云计算技术

本书为云计算及相关技术的入门教材。本书从云计算的概念、技术与构架几个方面入手，对云计算及相关技术进行较为细致的介绍，具体涉及云计算相关的处理技术（虚拟化技术）、通信技术（计算机网络技术）和存储技术（存储及分布式存储技术）；同时结合云典型应用案例介绍开源的云计算管理平台项目OpenStack及被广泛应用的容器技术；后介绍云计算发展的趋势。本书旨在为读者提供云计算领域较为完整的知识架构，为读者今后从事云计算、大数据等相关领域的研究、开发等工作或继续学习深造打下基础。另外，本书每章后都配有相应的习题，以便读者巩固所学知识。

王伟，华东师范大学教授，博士生导师，中国计算机学会高级会员、中国计算机学会教育工作委员会委员、中国计算机学会大数据专委会通讯委员、开源社理事会成员。IBM中国优秀教师奖教金、Google奖教金获得者，荣获“第二届中国大数据创新百人”称号。

第 1章 云计算概述 1

1.1　无处不在的云计算　1

1.2　云计算的特点　3

1.2.1　按需自助服务　3

1.2.2　广泛的网络接入　4

1.2.3　资源池化　4

1.2.4　快速弹性伸缩　4

1.2.5　可计量服务　5

1.3　云计算的定义　6

1.4　云计算的起源和发展　9

1.4.1　网络及互联网的发展史　9

1.4.2　计算模式的发展史　11

1.4.3　云计算的推动力　16

1.4.4　云计算的发展　18

1.5　云计算的优势　18

1.6　云计算的分类　19

1.6.1　按照运营模式分类　19

1.6.2　按照服务模式分类　21

1.7　云使能技术　23

1.7.1　宽带网络和Internet架构　23

1.7.2　数据中心技术　25

1.7.3　虚拟化技术　25

1.7.4　Web技术　26

1.7.5　多租户技术　28

1.7.6　服务技术　28

1.8　多角度认识云计算　30

1.8.1　云计算的三元认识论　30

1.8.2　云计算的开源方法论　34

1.9　习题　37

第　2章 云计算机制　39

2.1　云基础设施机制　39

2.1.1　逻辑网络边界　39

2.1.2　虚拟服务器　40

2.1.3　云存储设备　41

2.1.4　云使用监控　44

2.1.5　资源复制　46

2.2　云管理机制　46

2.2.1　远程管理系统　47

2.2.2　资源管理系统　48

2.2.3　SLA管理系统　49

2.2.4　计费管理系统　49

2.3　云安全机制　50

2.3.1　加密　50

2.3.2　散列　51

2.3.3　数字签名　52

2.3.4　公钥基础设施　53

2.3.5　身份与访问管理　54

2.3.6　单点登录　54

2.3.7　基于云的安全组　55

2.3.8　强化的虚拟服务器映像　56

2.4　基本云架构　57

2.4.1　负载分布架构　57

2.4.2　资源池架构　58

2.4.3　动态可扩展架构　58

2.4.4　弹性资源容量架构　59

2.4.5　服务负载均衡架构　60

2.4.6　云爆发架构　61

2.4.7　弹性磁盘供给架构　61

2.4.8　冗余存储架构　62

2.5　习题　63

第3章　虚拟化技术　65

3.1　虚拟化技术简介　65

3.1.1　虚拟化的定义　65

3.1.2　虚拟化技术的发展　66

3.1.3　虚拟化技术的优势　67

3.1.4　虚拟化技术的常见类型　68

3.2　服务器虚拟化的基础知识　69

3.2.1　系统虚拟化　69

3.2.2　服务器虚拟化　70

3.2.3　典型实现　70

3.2.4　全虚拟化　71

3.2.5　半虚拟化　72

3.2.6　主流服务器虚拟化技术　73

3.3　服务器虚拟化的支撑技术　73

3.3.1　CPU虚拟化　73

3.3.2　内存虚拟化　75

3.3.3　设备与I/O虚拟化　76

3.3.4　存储虚拟化　78

3.3.5　网络虚拟化　78

3.3.6　桌面虚拟化　79

3.4　虚拟机的主要功能　80

3.4.1　虚拟机快照　80

3.4.2　虚拟机快速部署与克隆　81

3.4.3　虚拟机备份　82

3.4.4　虚拟化集群　82

3.4.5　虚拟机资源热添加　83

3.4.6　NUMA　84

3.5　KVM　84

3.5.1　KVM简介　84

3.5.2　KVM的虚拟化技术　85

3.6　FusionCompute　86

3.6.1　FusionCompute简介　86

3.6.2　FusionCompute的计算虚拟化　88

3.6.3　FusionCompute的存储虚拟化　91

3.6.4　FusionCompute的网络虚拟化　92

3.7　桌面云　93

3.7.1　桌面云概述　93

3.7.2　桌面云架构与关键技术　93

3.7.3　桌面云典型应用案例　94

3.7.4　FusionAccess简介　95

3.8　习题　96

第4章　云计算中的网络基础知识　97

4.1　计算机网络概述　97

4.1.1　计算机网络的基本概念　97

4.1.2　计算机网络的形成与发展　98

4.1.3　计算机网络的定义与功能　100

4.1.4　计算机网络的组成　100

4.1.5　计算机网络的分类　101

4.1.6　计算机网络的拓扑结构　103

4.2　计算机网络的基本原理　104

4.2.1　网络的分层与封装　105

4.2.2　物理层　106

4.2.3　数据链路层　106

4.2.4　网络层　107

4.2.5　传输层　107

4.2.6　应用层　108

4.3　网络互连设备　108

4.3.1　中继器和集线器　108

4.3.2　网桥和交换机　109

4.3.3　路由器　110

4.4　网络虚拟化　112

4.4.1　网络虚拟化概述　112

4.4.2　传统的网络虚拟化　112

4.4.3　基于虚拟交换机的虚拟网络　116

4.4.4　华为虚拟化产品的网络特性　121

4.5　软件定义网络　124

4.5.1　SDN简介　124

4.5.2　SDN发展简史　125

4.5.3　SDN体系结构　127

4.5.4　SDN关键技术　128

4.5.5　SDN的优势　129

4.6　习题　130

第5章　云计算中的存储基础知识　132

5.1　存储的基础知识　132

5.1.1　存储的发展和技术演进　132

5.1.2　存储的前沿技术和发展趋势　135

5.1.3　常见的存储产品和解决方案　136

5.1.4　云存储的数据安全技术　137

5.2　基本存储单元　138

5.2.1　机械硬盘　138

5.2.2　固态硬盘　140

5.3　网络存储　142

5.3.1　DAS　142

5.3.2　SAN　143

5.3.3　NAS　146

5.4　存储可靠性技术　149

5.4.1　传统RAID技术　149

5.4.2　RAID 2.0   技术　151

5.5　存储虚拟化　155

5.5.1　I/O通路的虚拟化　155

5.5.2　块级和文件级的存储虚拟化　157

5.5.3　基于主机的存储虚拟化　161

5.5.4　基于存储设备的存储虚拟化　161

5.5.5　基于网络的存储虚拟化　161

5.5.6　存储虚拟化产品及应用　162

5.6　分布式存储　163

5.6.1　云存储概述　163

5.6.2　HDFS　164

5.6.3　对等存储系统　166

5.7　习题　168

第6章　OpenStack　169

6.1　OpenStack概述　169

6.1.1　OpenStack架构　169

6.1.2　OpenStack核心组件　170

6.1.3　OpenStack组件逻辑关系　171

6.2　OpenStack操作界面管理　172

6.2.1　OpenStack操作界面简介　172

6.2.2　OpenStack操作界面的架构和功能　172

6.3　OpenStack认证管理　173

6.3.1　OpenStack认证服务简介　173

6.3.2　OpenStack认证服务原理　175

6.4　OpenStack镜像管理　176

6.4.1　OpenStack镜像服务简介　176

6.4.2　OpenStack镜像服务原理　177

6.5　OpenStack计算管理　177

6.5.1　OpenStack计算服务简介　177

6.5.2　OpenStack计算服务原理　178

6.6　OpenStack存储管理　180

6.6.1　OpenStack存储服务简介　180

6.6.2　OpenStack存储服务原理　181

6.7　OpenStack网络管理　184

6.7.1　Linux网络虚拟化基础　184

6.7.2　OpenStack网络服务简介、架构　187

6.7.3　OpenStack网络服务原理、流程　188

6.7.4　OpenStack网络服务典型场景分析　189

6.8　OpenStack编排管理　190

6.8.1　OpenStack编排服务简介　190

6.8.2　OpenStack编排服务架构　191

6.8.3　OpenStack编排服务原理　192

6.8.4　OpenStack编排服务与配置管理工具集成　192

6.9　OpenStack故障管理　193

6.9.1　OpenStack故障处理　194

6.9.2　OpenStack故障处理工具　195

6.9.3　OpenStack故障处理案例　196

6.9.4　OpenStack故障处理的相关

项目　198

6.10　习题　199

第7章　容器技术　201

7.1　容器技术概述　201

7.1.1　容器技术简介　201

7.1.2　容器镜像　205

7.1.3　容器网络　210

7.1.4　容器存储　213

7.1.5　容器底层实现技术　216

7.2　Kubernetes概述　217

7.2.1　Kubernetes简介　217

7.2.2　Kubernetes管理对象　219

7.2.3　Kubernetes服务　221

7.2.4　Kubernetes网络　223

7.2.5　Kubernetes存储　226

7.2.6　Kubernetes服务质量　229

7.2.7　Kubernetes资源管理　231

7.3　习题　234

第8章　云计算及其他新兴技术　236

8.1　云计算发展趋势　236

8.1.1　云计算在国内的发展及趋势　236

8.1.2　云计算在国外的发展及趋势　237

8.1.3　云计算未来发展需解决的问题及展望　238

8.2　与云计算相关的其他领域　239

8.2.1　物联网　239

8.2.2　大数据　241

8.2.3　人工智能　243

8.2.4　5G　244

8.3　其他新兴技术简介　245

8.3.1　边缘计算和雾计算　245

8.3.2　微服务　247

8.3.3　无服务器计算　249

8.4　习题　251

参考文献　253

本书为云计算及相关技术的入门教材。本书从云计算的概念、技术与构架几个方面入手，对云计算及相关技术进行较为细致的介绍，具体涉及云计算相关的处理技术（虚拟化技术）、通信技术（计算机网络技术）和存储技术（存储及分布式存储技术）；同时结合云典型应用案例介绍开源的云计算管理平台项目OpenStack及被广泛应用的容器技术；后介绍云计算发展的趋势。本书旨在为读者提供云计算领域较为完整的知识架构，为读者今后从事云计算、大数据等相关领域的研究、开发等工作或继续学习深造打下基础。另外，本书每章后都配有相应的习题，以便读者巩固所学知识。

王伟，华东师范大学教授，博士生导师，中国计算机学会高级会员、中国计算机学会教育工作委员会委员、中国计算机学会大数据专委会通讯委员、开源社理事会成员。IBM中国优秀教师奖教金、Google奖教金获得者，荣获“第二届中国大数据创新百人”称号。