《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
' [4 d; m* A# t5 j% \: X（PaaS）以及软件即服务（SaaS），如图12-3所示。
+ f0 m' N0 ?5 g* s! M7 b. T7 F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
6 k. k: |9 j" o云计算AWS（Amazon Web Service）的弹性计算云EC2，PaaS进一步抽象硬件资源，
  J; x9 J; H6 w; r6 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
3 y1 Y8 u1 Y6 P5 t: E) ?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
; w1 h) r0 i  t4 Y  U3 p" {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
/ o8 d8 h8 P0 o& Y5 O1 Q的在线客户端管理CRM服务，Google的企业应用套件Google Apps等。
0 }! B# _1 S$ w& G8 X) c) K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
) W; [2 q& ]9 q  ~; z9 O) ~& j; h4 L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
9 i! z5 J( C0 \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
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
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
! t9 y) X! G0 {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
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，
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
' S8 o# E- u; A- d9 c6 t0 pEC2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、
DynamoDB、分布式关系数据库服务（Relational Datastore Service,RDS）以及简单消
$ T7 _0 z# m6 r  t9 Z7 L# o7 Q息存储（Simple Queue Service,SQS）。S3用于存储图片、照片、视频等大对象，为
) M! i* O: Z: c. E4 o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
: ?1 }( W6 @. d+ p9 w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
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
& w- ^* U. [- ]1 U0 rElasticCache缓存存储系统中的热点数据。
; [! m$ Q, a9 `* A' g4 n* X, X% }●工具支持：AWS支持多种开发语言，提供Java、Ruby、Python、PHP、Windows
9 [5 k# u5 b  p) M" _＆.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 K. ^2 @  o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。
AWS平台引入了区域（Zone）的概念。区域分为两种：地理区域（Region
5 X5 B; _! _5 z1 o- u3 _  Z% vZone）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。
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
' I; C  A3 ]$ R+ L5 Y6 _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
/ Z, A  k$ f: S3 E& M5 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
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
通过内容分发技术缓存到多个CloudFront节点。当Internet用户浏览MyWebSite.com
! U" b/ ^* T8 r7 s  C5 I, a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
7 P& a+ T/ z5 r: ^: Q  Z& D0 X8 uCloudFront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
' _- L3 ^$ @9 j+ ^# LGoogle云平台（Google App Engine,GAE）是一种PaaS服务，使得外部开发者可
- |% j4 a- ~3 Z" _* a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。
# c: ]3 B7 G2 i: Q+ x  q3 x( q; hGAE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：
0 L' x1 ^8 Z  a7 V  v0 t2 s●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
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。
& s5 L; ?8 }+ F; A●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 }' c' a% q: m5 ]* p! p# |6 b●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。
●存储区。包括DataStore、MemCache以及BlobStore三个部分。应用的持久化数
! P) h! e+ k: E% X9 g* U0 z. J据主要存储在DataStore中，MemCache用于缓存，BlobStore是DataStore的一种补充，
) k) @3 t; X5 d/ U4 _用于存储大对象。
# m) s! J( V+ s7 P" t0 M7 H●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
图像处理服务（Images）、邮件服务、抓取服务（URL fetch）、任务队列（Task
/ o1 D3 x; U: VQueue）以及用户服务（Users）等。
6 p9 V( @$ \8 ^- g另外，作为PaaS服务，GAE还提供了如下两种工具：
●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
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
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。
4 f+ T/ k! X3 c& {- a+ h7 Z1.应用服务器
GAE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
! Q2 P. i# P! m$ V- Z$ Z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：
●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
) @  X6 m, {1 ]: mFetch）分别从端口80和443上的其他主机发出HTTP和HTTPS请求。
6 z- c. g$ U+ {6 J- [; Y●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
  F3 G- p# S$ v3 K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。
' Y+ S( [. ~+ l% E2.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
+ O& ~* K8 G' r. o6 M( @5 g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 |7 k5 ^; Q1 X( e; p; ^2 T3 ^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。
* j& r9 c* M+ Z" a  ]: c除了GAE平台，Google还单独提供了两种云存储服务，Google Cloud Storage以及
1 v; V- f, O; TGoogle 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 {; n7 S: ]  \# J8 d12.5.3　Microsoft云平台
1 X/ u0 r! r, e/ A* T) {2 y& S; HWindows Azure Platform是一个服务平台，用户利用该平台，通过互联网访问微
0 X& v4 H+ a6 D& B5 H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#
* v8 m' {! [# E4 a  T3 `2 z0 i和.NET平台，还支持PHP、Python、Java等多种非微软编程语言和架构。
2 a$ x, E5 D* ZWindowsAzure平台包含如下几个部分。
: F* o& @6 h5 n1 T1 D! o●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
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
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
4 `9 r- ?5 r6 x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
* h" ?( G# ~; v: }' @' x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
. r5 h( c1 b/ GRole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
# D  _8 r1 ]: u% B* b/ T# W# z' ]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
* p; Z4 b3 i' l8 o8 I5 ?" e/ a户只需要专注于如何创建应用程序即可。
4 G8 I+ d, \" R9 Q# I2 c) N# _●存储服务
! n2 u$ q( Y3 C+ d+ f2 XWindows 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
' c, D+ G/ ]8 M9 O, M! 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，
9 J& M4 r" X4 J: Y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
: ?: O! l. j; v, c（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
7 A4 ^6 v7 W9 R' a. h, v- b4 D+ U) n" j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。
6 k! l" a2 w5 w2 C. f●连接服务
Windows Azure连接服务包括Azure Service Bus以及Azure Connect。Azure Service
$ T; i, a" E1 f$ A* H$ Y/ v; vBus包含三个部分：Service Bus Queue,Service Bus Topic和Service Bus Relay。其中，
+ g+ [( i8 s8 HService 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
( L% l: S0 D: C, ^/ R+ 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
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
& @, w) w. }$ x, D' H  f8 p: R7 A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
0 S( i! D& e; ?! |3 y' ^/ k4 ORole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
. R" Y* i0 x4 N; w9 i" g  o2 e符串都不需要改变。
: w0 S7 t3 a7 \●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
5 a* t' N; l7 @+ d7 Y; ]种语言的SDK以及平台管理工具。
* }3 x  @0 p$ s# V. @, }+ C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
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
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
! Y1 q: s+ ]! K* a7 Y1 u. H8 m9 I: V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、
4 T& B* @8 L. ]% {) tTable、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
* a* }7 O" n+ X) G. ?, X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
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
$ h+ X3 n0 b: t5 CBlob存储系统获取Blob对象，这一步操作称为回源。
) @. ~" V; B4 a2 j' P  g12.5.4　云平台架构
4 p) c. I$ C6 ^# Q6 N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
4 B3 D9 d4 N8 g) U12-7所示。
图　12-7　云平台整体架构
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% P) B4 R1 Z下。
. s8 S/ B% h7 a9 E8 t' g( ?（1）云存储组件
$ V; u4 ?, F( s. O" Q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' U( Y- F) z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
1 ?  P  m) `9 |, h0 e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
1 z# ~$ V# Z% r/ P7 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
3 ?# I; H) @) @) A  B' Q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
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，
; F/ U" o2 \- u! Z2 [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 q3 `. ?8 t& C* @储层中的存储系统。
（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
; \' j) s0 b% ^/ \/ X* _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
* `! p/ T/ j1 V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
: \0 u0 d' j1 O$ J9 C: dMapReduce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），
! Z1 V4 n) x+ S  S5 K* t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
& q4 W  A7 _8 ~! B* z  y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，
9 [- U( x+ w8 E4 I$ 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
/ T2 @: X( F8 T  x& a0 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
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
4 |7 F, A4 R0 e9 f" z的请求按照一定的策略发送到合适的计算实例。
- f5 u1 m7 K. B$ {) O( m, i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
+ V" I7 x% E' K% L' R' e; R5 i2 L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
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。
# `7 R& [, m1 r; T●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
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 L) i9 B' {# a  f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。
3 H& q/ ]+ Z9 u. m●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
. o& b/ ~, h! T) G4 @9 P! h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
- M$ ?% z4 t. f: I9 w8 B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
5 v8 S6 R* m8 {/ \$ ?/ {) K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
7 s9 |  L+ x& E6 U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
5 `; Z% d; H# Z+ B& b8 M7 L$ zAPI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
1 J! L; j- z( g8 v& C8 s) 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
5 {' b8 N* \) Q1 d9 w; Y/ ^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
( h" ~0 [# P- T/ |; j的负载均衡层，将流量切换到其他计算实例。
  b/ f0 s0 }% y* M1 i& m●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。
4 @% w; q* Q0 H# H' O/ y' 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
, O, o" ^/ }9 [' @. CCPU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
; G( l) t; g9 d7 l4 G  O要记录应用每次请求的响应时间、读写请求数等。


- p; o. B2 o9 \: ^- t5 K