^0 P) x. {2 M" ^* q/ ^# ]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。
（2）应用运行平台组件
: s, F& T9 @+ }! {9 R+ \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
+ e2 s/ l6 R# q' l9 \/ b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
同：AWS（Amazon Web Service）平台中的计算实例为Amazon的弹性计算（Elastic
' e' e4 S- j+ X% E0 nComputing,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），
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
* \7 X4 F9 k3 E+ W) d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，
. q8 G( j8 X; f2 N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
% }1 z( r# t6 T/ O  M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
" ^* U3 O$ d3 U0 l8 a; D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  P  b. Q. b1 ^4 C- f的请求按照一定的策略发送到合适的计算实例。
6 M; b! b6 L/ n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
8 U+ t* v; _: P! r4 s% A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
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
% w8 g; e& s2 ], H# C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。
●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
3 M' y" S# K* F6 q, E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
9 n  l3 ~% a3 |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
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
7 j  V1 T' [, c8 g0 a& J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
  s7 o7 e; A4 e& B) q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
* P# t9 J! E) M/ f  ]% m4 c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）。
●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
: G, V2 Y% I! M( q, j) ~& E) p+ r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
+ Z- r  Y( f) [; e7 d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。
8 }! w/ ?5 {! e5 J. D) j1 Y●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
) W: o6 b) F9 n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。
●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
/ z+ s  q6 K( c. b- \# {+ O6 jCPU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
3 v, g. v* }9 D/ {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。
% U; v2 j% L  E9 o3 A
5 B$ g, R6 Y' E