商业化的云计算组件有哪些？

这些云端技术不一定在所有云端都会采用，一些小型云端（如家庭云、小企业办公云等）根本不需要这么复杂的技术。

云计算中心应该如何选址？

前面教程中我们讲到，延时是网络的一个关键属性，那么对于实时的强交互性软件来说，云端至终端的往返延时应该控制在 100 毫秒之内，否则就会大大降低操作云端软件的用户的体验。

比如编辑一份 Word 文档，输入的文字要过一会儿才能出现在屏幕上，这是谁都接受不了的。目前云化实时强交互性软件的途径有两条：

降低延时的方法就是减少终端与云端的网络路径上的转发节点数目或者提高网络设备的转发速度，但我们不能直接修改广域网的网络，唯一能做的事情就是尽量把云端建在离用户最近的地方，这就是“让计算离用户最近”的原则。这里的“近”不是指地理位置上的近，而是指网络延时小。

比如美国的国际接入中心与中国的广州，地理位置上相距很远，但是网络延时却非常小，因为连通两地的是太平洋海底光缆，中途转发设备极少，几乎没有延时，所以两地相距很“近”。

在中国，较好的布局是：分别在北京、上海、广州、沈阳、南京、武汉、成都、西安人口密集区部署云端分部。这 8 个城市也是组成电信网的核心网部分，国际出口设在北京、上海和广州，所以如果云端要服务全球，最好的地方就是北京、上海、广州三个城市。图 1 所示是中国电信主干网络图。

图 1 中国电信主干网络图

对于一个服务全国的公共云端来说，一个不错的布局方案如下：

在北京、上海和广州三地建设存储云，专门存储租户数据，这三个存储云互为备份，以确保数据万无一失。在省会城市分别建设一个中等规模的云端分部，这些云端分部的主要作用是计算，而不是保存数据，数据被保存到存储云。在地级市建设小型云端支部，完成辖区内的计算任务。如有必要，在县级市建设微型云端。

这些云端是各自独立的，没有从属关系，但是它们都与存储云建立联系。在租户登录时，会自动引导其进入最“近”的云端。比如，租户甲平时都在中山，自然是登录中山的云端，当他出差去北京时，就登录到北京的云端。公共云全国布局的示意图如图 2 所示。

图 2 公共云全国布局

这样，各个计算云与存储云之间的数据传输是在后台批量进行的，而计算云与终端之间是前台的、批量的或者实时的。对租户来说，实现了就近计算，从而可以大大降低网络延时。如果有国外租户，则可能还要在国外建立云端。

提醒：云端都应该规划成可伸缩性的——开始运行少量服务器，以后再根据租户数的增加不断增加服务器。

相比于“让计算离用户最近”的原则，目前有一个类似的概念，叫作“内容分发网络”，可以理解为“让内容离用户最近”，全称是 Content Delivery Network，简称为 CDN。用户就近访问网络内容（如网站、流媒体等）有两个好处：一是用户体验好，二是传输成本低。

如图 3 所示，为阿里云 CDN。除上面的“让计算离用户最近”和“让内容离用户最近”的布局原则外，还有“离能源丰富的地方最近”和“离寒冷的地方最近”的布局原则。云中心的能耗主要包括机器设备消耗的电力和温湿度控制设备消耗的电力，所以充足稳定的能源供应至关重要，同时尽量降低温湿控制设备的能耗，比如把云中心建在寒冷的地区（如南极洲），就不需要制冷设备了。

在传统的机房里，制冷设备的能耗会超过一半。最理想的建设云端的地区的特点有：寒冷、电力充裕、人口密集、无地质灾害、计算机网络设施发达，如图 4 所示。

图 3 阿里云CDN

图 4 著名云中心选址

云计算中心如何存储数据？分布式存储+外部存储+直接存储

前面讲过，云计算的精髓就是把有形的产品（如网络设备、服务器、存储设备、各种软件等）转化为服务产品，并通过网络让人们远距离在线使用。而计算资源主要是指服务器（CPU、内存）、存储和网络，存储一方面是虚拟内存的组成部分，另一方面也是软件、数据的存放场所，如图 1 所示。

图 1 存储

CPU 和内存通过主板紧密地捆绑在一起，二者利用主板上的高速并行总线进行通信，目前的技术还不能做到使它们分离，而且也没有这个必要。但是如果存储与 CPU 分离（不直接通过主板连在一起），就会有很多好处，比如可以共享存储、计算机可以无状态、便于计算资源横向伸缩等。

目前能使 CPU 与存储分离的技术很多，如 FC、FCoE、iSCSI、NFS、CIFS 等，前三个是磁盘块共享技术，后两个是文件共享技术，而且还出现了块共享的 SAN 产品和文件共享的 NAS 产品。

一个磁盘块等于整数个磁盘扇区，一个磁盘扇区能储存 512 个字节的数据（现在大容量硬盘是 4KB 扇区），而扇区是读写硬盘的最小单位。也就是说，一次不能从硬盘读写小于一个扇区的数据（512B 或 4KB）。直接读取磁盘块不需要操作系统参与，但是读取硬盘上的文件（如复制“我的简历.doc”到 U 盘上）必须要操作系统配合。根据存储与 CPU 分离的程度，存储可划分为如下 3 种类型。

1）外部存储

存储和 CPU 不在同一台计算机上，如 SAN 和 NAS 存储是单独的存储设备，它们通过以太网线或者光纤与计算机连接。专门的存储网络设备很贵，随着以太网速度越来越快，基于以太网的存储技术逐渐流行起来，如 iSCSI，10Gbit/s 的网卡能提供 1GB/s 的理论速度。

注意，这里的单位 Gbit/s 和 GB/s，前者表示每秒多少比特，一个比特就是一位二进制数字，要么是 0，要么是 1；后者表示每秒多少字节，一个字节等于 8 个比特。计算机里的一个字节先要加上一位校验位和一位停止位，然后再通过网卡传递出去，所以一个字节传递到网络上就占据了 10 个比特位。外部存储的示意图如图 2 所示。

图 2 外部存储

2）直接存储

存储直接接插到主板上，通过 PATA、SATA、mSATA、SAS、SCSI 或者 PCI-E 接口总线通信。传统的机械硬盘一般采用 PATA、SATA、SAS、SCSI 接口，相对于外部存储，直接接插主板的机械硬盘的速度优势越来越不明显，但是固态硬盘（如 mSATA、PCI-E）的速度优势还是比较明显的，尤其是 PCI-E 的固态硬盘，代表着业界顶尖的存储技术。直接存储的示意图如图 3 所示。

图 3 直接存储

3）分布式存储

通过分布式文件系统把各台计算机上的直接存储整合成一个大的存储，对参与存储的每台计算机来说，既有直接存储部分，也有外部存储部分，所以说分布式存储融合了前面两种存储方案。由于需要采用分布式文件系统来整合分散于各台计算机上的直接存储，使之成为单一的名字空间，所以所涉及的技术、概念和架构非常复杂，而且还要消耗额外的计算资源。

服务器存储局域网（Server SAN）逐渐被数据中心采用，而且发展很快，Ceph 分布式存储系统就属于 Server SAN，被很多云中心采用。目前的软件定义存储（SDS）概念就是分布式存储。分布式存储的示意图如图 4 所示。

图 4 分布式存储

存储的评价指标有容量、速度、每秒读写次数（IOPS）、可用性。“容量”比较容易理解，就是能存储的数据总量。

在实际项目中，我们更在乎有效容量，比如四块 1TB 的硬盘，加起来容量是 4TB，但是如果这四块硬盘做成镜像（RAID-1），那么有效容量就是 2TB；如果做成 RAID-5，有效容量就又不一样了。容量要求很容易满足，一般采用横向扩容即可。“速度”指标是指每秒传输的数据量，速度与带宽是同一个概念。

IOPS 是最重要的指标，定义为每秒钟能响应的读（或写）操作的次数，体现的是并发性和随机访问能力。IOPS 与磁盘的转速、平均寻道时间密切相关，磁盘的平均寻道时间为 4～12ms，对于转速 7200rpm 的磁盘，我们可以计算出其 IOPS 近似值：1000÷[1000÷（7200÷60）÷2+8]=83。对单块磁盘来说，“读/写”磁盘从微观层面上看是串行的。

比如 100 个人同时访问磁盘，磁盘是一个一个地响应用户的请求，但在宏观上又表现为并行性，即 100 个人在一秒钟内同时访问到了磁盘，给人一种并行的错觉。提高 IOPS 的方法有很多，比如采用更好的硬盘（如固态盘），或者增加磁盘的数目并让访问分散到各个硬盘，也可以采用更多的缓存（Cache），从而让经常访问的内容驻留在缓存中。

如图 5 所示，如何将主机 IOPS 需求转换成磁盘实际 IOPS 负载，并计算出需要的磁盘数呢？

图 5 主机 IOPS 需求与磁盘实际 IOPS 负载

首先我们要明白，主机的 IOPS 需求并不一定等于磁盘实际 IOPS 负载。比如对于 RAID-1，主机写一次，磁盘实际要写两次（镜像的两个磁盘各写一次）；再比如 RAID-5 存储，主机写一次，磁盘要读两次、写两次，共 4 个 IOPS。主机写 1 次对应磁盘实际发生的读写次数称为写惩罚（Write Penalty），阵列类型不同，写惩罚也不同，具体参见图 5。RAID-5写操作示意图如图 6 所示。

图 6 RAID-5 写操作示意图

在图 6 中，主机向 RAID-5 存储写 1001，存储中实际发生的步骤如下。

1）读取原始数据 0110 并与新的数据 1001 做异或操作：0110 xor 1001=1111。

2）读取原有的校验位 0010，并用第一步算出的数值 1111 与原校验位再做一次异或操作：0010 xor 1111=1101。

3）然后将 1001 新数据写入到数据磁盘，将第二步中计算出来的新校验位 1101 写入校验盘。

现在假设主机的 IOPS 需求是 x，读/写比率为 2：1，存储为 RAID-5，那么可以算出磁盘实际的 IOPS 负载 y：

例如 x=360，则计算得出 y=720。假设一个 7200rpm 的 SATA II 硬盘的 IOPS 按 90 算，那么需要

个磁盘，8 个磁盘做成 7+1 RAID-5。在上述公式中，“

”表示每秒磁盘的读次数，“读”不存在惩罚，也就是说，主机的一次读对应磁盘的一次读。

存储的“可用性”指标关乎数据的安全性，是指保存在存储设备上的数据不会丢失的概率。由于磁盘故障而导致用户数据丢失，是一件非常糟糕的事情。通常用几个“9”来衡量可用性，比如 3 个“9”的可用性，意思是一年之中 99.9% 的时间内数据不会丢失。

提高可用性的方法也有很多，比如购买更稳定可靠的磁盘、做成多路镜像、采用不间断电源供电、提高备份的频率，甚至是建立多个异地灾备中心，乃至部署双活中心等。对于当前主流的硬盘产品，我们总结如下云计算框架图，如下表所示。

容量带宽IOPS可用性

5400转PATA硬盘

128GB~2TB

1Gbit/s

30~50

如果损坏，还可以恢复大部分数据

7200转SATA硬盘

250GB~3TB

3Gbit/s

75~100

10000转SATA硬盘

300GB~800GB

3或6Gbit/s

125~150

10000转SAS硬盘

100GB~600GB

140

15000转SAS硬盘

100GB~300GB

3~12Gbit/s

175~219

SATA SSD

8GB~1TB

3Gbit/s

400~20000

如果损坏，则整块硬盘上的数据全部丢失

SATA SSD

8GB~1TB

6Gbit/s

60000~120000

mSATASSD

80GB~1GB

4~8Gbits

400~20000

PCI-E SSD

60GB~2TB

>8Gbit/s

12万~1千万

注意，表 1 中的带宽单位，Gbit/s 是每秒 G 比特位，MB 是每秒多少兆的字节，一字节等于 8 比特。在带宽的计算中，有经验公式：1B≈10bit，加上了校验位和停止位。比如你家里申请了 4 兆的宽带上网，那么在网络通畅的情况下，下载文件的速度约等于 400KB，即 400KB×10=4MB。

在云端，往往设计两个层次的存储：一个是物理机器访问的存储，一个是虚拟机访问的存储。

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（编辑：晋中站长网）

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