《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。
5 v5 o5 s* o& D$ ]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
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
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
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
% ~( Q* h8 H) e+ w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
3 k# t% @$ u0 V# {的在线客户端管理CRM服务，Google的企业应用套件Google Apps等。
! f% K9 c2 G& B2 U' B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
7 ]4 Y' a9 f) B9 p4 x' p1 E) g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
0 k& c5 q- ~2 OAmazon Web Services（AWS）是Amazon构建的一个云计算平台的总称，它提供
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
* i; A1 w2 h9 }+ L; z% b$ |●计算类：核心产品为弹性计算云EC2（Elastic Computing）。EC2几乎可以认为
0 c  ^# ]9 `$ K; q# v8 Z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
3 c( A, ]4 @. n( B* E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
) A5 o1 E- N& p2 I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
: t& H/ O+ u6 H8 H' [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
- p* ~+ W' h9 f9 ^- j% 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，
& |3 b2 A% ^# _( D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。
0 F9 d- \6 B; T  d0 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、
DynamoDB、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
7 {, `0 @/ x; t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
$ @; x" k3 m# t* b; P- s- VOracle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
ElasticCache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
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。
4 }6 _; L6 x, {. bAWS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
; M3 o5 n- ?9 {5 K4 v+ \1 J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
5 _' [$ j* m$ j) l1 D9 m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
$ a0 L, |# A5 M（Auto Scaling Group），并通过弹性负载均衡（Elastic Load Balancing）技术将访问
( F( C( A6 H% W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
& q3 V  S" W* I4 a/ P/ _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
7 v% w  P! D. M& ~通过内容分发技术缓存到多个CloudFront节点。当Internet用户浏览MyWebSite.com
% T2 w& i# {# Z9 g9 Z% `% q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
( ?# n( s  e# t& b" pCloudFront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
; K& a7 e# V) g/ c: J' @/ v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
: u: ?& p3 ~# B' I5 c6 Y( T: A1 k& q8 JGoogle云平台（Google App Engine,GAE）是一种PaaS服务，使得外部开发者可
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：
; i- L( i4 t' B●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
8 z/ G% R* w( [5 k4 u1 Z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
/ \, z+ L$ y* z8 ^7 b, j端，从而前端可以将访问流量切换到正确的应用服务器。
●存储区。包括DataStore、MemCache以及BlobStore三个部分。应用的持久化数
" n+ `9 k( k9 r' E5 e/ _据主要存储在DataStore中，MemCache用于缓存，BlobStore是DataStore的一种补充，
5 v: T1 I- b  o5 T% j& }; k$ i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
- i/ J- D* |7 A# U图像处理服务（Images）、邮件服务、抓取服务（URL fetch）、任务队列（Task
" i" }, U# O; W; p" P& A% J  I9 DQueue）以及用户服务（Users）等。
. X+ H, j" F, P另外，作为PaaS服务，GAE还提供了如下两种工具：
3 T4 N% a' Y) F: u. z●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。
4 a% @3 }8 u' Z* o: q8 u●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
0 V2 Q1 \! A- _. @. P+ ^资源消耗、应用日志等。
! r5 V9 h$ @4 [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
( F7 E7 F& K" U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
$ {6 a5 U. L5 y+ D0 A5 \5 a; Y7 hGAE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
/ D2 O/ a: [/ r% n, `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
8 m! p0 M/ V: O) e$ bGAE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：
●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。
●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。
●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
1 _2 s- ]& G( @2 y$ |; Z: R1 |; h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。
2.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
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
9 m( I# C, d: i! L5 G7 ]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
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
据库服务。
0 z) @1 [: q1 ~2 ?& n) ~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
8 Y; S" Q4 m( l' U' T- V9 ~) O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。
WindowsAzure平台包含如下几个部分。
●计算服务
: q7 t" b$ H& x* @8 p& d8 KWindows Azure平台中每个计算实例是一个运行着64bit的Windows Server 2008的
. h/ y6 j8 {  d; ?8 m5 {5 q8 A; g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；
( p2 [% u2 s4 G+ xWorker 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
* v4 d5 Q; H3 H. Z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
6 X  N) t2 H6 I* L% h" h0 b$ G9 s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
# r7 m& A, d7 t5 C4 m$ k6 ]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
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
8 E$ Y7 G, r# L- n! t+ Y, D! E* f0 n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，
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
7 L; n& B. Q: y, c& p9 c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
% S( O: M2 o$ s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
Azure内容分发网络（CDN）。Azure Caching在数据中心内部缓存热点数据，Azure
CDN在离用户较近的“边缘节点”缓存Azure Blob中的Blob对象。
. F4 V" D$ h) o. x8 V8 i●连接服务
7 d. O& }: C3 }  _5 TWindows 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
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
4 K) i9 t9 @) E% J9 e( \1 w" t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
# I9 ~- T. W  w; [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
) @) W  `( j0 I) j7 u( c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
% H! Y- |7 Z: |% X* G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
# l- c0 B* T1 N9 ERole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
2 g: j, P0 i. m5 H% Q2 P5 L符串都不需要改变。
* ]& M# o1 t0 g3 w( A6 T$ M3 ^8 H●工具支持
& f% V# F. }7 i, G6 Y9 P) u) {9 f1 AWindows 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，
) g1 R% e6 O: E7 |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。
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
$ t8 N; I0 h$ Q9 N, m- g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
' x# u- P/ R% Z8 ?. E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
8 J" K' O/ o5 m; r1 R) NRole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、
* L5 [. m1 o. F6 `& w, xTable、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。
5 b( \3 N. o/ j! Y- T) r图　12-6　Windows Azure Platform整体架构
+ B" {9 Z+ u0 _4 H2 C( T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
+ A: t+ v- g' s2 \7 M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
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
$ V. ~  W: s7 K8 uBlob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
9 ]: v8 y! _3 e7 F  v12-7所示。
图　12-7　云平台整体架构
* ?+ c9 ?! Y& e% R: e" 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 }3 i& n( w" u& X. p, P1 ]! ]4 ?（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
* S- X% @2 ]4 \- _! ^# y" ~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
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。
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
/ \! r& m3 v. s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
: ^6 d. G  y9 Z, q0 {- H5 m. F储层中的存储系统。
$ X  R& M3 E7 F2 e/ Z" A. n1 ?+ Z（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
同：AWS（Amazon Web Service）平台中的计算实例为Amazon的弹性计算（Elastic
2 H5 q6 [" K! o! z; y5 t# B( }7 e# |% iComputing,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
3 E5 J3 p  w/ C' ?& T; PMapReduce计算或者图像以及视频转换等离线任务；GAE（Google App Engine）平台
, N2 W  B$ F1 ]6 ]. v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
- N( k6 u- R# g- x* y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
5 {" k- b: j0 l# r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，
) [3 [! B# j$ Q$ n% E2 U) m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。
) q" u- p; `7 J/ S6 {1 ]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
' U8 f# D% A% ], A* c9 l( X- S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。
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
/ d! `8 X" H3 W7 j1 |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
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
5 U) I: b0 J; `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。
4 g1 }) ~- J5 x  w! `# F●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。
' b8 B5 U7 r! z8 X: I) y5 U●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
% f7 I4 _* g0 ^# H. Z7 n9 X4 y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
3 ~7 k$ W* w+ }+ j3 ~6 k3 A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
* ~" J2 H' ?+ V7 r* W& U) |5 U; I检测，分布式拒绝服务攻击（Distributed Denial of Service,DDoS）缓解等。Web漏洞
* W4 I& ~& B' 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
5 |2 h  R  C+ u, L1 `. c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
  l, T8 R/ [8 q7 v9 e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
# Y0 R& J0 t/ ^5 C/ r, l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 ?' F. T8 e1 q7 O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
1 ?8 v% u3 Y, ^+ U6 ?8 f- g击。
& f; j( i0 Q$ e. R1 K: Y1 _●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
% t9 l0 T' \& K! q7 I8 Y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
4 ~! O3 O  z" D" U8 f( {/ tAPI调用次数）。
- B9 ?' g6 Z. `5 h●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
* C5 h' d' J& \- S8 S. T: P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。
●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
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
# Y3 J. Q2 _4 x& O/ {: P& |9 ^3 |" ACPU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
( c' c6 ^$ Z) M2 v/ u- 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。
* b) B  v5 R# P; e" t, U# z1 ]4 I! s

% x* S! o* K7 V6 G( @' M, a) U