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一文了解云計算,全世界一臺計算機

云計算,這是自2008年全球金融危機以來全世界最熱的詞匯之一。世界各國、大街小巷,上至國家元首、下至家中老人,幾乎全社會所有人都知道有這樣一種新科技,叫“云計算”。

自從2006年,亞馬遜公司對外發布了一種名為“Amazon Web Services(AWS)”(亞馬遜網絡服務)的新型互聯網服務以來,云計算的概念就逐漸被全球所熟知和接受。此后,幾乎所有全球的高科技公司都卷入了云計算的大潮中,造就了一批明星公司或再造公司成為市場明星:包括中國的阿里云、騰訊云、百度云、華為云、紫光云、京東云、金山云、浪潮云等,美國的微軟、谷歌、IBM、Oracle、VMware等公司,以及歐洲的SAP和工業4.0,無不因“云”而生/再生。

2018年,全球企業、政府機構和組織等對云計算基礎設施的花費達到8000億美元,同比增長45%。這是美國市場調查公司Canalys于2019年2月發布的數據,云計算已經成為全球IT市場最重要的組成部分,而這一市場在2006年AWS推出的時候還為零。如果說云計算造就了亞馬遜的新繁榮,那么微軟在2018年底再登全球最高市值公司寶座的事實,又一次催生了全球對于云計算的熱情。自微軟新一任CEO Satya Nadella上任以來,大力扭轉了微軟在移動互聯網時代的頹勢,通過全力投入云計算特別是公有云服務業務,讓微軟成為新時代的新王者。據有關統計,僅2016年,微軟、亞馬遜和谷歌三家在云計算業務上的投入就高達315億美元,平均每家當年投入百億美元以上。

而中國的阿里云也在云計算業務上投入高達百億人民幣,2008年到2018年的十年間,阿里云累計支出高達430億人民幣。根據2019年1月30日,阿里巴巴發布的2019財年Q3財報,2018自然年阿里云營收規模達到213.6億元,首次突破200億大關,阿里云4年間增長了約20倍,2018年底已成為亞洲最大的云服務公司。根據有關統計,40%的中國500強企業、近一半中國上市公司、80%中國科技類公司在使用阿里云。IDC的2018上半年中國云計算市場份額數據,阿里云已經占據中國43%的市場份額,連續三年排名第一,而在IDC的全球市場份額排名中為第三位,僅次于AWS和微軟。

而就在2010中國(深圳)IT首領峰會上,騰訊馬化騰當時認為云計算為時過早,百度李彥宏則認為云計算是新瓶裝舊酒,只有阿里當時堅定投入云計算,馬云曾承諾王堅對阿里云計算每年投入十億研發費用。到2018年,騰訊宣布第三次組織戰略轉型,堅決投入云計算和ToB業務,晚了阿里云整整十年。而百度則一直在拓展非搜索業務方面乏力,百度云計算業務也遠遠落后于阿里云和騰訊云。到底什么是云計算,讓BAT的三大佬曾經產生如此巨大的分歧,又在8年后達到一致的認同?不僅僅是BAT的三大佬,全球科技產業的領袖們都曾經對云計算有著各異的理解,例如硅谷傳奇、Oracle創始人Larry Ellison就曾經對云計算嗤之以鼻但后來又強力跟進并宣布全面向云計算轉型,而IBM也曾經對云計算業務一度猶豫不決但后來通過收購的方式堅決進入了云計算領域。

“All-In”(全面投入)是近年來經常聽到的對于云計算業務的承諾,幾乎所有科技企業高管都在重金投入云計算業務。而云計算(包括公有云、私有云、混合云等)也是最新一輪數字化轉型的基礎和“底座”,無論是人工智能技術、物聯網技術、區塊鏈技術還是產業互聯網、金融科技、零售科技等都是搭載在云計算基礎之上。云計算更是未來數字經濟的基礎設施,就是蒸汽和電之于上兩輪的工業革命那樣,云計算正在托起新一輪的工業革命——智能制造、工業4.0和數字經濟。因此,想要理解數字化轉型、想要理解數字經濟,就必須要理解其底座:云計算。

到底什么是云計算?

關于到底什么是云計算?這個爭論持續了很多年,直到2017年到2018年才有了基本統一的理解。

云計算的鼻祖AWS在2006年發布最初的云計算服務產品時,并沒有采用“云計算”這個名字,而是以“網絡服務”命名。AWS最早在2002年7月發布,最開始的時候是服務于對外開放亞馬遜電商網站的技術和產品數據,以供外部開發者和商戶調用和使用,圍繞亞馬遜電商網站而構建應用程序,例如幫助其它商戶更好地在亞馬遜電商網站上銷售產品。2006年AWS重新發布的時候,推出的第一個產品就是S3,也是AWS最經典的產品,當時的新聞稿里是這樣描述S3的:Amazon S3是面向互聯網的存儲。

最開始的S3,其核心技術思想就是通過互聯網向開發者提供存儲服務:S3讓基于互聯網的存儲服務成為可能,開發者們不再需要關注到底在哪里存儲數據、是否安全可靠、成本如何、存儲空間是否足夠等,通過互聯網址“http://aws.amazon.com/s3”,開發者就可以按需使用存儲服務而不用自己購買、部署和維護存儲服務器設備。S3在最開始發布時的價格為0.15$/每月/每GB數據存儲服務以及0.2$/每GB數據傳輸服務。而S3的核心設計思想包括:去中心化、異步機制、自治系統、本地節點質量自控、可控的并發機制、容錯、可控的并行計算、對稱節點、簡化、化大為小而美的構建模塊,這些核心設計思想都成為了后來云計算系統設計的靈魂。

簡單的理解,云計算就是把過去的企業IT,包括服務、存儲、網絡以及數據庫、中間件、開發工具再加上CRM、ERP、HRM等應用軟件,都通過互聯網以網絡服務的方式交付給企業用戶使用。以前,企業需要自建多個數據中心,再購買相應的軟硬件搭建起企業IT及企業IT服務,再通過內部網絡服務于企業內部的各個業務部門,整個IT和IT資產全部都由企業自行投資、負擔和運維。現在,由云服務廠商建立數據中心,把所有的企業IT服務都形成互聯網上的網絡服務,再以即用即租的方式供企業使用,這就是公有云(或公共云)。公有云讓企業不必投資初始的數據中心以及后續的運營和維護,而只是像使用水和電一樣從公有云廠商處租用即可。此外,由于通過互聯網服務的方式向企業提供企業IT,那么其支持的企業IT和軟件規模就從過去一個小范圍區域上升到整個國家甚至可以全球支持,相應的云數據中心的組織和運營方式也與傳統的中小型企業數據中心有所不同。

2018年11月26日,《紐約雜志》intelligencer欄目刊登了對AWS CEO Andy Jassy的采訪,他親述了AWS誕生過程:2000年到2003年間,亞馬遜開始考慮和籌劃后來的AWS,當時的起因是亞馬遜網站增加了很多軟件開發工程師,但開發軟件項目所花費的時間卻和以前一樣多,其原因在于僅為了部署底層的存儲、數據庫或計算中的一項就要花費2-3個月的時間。為了方便亞馬遜內部的軟件工程開發,加速亞馬遜互聯網服務的上線速度,亞馬遜高層啟動了后來被稱為AWS的項目,即像亞馬遜擅長的運營零售行業基礎設施那樣,構建和運營可靠、可擴展、高性價比的企業IT和互聯網IT基礎設施。

2003年夏天的時候,亞馬遜的高層問了自己一個問題:如果有公司會使用這些基礎設施服務從頭構建應用程序,那么這是否能夠形成一套“互聯網操作系統”,它的關鍵組件會有哪些?而在2003年夏天的時候,世界上還沒這樣的“互聯網操作系統”。而亞馬遜當時決定,要么就不做、要做就做大,于是時隔三年后的2006年才推出了AWS的第一項服務S3。

無獨有偶,雖然微軟晚了一步才開始對于云計算特別是公有云的投入,但微軟公有云的名稱“Azure”卻也不是“云”的意思。Azure本身在英文中為“藍天”的意思,也就是說微軟Azure公有云的本意是為全世界做一個“虛擬” 操作系統,如果把全世界的計算設備都連在一起形成一臺虛擬計算機的話,它的操作系統就是Azure。

提到微軟公有云Azure,就不得不提到微軟兩個首席軟件架構師中除了比爾蓋茨的另外一位,Ray Ozzie。Ray Ozzie曾接替比爾蓋茨,于2006年到2010年出任微軟的第二任也是最后一任首席軟件架構師。在微軟曾發布的一篇關于Windows Azure的介紹中,提到Windows Azure的最初想法來自于2005年10月,時為一份名為《The Internet Services Disruption》(互聯網服務時代來臨)的備忘錄,其要點在于推動微軟整體向互聯網服務轉型,而這份備忘錄就是由當時剛加入微軟不久的Ray Ozzie起草的。

Ray Ozzie在這篇綱領性文件中,記述了他針對后PC時代、面向互聯網的計算架構最基本的思想。他提出了由面向服務的軟件架構所實現的“無縫用戶體驗”,并將之解析為“無縫操作系統”、“無縫溝通”、“無縫生產力”、“無縫娛樂”、“無縫市場”、“無縫解決方案”和“無縫IT”。其中,“無縫市場”的思想已經基本由今天的電子商務網站所實現,阿里巴巴在美國紐交所的上市、亞馬遜在中國開展海外直購、京東開拓政府采購市場等等,全世界逐漸被幾張電子商務網絡所覆蓋。但當時Ray Ozzie其它的思想,目前仍在實現中。

微軟公有云為什么不被命名為Windows Cloud或Microsoft Cloud,而是Azure?如果看過美國電影《終結者》,無一例外會對電影里設想的“天網Skynet”印象深刻。“天網”描述了一個所有的機器都連接進一個龐大的網絡,從而形成了像天空那樣的覆蓋,讓機器的智能無處不在。而深入研究Windows Azure的架構,就不難發現,其實Azure的整體架構設計就反映了這樣一個終極夢想場景下的“操作系統”。Azure有三個最基礎的功能:計算、存儲和網絡通信,每個功能都通過龐大的數據中心以虛擬的方式實現。而如果對操作系統有最基本的了解,就會知道PC時代的操作系統其實就是由“計算、存儲和網絡通信”三個基礎模塊構成。不同的是,PC時代的操作系統由CPU、硬盤和網卡對應實現這三個基礎模塊,而在“全球所有計算設備連接成一臺巨型虛擬計算機”的終極時代,這三個基礎模塊分別由龐大而互聯的數據中心實現。

如此,就不難理解,為什么微軟公有云叫Azure藍天,因為它為“天空”而生。而理解了這樣的終極夢想,也就不難理解,為什么“軟件定義一切”的時代終將來臨。因為當全世界只剩下一臺無所不在的虛擬計算機的時候,還有什么不是被“軟件”所定義?在微軟2018 Build開發者大會,微軟CEO Satya Nadella發表了演講,他談到了自己對智能云與智能邊緣時代的看法,其中提到:“Azure正在成為一個世界計算機”,“如果你把世界想象成一臺計算機,那么開發人員就是這個數字連接世界的新力量”。

Satya Nadella還提到:將近30年前,時任施樂PARC的首席科學家Mark Weiser在一篇頗具影響力的論文中這樣預測——在未來,計算將無處不在。這個預測正在成為現實,計算不僅僅是一個接口,還可以嵌入到任何地方、任何事物上,無論是家庭中還是城市中——世界就是一臺計算機。

把整個世界看作一臺大型計算機是微軟CEO Satya Nadella的愿景,也是很多計算機系統研究者的實踐者的夢想。實際上,云計算特別是公有云,它成功讓遍布世界的數據中心吸納了全球大部分的計算和存儲,而聯網在一起的數據中心可以看作是由計算、內存、存儲和網絡及互聯等部分組成的一臺大型計算機,公有云軟件系統就是從全局的角度考慮如何高效而可靠地協同各種軟硬件和網絡工作并對外為用戶提供簡單即用的互聯網服務。

從大型機、PC、傳統數據中心到云計算數據中心,全球的計算體系結構經歷了私有集中化到個人分散化再到集中化和社會化的過程。那么,什么是云計算呢?首先,云計算是針對企業IT和互聯網IT的一種計算供應方式,是整個企業IT和互聯網IT供應鏈的重組,即通過由公有云服務商統一擁有和管理的遍布全球的數據中心,為企業和政府機構的IT部門以及互聯網公司的IT部門提供按需付費的計算能力。

這里面有兩個視角,一個是從用戶即企業、政府機構和互聯網公司的角度來說,就不再需要自建數據中心和企業IT的能力,相應減少了固定資本和一定的可變資本,同時也不需要維護一個龐大的IT基礎設施運維團隊,也不需要2-3個月才能部署一個新應用所需要的底層存儲、計算或網絡,企業應用開發和更新周期可以縮短到一周多次甚至一天多次,企業IT人員也可以集中精力于業務和應用創新,而企業的IT成本也改為使用量付費,也無需在一開始就支付一大筆的數據中心及設備的固定投資。

另一個角度是公有云服務商的角度,對于公有云服務商來說其實是要建設一個全社會共享的計算基礎設施,AWS一開始也確實是從這個角度切入,即數據中心的資產所有權從企業讓渡到公有云服務商手里,由公有云服務商統一打理和運營,公有云服務在此基礎上再開發讓多個租戶共享使用計算能力的軟件,這就是公有云的“操作系統”,即前面提到的互聯網操作系統。

2016年初,美國壽險公司Tower Watson與微軟智能云的HPC高性能計算和Big Compute超大規模計算組一起,測試了一個計算量驚人的項目,即把地球上每一個人的壽險成本計算一遍。如果是一臺單核計算機的話大約需要19年時間完成這個實驗,而當時僅調用了微軟在全球14個區域的云計算資源,就在12個小時內完成了這頂“壯舉”。這項實驗不僅證明了全球性超大規模計算的可能性,還在于12個小時后這些被“抽取”出來的巨量計算資源又被釋放回了各國的“云基地”。而在進行這個實驗的12小時內,外界還在同時使用其它的Azure云計算資源,并沒有受到絲毫影響。這個實驗形象的說明了,云計算提供了海量計算資源和強大的調度能力,讓全球用戶可以并行、并發地大規模地使用流動的計算資源,而不會因某個用戶大量占有計算資源而阻礙了其他用戶。

那么,問題就來了,排除了其它一切困難和挑戰,誰有能力建成一個全世界共享的“計算機”?IT系統是人類社會秩序的映像,如果人類社會都無法統一成一個地球村,那么又怎么會出現一個真正的全社會共享的統一計算基礎設施呢?因此,拋開不同的云計算技術而言,云數據中心的建設者也無法統一到一家云服務商的手里,而是像各國電信網絡一樣既有頂級和一級運營商也有二三四級運營商,形成一個既有商用屬性、又有公用事業基礎設施屬性的新型數字經濟基礎設施網絡。

不同的云計算技術流派

再談回到云計算技術本身。前面已經講了,所謂云計算就是把全社會的計算資源連接在一起,其中由公有云服務商運營的計算資源將占據越來越主要的份額。而超大型公有云服務商包括AWS、微軟、阿里云、谷歌云、IBM云等,將有機會發展出超大規模跨地域互連數據中心的“操作系統”,這就是公有云軟件,而把公有云軟件縮小規模運行到中小型企業私有數據中心里就是私有云軟件,連接公有云和私有云并且能跨兩邊調度計算資源的就是混合云軟件。

公有云、私有云、混合云和傳統IT是按照計算資源的所有屬性進行的劃分。而公認的云計算系統框架分為三層:IaaS(基礎設施即服務)、PaaS(平臺即服務)和SaaS(軟件即服務),這三層可以理解為IaaS即底層的基礎計算資源(主要包括計算、存儲和網絡)、PaaS即IaaS之上和應用層之下的中間層(主要包括云化數據庫、云化消息列隊、云化應用管理平臺等)、SaaS即各類云應用(包括ERP云、CRM云、HCM云等)。這三層的云計算系統架構,即適用于公有云,也適用于私有云和混合云。但架構僅僅是指導性,不同云計算廠商在實現的時候各有各的側重和實現方式,因此導致了三層之間的邊界混淆,也就導致了對云計算概念理解的混亂。

從前面的分析可以看出,所謂公有云軟件或者“互聯網操作系統”,主要是調用資源的規模大小有所不同。之前的Windows、Windows Server、Unix、Linux已經形成主流的PC和服務器的操作系統,而云計算軟件則在2006年之后的十年發展過程中經歷了百花齊放再到收歸市場主流地位的幾大流派:

(1)超大規模公有云軟件。其中包括微軟的Azure、亞馬遜的AWS、阿里的Aspara飛天和Google云軟件,這四家是經過實踐鍛煉出來的獲得市場認可的云計算操作系統軟件。微軟提供了完整的從公有云到私有云再到混合云的微軟體系軟件,AWS提供了公有云和混合云的AWS體系軟件,阿里云提供了公有云、私有云的阿里體系軟件,Google主要是公有云軟件,這四大家都是自行研發的軟件體系且均覆蓋IaaS和PaaS層以及有限的SaaS應用軟件。

(2)OpenStack和CloudFoundry開源云軟件,主要是面向IaaS的建設。其中OpenStack本身是適合私有云的“操作系統”,而私有云的規模要遠遠小于公有云,不過隨著OpenStack技術的發展,也有公有云服務商基于OpenStack技術提供公有云服務,當然是達不到四大超級公有云服務的規模;類似的,CloudFoundry主要是面向私有云的PaaS開源軟件,也可以用于提供公有云服務,例如IBM Bluemix云計算軟件就是基于CloudFoundry;CloudFoundry的主要扶持廠商為VMware、DellEMC、微軟、IBM等,因此更適合企業級IT環境。

(3)VMware則是源自企業級虛擬化技術,成功向云計算模式轉型,推出了適合于私有云系統的SDDC(軟件定義數據中心)系列軟件產品Cloud Foundation,完全兼容傳統的VMware虛擬化技術,同時也推出多種兼容和管理主流公有云軟件的技術,是私有云和混合云IaaS市場的主導技術。

(4)各類開源PaaS技術,其中包括著名的開源大數據技術Hadoop和Spark,也包括MongoDB、MySQL、PostgreSQL等云化和分布式數據庫,分布式消息隊列和應用服務器等技術,以及Docker容器和Kubernetes容器集群管理編排技術等。主流的開源PaaS技術由開源社交CNCF(云原生計算)基金會主導(該基金會成立于2015年12月),屬于2016年以后開始興起的技術體系。之前,開源社區的主要精力和熱點主要集中于2010年開始興起的OpenStack等基礎IaaS開源技術,隨著OpenStack等的逐漸成熟而開始轉向PaaS開源技術,而2019年也被視為云原生PaaS技術的商業化元年。


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