【云计算&网络】相关基础知识

云计算的背景

随着互联网的发展，Web2.0 的浪潮使得大众可以参与信息制造和编辑，从而导致信息增长具有无限性的趋势。而摩尔定律的终结，使得在技术上和经济上都没有办法依靠硬件性能的提升而解决这一问题。怎样低成本的高效快速解决无限增长的信息的存储和计算问题是一个摆在科学家面前的命题。

云计算时代的到来

云计算是采用大规模低成本运算单元通过 IP 网络相连而组成的运算系统以提供运算服务的技术。它具有高性能、低成本、通用性强的特点。

所以说，云计算回答了这样的科学问题，那就是它可以以较低成本和较高性能解决无限增长的海量信息的存储和计算的问题。它使得 IT 基础设施能够实现资源化和服务化，使得用户可以按需定制，从而改变了传统 IT 基础设施的交用和支付方式。

从当前云计算的发展趋势来看，未来将有非常光明的前景，应用领域将涉及社会生活的各个领域。同时云计算发展将会从当前的手机、PC 端逐渐向各种衍生产品拓展。同时，云计算技术自身的兼容性将会得到进一步提升，从而使其能够更广泛应用于各种终端，让人们的生活获得更好的体验。

• 互联网就是一个超大云。
• 在云计算诞生之前，高效快速解决无限增长的信息的存储和计算问题是一个摆在科学家面前的命题。
• 云计算对企业而言的意义包含有以下哪些方面？

降低了维护成本
可以获得更好的存储能力
能够提高系统的性能

• 简单的来说，云计算等于资源的闲置而产生的。

云计算的特征

什么叫计算资源？

• 计算资源也称为计算设备，计算资源包括 CPU、内存、硬盘和网络。
• 广义的计算资源还包括应用软件和人力服务，如果不特别声明，计算资源通常就是指服务器、存储、网络、应用软件和人力服务。
• 计算资源所在地称为云端（也称为云基础设施），输入/输出设备称为云终端。

云计算的特征

1. 资源丰富、规模庞大
2. 虚拟化技术
3. 快速弹性
4. 高可靠性与高可扩展性
5. 按需服务

1、广泛的网络接入：可通过网络，采用标准机制访问物理和虚拟资源；
2、可测量的服务：通过可计量的服务交付使得服务使用情况可监控、控制、汇报和计费；
3、多租户：通过对物理或虚拟资源的分配保证多个租户以及他们的计算和数据彼此隔离和不可访问；
4、按需自服务：云服务客户能根据需要自动，或通过与云服务提供者的最少交互，配置计算能力；
5、快速的弹性和可扩展性：物理或虚拟资源能够快速、弹性，有时是自动化地供应，以达到快速增减资源目的；
6、资源池化：将云服务提供者的物理或虚拟资源进行集成，以便服务于一个或多个云服务客户；

• 云计算可以把普通的服务器或者 PC 连接起来以获得超级计算机的计算与存储等功能，但成本更低

云计算的优点

1. 能快速搭建我们的应用
2. 节约了建立基础设施的成本
3. 提高资源管理效率

1、费用低，让用户无需在购买硬件、软件和建设数据中心上进行资金投入。
2、性能强，云计算系统中的计算机启动并运行速度更快，因为它们将更少的程序和进程加载到内存中。
3、效率高，云计算系统处于 24 小时开机状态，有需要可以随时分配资源，对资源的利用效率高。
4、可靠性强，云提供商提供了用于提高整体安全情况的策略、技术和控件，这些有助于保护数据、应用和基础结构免受潜在威胁。

云计算的劣势

1. 数据的安全性和保密性
2. 严重依赖网络
3. 自主权降低

云计算面临的问题

1）任务划分，使得任务能更加优化的被分解和并行执行；
2）任务调度，操作尽量本地化，以保证在网络资源有限的情况下，最大程度地将计算任务在本地执行，减少通信开销；
3）自动容错处理机制，保证在结点失效的情况下处理任务仍然能够正确地执行。

云计算的基本原理

通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或者远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。

分布式计算

随着技术的发展，一些应用程序需要大量的计算能力才能完成，如果采用的是集中式计算的话，则是需要耗费大量的时间才能完成。然而分布式计算可以将应用分解成很多的小模块，分配到多台计算机进行处理，这样可以快速的处理，缩短时间，极大的提高了计算效率。

什么是分布式计算

由多个能独立运行的计算机（也称节点）组成。各个结点利用计算机网络进行信息传递，从而实现共同的“目标或者任务”；简单来说就是一个任务细分为多个任务，每个任务由一台或多台计算机来完成。

分布式计算的优点

1. 高可用性
2. 高可扩展性
3. 计算速度快
4. 提升容错能力

分布式计算的劣势

1. 故障排除难度高
2. 维护成本高
3. 安全性

由于分布式系统是开放的，本地和远程都能访问到服务器。使得分布式系统存在数据安全和数据泄露的风险。

SDN的提出

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）

传统网络的基本机制就是控制与转发，而转发控制机制其实就是路由规则，路由协议，以及路由表的生成。而目前网络经常出现拥塞甚至崩溃现象主要是因为路由器性能不高，或者负荷太重造成的。造成这种负荷过重的原因有一条很重要的就是它们不仅需要考虑转发数据，而且还要考虑如何转发，这就大大降低了其主要功能——数据转发的效率。

不仅如此，由于路由器分布在网络的各个地方，运行着各自不同的协议，就如同操持不同语言的人一样，相互之间必然存在一定的障碍。

这时就需要做出改变，要彻底解决目前的问题就是使用全新的网络模式，于是 SDN 被提出来了，一个可以彻底解决目前所遇到的网络问题的全新的网络架构。

SDN 是什么

SDN 是基于 OpenFlow 技术实现网络的可编程能力（ OpenFlow 只是实现 SDN 的一个协议 ），使网络像软件一样灵活编程， SDN 技术应运而生。

SDN 的定义是其字面意思软件定义网络，控制与转发分离，管理与控制分离只是满足 SDN 的一种手段，OpenFlow 只是满足 SDN 的一种协议。

SDN 把所有设备的控制界面都进行统一管理，将设备的控制平面与转发平面分开，原来的设备只负责转发。

SDN 与传统网络的对比

1. 集中控制
2. 控制转发分离
3. 开放 API

传统网络的组成

• 网线/网卡：传统网络主要是由网线对 PC 进行连接，但是网线也带来了网卡与网络协议。
• 路由器：为了提升网络的传输距离出现了路由器，
• 交换机：为了防止网络风暴于是出现了交换机，
• 无线局域网：为了降低布线的难度于是出现了无线网局域网，
• 防火墙：当网络出现安全问题之后又出现了防火墙来保证安全。

路由器：路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。

路由器用于连接外网的网关，相当于自己家的大门。

现在的家用路由器一般都自带无线局域网发射器，可以提供无线 WiFi 。

交换机：

交换机根据工作位置的不同，可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。

上图是一台思科交换机，用于多台 PC 之间的连接。交换机一般都是多台PC在一个环境中需要联网，为了节省路由器的接口，所以先将PC连接到交换机上，再把交换机连接到路由器上。一般情况如果只有一个设备连接网线的话是不需要交换机的。

防火墙：

防火墙有两种形式，一种是实体机的，这种一般只有在企业的网络中出现，一般个人或家庭中不使用实体机防火墙。另一种是软件形式的防火墙，这种形式的防火墙一般都是包含在杀毒软件中，被当成杀毒软件的一部分，比较著名的有360，腾讯管家，卡巴斯基等。

上图是一台H3C的防火墙实体机，外界的网络首先接入防火墙，再经过防火墙接入内部网络，当数据通过防火墙时会进行一次筛选，过滤掉危险的数据。

传统网络的弊端

路由器：不同的公司出厂的路由器使用的命令行也不相同。

交换机：

从交换机再连接到路由器就会出现一点延迟，因为数据在路由器经过处理之后到达交换机，交换机还要再处理一次，而且如果是不同品牌的路由器与交换机可能还会更高。

就是因为这些原因，现在的网络传输效率越来越低，延迟居高不下。

传统网络架构的弊端

1. 业务流量模型不清晰
   传统三层架构服务器间交换，都要过三层核心，多层转发，增大了网络的延迟，还浪费了核心宝贵的资源。
2. 横向扩展能力不足
   传统数据中心使用 STP （生成树协议，可应用于计算机网络中树形拓扑结构建立，主要作用是防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作）技术，虽然上联多根链路，但都是主备关系，仅有一根链路能跑流量，无法承载数据中心日益增长的业务。
3. 广播域过于庞大
   随着业务的发展，计算资源被池化。为了使得计算资源可以任意分配，需要一个巨大的二层网络架构。整个数据中心网络都是多个广播域，这样，服务器可以在规定的区域地点创建、迁移，而不需要对 IP 地址或者默认网关做修改。
4. 计算资源无法快速上线
5. 网络延时过大
   在使用传统网络架构时，每个业务模块都是一个烟囱结构，业务模块互相调用需要经过多个三层设备（平均需要经过 6 次物理设备）其中还可能包括防火墙等安全设备。

SDN 网络架构

OpenFlow 几大可能的应用场景

1）校园网络中对实验性通讯协议的支持；
2) 网络管理和访问控制；
3）网络隔离和VLAN；
4）基于WiFi的移动网络；
5）非IP网络；
6）基于网络包的处理。

• OpenFlow 出现的最终目的是要改变现有网络基础架构。
• OpenFlow 将网络中所有的设备都视为可管理的资源，从而将网络设备抽象成一个网络操作系统，通过操作系统去管理所有的资源。

SDN 网络体系架构的三层模型

应用层：这一层主要是体现用户意图的各种上层应用程序，此类应用程序称为协同层应用程序，典型的应用包括 OSS（ Operation support system 运营支撑系统）、 OpenStack 等。传统的 IP 网络同样具有转发平面、控制平面和管理平面，SDN 网络架构也同样包含这 3 个平面，只是传统的 IP 网络是分布式控制的，而 SDN 网络架构下是集中控制的。

控制层：控制层是系统的控制中心，负责网络的内部交换路径和边界业务路由的生成，并负责处理网络状态变化事件。

转发层：转发层主要由转发器和连接器的线路构成基础转发网络，这一层负责执行用户数据的转发，转发过程中所需要的转发表项是由控制层生成的。

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