深入解析云计算的技术结构和三种服务模式

云计算是计算机科学和互联网技术发展的产物，也是引领未来信息产业创新的关键战略性技术和手段。它将带来工作方式和商业模式的根本性改变，对我国冲出国外企业的技术壁垒、发展高新技术产业具有重要的战略意义。

云计算的基本概念

云计算是通过网络按需提供的可动态伸缩的廉价计算服务。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务）。这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。 

云计算的特点

（1）超大规模：

大多数云计算中心都具有相当的规模，比如， Google云计算中心已经拥有几百万台服务器， 而Amazon 、IBM 、微软、Yahoo等企业所掌控的云计算规模也毫不逊色，并且云计算中心能通过整合和管理这些数目庞大的计算机集群来赋予用户前所未有的计算和存储能力。

（2）抽象化：

云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务，所请求的资源都来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置，这样能有效地简化了应用的使用。

    （3）高可靠性：

在这方面，云计算中心在软硬件层面采用了诸如数据多副本容错、心跳检测和计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，还在设施层面上的能源、制冷和网络连接等方面采用了冗余设计来进一步确保服务的可靠性。

    （4）通用性：

云计算中心很少为特定的应用存在，但其有效支持业界大多数的主流应用，并且一个“云”可以支撑多个不同类型应用的同时运行，并保证这些服务的运行质量。

    （5）高可扩展性：

用户所使用“云”的资源可以根据其应用的需要进行调整和动态伸缩，并且再加上前面所提到的云计算中心本身的超大规模，使得“云”能有效地满足应用和用户大规模增长的需要。

    （6）按需服务：

“云”是一个庞大的资源池，用户可以按需购买，就象自来水、电和煤气等公用事业那样根据用户的使用量计费，并无需任何软硬件和设施等方面的前期投入。

    （7）廉价：

首先，由于云计算中心本身巨大规模所带来的经济性和资源利用率的提升，其次，“云”大都采用廉价和通用的 X86 节点来构建，因此用户可以充分享受云计算所带来的低成本优势，经常只要花费几百美元就能完成以前需要数万美元才能完成的任务。

    （8）自动化：

云中不论是应用、服务和资源的部署，还是软硬件的管理，都主要通过自动化的方式来执行和管理，从而极大地降低整个云计算中心庞大的人力成本。

    （9）节能环保：

云计算技术能将许许多多分散在低利用率服务器上的工作负载整合到云中，来提升资源的使用效率，而且云由专业管理团队运维，所以其PUE（Power Usage Effectiveness ，电源使用效率值）值和普通企业的数据中心相比出色很多，比如， Google数据中心的PUE值在 1.2 左右，也就是说，每一块钱的电力花在计算资源上，只需再花两角钱电力在制冷等设备，而常见的PUE在2和3之间，并且还能将云建设在水电厂等洁净资源旁边，这样既能进一步节省能源方面开支，又能保护了环境。

    （10）完善的运维机制：

在“云”的另一端，有全世界最专业的团队来帮用户管理信息，有全世界最先进的数据中心来帮用户保存数据。同时，严格的权限管理策略可以保证这些数据的安全。这样，用户无需花费重金就可以享受到最专业的服务。

    由于这些特点的存在，使得云计算能为用户提供更方便的体验和更低廉的成本，同时这些特点也是为什么云计算能脱颖而出，并且能被大多数业界人员所推崇的原因之一。 

云计算的三种服务模式

任何一个在互联网上提供其服务的公司都可以叫做云计算公司。NIST 按照服务模式对云计算分为三类，分别是：

IaaS：Infrastructure（基础设施）-as-a- Service，

PaaS：Platform（平台）-as-a-Service，

SaaS：Software（软件）-as-a-Service。

基础设施在最下端，平台在中间，软件在顶端。别的一些“软”的层可以在这些层上面添加。

IaaS: Infrastructure-as-a-Service（基础设施即服务）

第一层叫做IaaS，有时候也叫做Hardware-as-a-Service，几年前如果你想在办公室或者公司的网站上运行一些企业应用，你需要去买服务器，或者别的高昂的硬件来控制本地应用，让你的业务运行起来。

但是现在有IaaS，你可以将硬件外包到别的地方去。IaaS公司会提供场外服务器，存储和网络硬件，你可以租用。节省了维护成本和办公场地，公司可以在任何时候利用这些硬件来运行其应用。

一些大的IaaS公司包括Amazon,Microsoft, VMWare, Rackspace和Red Hat.不过这些公司又都有自己的专长，比如Amazon和微软给你提供的不只是IaaS，他们还会将其计算能力出租给你来host你的网站。

PaaS: Platform-as-a-Service（平台即服务）

第二层就是所谓的PaaS，某些时候也叫做中间件。你公司所有的开发都可以在这一层进行，节省了时间和资源。

PaaS公司在网上提供各种开发和分发应用的解决方案，比如虚拟服务器和操作系统。这节省了你在硬件上的费用，也让分散的工作室之间的合作变得更加容易。网页应用管理，应用设计，应用虚拟主机，存储，安全以及应用开发协作工具等。

一些大的PaaS提供者有Google App Engine,Microsoft Azure，Force.com,Heroku，Engine Yard。最近兴起的公司有AppFog, Mendix 和 Standing Cloud

SaaS: Software-as-a-Service（软件即服务）

第三层也就是所谓SaaS。这一层是和你的生活每天接触的一层，大多是通过网页浏览器来接入。任何一个远程服务器上的应用都可以通过网络来运行，就是SaaS了。

你消费的服务完全是从网页如Netflix, MOG, Google Apps, Box.net,Dropbox或者苹果的iCloud那里进入这些分类。尽管这些网页服务是用作商务和娱乐或者两者都有，但这也算是云技术的一部分。

一些用作商务的SaaS应用包括Citrix的GoToMeeting，Cisco的WebEx，Salesforce的CRM，ADP，Workday和SuccessFactors。

云计算的技术结构

由于云计算分为IaaS、PaaS和SaaS三种类型，不同的厂家又提供了不同的解决方案，目前还没有一个统一的技术体系结构， 综合不同厂家的方案，构造了一个云计算体系结构。这个体系结构概括了不同解决方案的主要特征，每一种方案或许只实现了其中部分功能，或许也还有部分相对次要功能尚未概括进来。

云计算技术体系结构分为4层：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA构建层，如上图所示。

物理资源层包括计算机、存储器、网络设施、数据库和软件等;资源池层是将大量相同类型的资源构成同构或接近同构的资源池，如计算资源池、数据资源池等。

构建资源池更多是物理资源的集成和管理工作，例如研究在一个标准集装箱的空间如何装下2000个服务器、解决散热和故障节点替换的问题并降低能耗；

管理中间件负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务；

SOA构建层将云计算能力封装成标准的Web Services服务，并纳入到SOA体系进行管理和使用，包括服务注册、查找、访问和构建服务工作流等。管理中间件和资源池层是云计算技术的最关键部分，SOA构建层的功能更多依靠外部设施提供。

云计算的管理中间件负责资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作。资源管理负责均衡地使用云资源节点，检测节点的故障并试图恢复或屏蔽之，并对资源的使用情况进行监视统计;任务管理负责执行用户或应用提交的任务，包括完成用户任务映象(Image)的部署和管理、任务调度、任务执行、任务生命期管理等等;用户管理是实现云计算商业模式的一个必不可少的环节，包括提供用户交互接口、管理和识别用户身份、创建用户程序的执行环境、对用户的使用进行计费等;安全管理保障云计算设施的整体安全，包括身份认证、访问授权、综合防护和安全审计等。

基于上述体系结构，以IaaS云计算为例，简述云计算的实现机制，如下图所示。

用户交互接口向应用以Web Services方式提供访问接口，获取用户需求。服务目录是用户可以访问的服务清单。系统管理模块负责管理和分配所有可用的资源，其核心是负载均衡。配置工具负责在分配的节点上准备任务运行环境。监视统计模块负责监视节点的运行状态，并完成用户使用节点情况的统计。执行过程并不复杂：用户交互接口允许用户从目录中选取并调用一个服务。该请求传递给系统管理模块后，它将为用户分配恰当的资源，然后调用配置工具来为用户准备运行环境。

云计算产业链

经过 10 年的发展，云计算已经形成了较为完整的生态系统，构建了从芯片到终端用 户的全产业链条。

在国内结合产业链价值来看:

1) Saas 软件供应商:

目前国内还没有 Saas 的全行业领军厂商，主要厂商集中在细分行业或诸如 CRM 等细分领域，未来 SaaS 行业市场空间大，行业增速快。

2) 云平台提供商:

行业领先企业会有较好的发展空间，如阿里云、华为云等。

3)虚拟化软件提供商:

行业上除了 VMware，其它厂家基本上是在开源软件上进行定制开发，商业化市场空间有限，设备厂商直接提供基于开源软件开发的虚拟化软件或者大的公司自行开发。

4) 服务器等设备提供商:

技术门槛较低的服务器行业竞争激烈，毛利率低，创新产品会提升毛利率，如 AI 服务器毛利率高于传统服务器产品。而网络设备和存储产品由于有较高的技术门槛，则有望长期保持较高的毛利率水平。

5)芯片供应商:

技术资本门槛极高，目前国内只有天津海光获得 AMD 授权生产X86 芯片

公有云:行业向头部集中， “AI+云”前景广阔

公有云的出现是从亚马逊开始，源于亚马逊自身的电商业务庞大，普通 IT 系统难以支撑且价格昂贵，后续自行开发系统在满足自用的同时，向外出租云服务。自此以后，公有云市场迎来了快速发展时代。

1、AWS 在全球一枝独秀，阿里云在中国优势显著

根据 Gartner 的魔力象限，从全球范围来看，AWS 处于绝对的领先地位，其后是微软、谷歌、阿里巴巴等快速追赶。

根据 Gartner 的数据统计，亚马逊在 2016 年全球 IaaS 公共云服务市场份额达 44.2%，是市场份额最大的企业。另外，从单季度营收增长率来看，亚马逊 AWS 呈稳步增长趋势。而从年度数据来看，营业收入和营业利润都保持了高速的增长。截止目前，AWS在全球16个地区内运营着44个可用区，并宣布计划增加巴林、中国、法国、香港、瑞典和美国第二个 AWS GovCloud 区域这六个地区，同时再增加 17 个可用区。从服务行业来看，AWS进行了全行业覆盖。

在国内，由于政策、信息安全以及本地应用习惯等原因，阿里云当前占据了最大的市场份额。据 IDC 统计，阿里云在中国云计算市场居于第一名的领先地位，占据了约 41%的市场份额，处于明显领先的地位。

阿里云业务布局完整，从基础设施、基础服务到中间服务、应用服务，最后到客户，全面覆盖了 IaaS、PaaS 和 SaaS。阿里云的客户群基本覆盖了所有使用公有云的行业。

2、 中国 SaaS 行业增速超 30%、迎来快速发展时期

根据Gartner报告数据显示，全球SaaS市场规模呈高速发展趋势，预计2020年将达到720亿美元。另外，Gartner数据进一步显示，在全球SaaS服务市场中，CRM占比最高，达39%;其次是ERP，占比16%。

中国 SaaS 产业目前在各方细分行业竞争激烈，且目前尚未有如 Salesforce 一样的行业巨头，未来发展空间大。

目前，SaaS 产业的主要产品集中在 CRM、客服、OA 和 IM、文档级协同等领域，各领域均有多家企业参与，竞争较为激烈。传统软件厂商也开始加速向 SaaS 模式转型，如财务领域的用友网络、金蝶软件，建筑信息化领域的广联达等。

从软件产业的发展趋势来看，应用 SaaS 化将节省用户使用成本、便于用户更灵活使用产品，是未来发展的趋势。

3、 公有云集中态势出现，龙头领先优势明显

云服务牌照加速公有云集中进程：在去年七月的可信云大会上，工信部相关负责人介绍目前全国持有 IDC 牌照的企业 1272 家，获得云服务许可资质的有 12 家，267 家企业承诺年底前完成持证。

根据工信部《电信业务分类目录》的要求，提供 IaaS、PaaS 服务的云服务商必须持有互联网数据中心(IDC)牌照。

因此，如果在2017年底前不能持证，明年开始就不能开始提供公有云服务。因此，行业将从2017年初的 1272 家迅速缩减为至多 267 家，减少高达 80%，行业集中度显著加快。截至目前，获云服务牌照企业增至 28 家:

云计算马太效应显著，集中趋势明显 

1) 硬件成本随规模增大而单位成本降低:随着硬件规模的扩大，企业议价能力增强，导致规模越大单位成本越低。

2) 平台规模越大，产品和服务就会越丰富，对企业吸引力增强。从目前来看，在 Iaas 领域，全球是 AWS一支独大，在 2016 年全球 IaaS 公共云服务市场中占据了 44.2%的份额。而聚焦国内，阿里云强势崛起，在 Iaas 市场份额约 41%，远远领先第二名。

4、 “AI + 云”融合发展成就未来

云平台集中数据和算力，“AI + 云”是未来趋势:算力、算法和数据是 AI 不可或缺的“三驾马车”。

云计算的发展导致了大量数据向云平台集中，而云平台自身就具备强大的计算能力，只要再提交算法给云平台，就满足执行 AI 算法的核心要素，因此云平台是执行 AI 算法的上佳选择。

所以通过直接在云平台上增加 AI 处理能力将是未来发展趋势，云平台为 AI 提供运行平台，AI 反过来提升云计算“智商”。目前阿里云、AWS、华为云等均已提供 AI 计算平台。

随着人工智能需求的不断增加，对 AI 算力的需求将不断增加，从硬件上来看，对用于深度学习的 GPU、FPGA 的需求增加，以及 AI 服务器的需求也将持续增加，这些将由浪潮信息、中科曙光等设备供应商提供。

从软件及服务上来看，对人工智能高效算法及和行业解决方案的需求也将不断增加，这些主要由阿里、华为等公有云厂商自己开发或者与第三方合作提供。

私有云: 安全至上，传统 IT 快速转向私有云

从全球格局来看，由于安全原因，定制化需求的存在，公有云和私有云将长期共存。政务云、金融云等对安全要求极高的行业将主要以私有云的形式存在。

数据安全是公有云/私有云选择的核心因素:对政府金融等云计算用户，数据和应用的安全性考量将优先于云计算平台经济性的考量，因此将重要数据放在私有云上是这类客户优先的选择。

混合云:行业巨头产品快速落地，市场前景大

混合云结合私有云的安全性和公有云的弹性，可以将客户的安全性需求和对计算资源的弹性需求完美结合在一起，是云计算未来的重点发展趋势。

典型的应用案例是在监管要求下的混合云部署， 如银行、保险等机构在监管要求下不允许把核心的业务数据放在公有云上，因此，它们可以将核心业务放在自己的私有云上，保障自身数据安全，而把非核心的如业务行情、企业 OA 等放在公有云上，以实现业务快速弹性部署。

混合已经在很多的领域落地，例如，针对电信运营商，混合云是直接面对用户的需求，实现了 IT 应用的混合交付，衍生出许多商业价值。

云计算是计算机科学和互联网技术发展的产物，也是引领未来信息产业创新的关键战略性技术和手段。它将带来工作方式和商业模式的根本性改变，对我国冲出国外企业的技术壁垒、发展高新技术产业具有重要的战略意义。

编辑：黄飞