ОС для облачных вычислений (cloud computing). Windows Azure

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

Понятие облака (cloud) уже давно ассоциируется с метафорическим изображением Интернета, с помощью которого доступны некоторые сервисы. Облачные вычисления (сloud computing) – это практическая реализация данной идеи. Облачные вычисления основаны на масштабированных и виртуализованных ресурсах (данных и программах), которые доступны пользователям через Интернет и реализуются на базе мощных центров обработки данных (data centers).

С пользовательской точки зрения, имеются доступные "облака", предоставляемые различными компаниями, которые можно использовать для доступа к мощным вычислительным ресурсам, отсутствующим у пользователя (который может работать, например, на нетбуке). Пользователь платит абонентскую плату за использование облачных сервисов какой-либо фирмы.

Недостатком данного подхода является полная зависимость пользователя от используемого им облака, так как через облако доступны не только программы, но и данные самого пользователя. Возникает много вопросов относительно безопасности данных пользователя, хранимых в облаке.

Из облачных платформ наиболее популярной является Microsoft Windows Azure - операционная система с поддержкой облачных вычислений - и Microsoft Azure Services Platform - платформа для разработки и использования облачных сервисов на базе Microsoft.NET.

В настоящее время многие крупные компании – Microsoft, Google, IBM, Oracle/Sun, Amazon и многие более мелкие фирмы, конкурируя друг с другом, заняты разработкой своих облачных сервисов и инструментов для их создания. Имеется тенденция к интеграции "корпоративных облаков" в единое доступное пользователю облако.

Элементы концепции и архитектуры облачных вычислений

Элементами концепции облачных вычислений являются: инфраструктура как сервис, платформа как сервис, программное обеспечение как сервис, а также бизнес-приложения доступные через Интернет. Иными словами, организация облачных вычислений коренным образом меняет архитектуру системы: в ней необходимо представить все возможности обработки данных, использования программ настройки и т.д. как облачные сервисы.

Различаются следующие уровни архитектуры облачных вычислений.

Уровень клиента – это клиентское ПО, используемое для доступа к облачным сервисам, например, web- браузер.

Уровень сервисов – это сами сервисы, используемые через облачную модель.

Уровень приложений – это программы, доступные через облако и не требующие инсталляции на компьютере пользователя (в последнем – одно из главных преимуществ облачной модели).

Уровень платформы – это программная платформа, объединяющая полный набор инструментов для развертывания и использования облачных вычислений на пользовательском компьютере (без дополнительных инсталляций, покупки оборудования и др.). Пример такой платформы: Microsoft.NET Azure Services Platform.

Уровень памяти – поддержка хранения данных пользователя и доступа к ним через облако.

Уровень инфраструктуры – предоставление полной виртуализованной платформы через облако, например, Amazon EC2.

Рассмотрим схему архитектуры облачных вычислений:

Облако может быть общедоступным или частным (корпоративным).

При использовании облачных вычислений несколько изменяются и роли участвующих в них специалистов.

Поставщиком облака является центр обработки данных.

Пользователями облака могут быть любые пользователи Интернета.

Производитель оборудования или ПО – это компания, обеспечивающая разработку аппаратуры и программного обеспечения для центра обработки данных.

Модель облачных вычислений основана на соблюдении целого ряда стандартов.

Для взаимодействия приложений используются стандарты HTTP (основной Web-протокол), XMPP (Jabber) – стандарт для отправки и получения мгновенных сообщений, SSL (Secure Socket Layer)– уровень безопасных сокетных сетевых соединений.

Для работы клиентов в облаке используются Web-браузеры (с активным использованием технологии AJAX, позволяющей уменьшить число перенаправлений с одной веб-страницы на другую и, тем самым, время доступа пользователя к необходимой ему информации) и offline-клиенты, работа которых основана на HTML 5 (специальной версии HTML для облачных вычислений).

Для реализации облака используются принципы виртуализации программ и данных и стандарт OMF.

Для взаимодействия с сервисами данные передаются в формате XML.

Windows Azure

Windows Azure – облачная платформа, разработанная фирмой Microsoft (по существу, операционная система и набор инструментов "в облаке"). На рис 31.1 иллюстрируется роль Windows Azure в организации использования облачных сервисов, предоставляемых центром обработки данных Microsoft, фирмами и индивидуальными заказчиками.

(рис 31.1) Windows Azure, пользователи и центры обработки данных

Важно подчеркнуть, что Windows Azure обеспечивает хранение, использование и модификацию данных и запуск программ только на компьютерах центров обработки данных Microsoft. Никакого программного обеспечения, кроме веб-браузера, на пользовательских компьютерах не требуется.

На рис 31.2 изображена схема организации работы пользователя в Windows Azure.

(рис 31.2) Организация работы пользователя в Windows Azure

С точки зрения пользователя, существуют две категории приложений – внутренние (on-premises applications),исполняемые на компьютере пользователя, и облачные (cloud applications),фактически исполняемые в среде Windows Azure на компьютерах центра обработки данных. На пользовательском компьютере могут быть установлены ОС Windows и, возможно, другие ОС. Независимо от этого, через Web-браузер пользователь получает доступ к "Windows в облаке" – Windows Azure. Функционирование Windows Azure основано на Web-сервисах .NET. Windows Azure для хранения данных обеспечивает доступ к аналогу СУБД Microsoft SQL Server "в облаке" – SQL Azure.

На рис 31.3 изображены основные компоненты Windows Azure.

(рис 31.3) Компоненты Windows Azure

Основные компоненты Windows Azure – внешний облик, интерфейс (fabric, дословно – одежда), вычисления (Compute), память (Storage) и конфигурация (config).Все компоненты – вычисления, память и интерфейс – являются web-сервисами .NET. Сервис вычисления выполняет пользовательские облачные приложения, сервис память хранит пользовательские данные, сервис интерфейс обеспечивает общие средства управления приложениями, использующими облачную платформу.

Основная проблема, решаемая сервисом вычисления, - исполнение огромного числа (возможно, миллионов) пользовательских приложений самого разного вида и назначения в едином облаке. Иначе говоря, основная проблема сервиса вычисления и облачных вычислений в целом – масштабирование. Данная проблема решается путем выполнения каждого экземпляра пользовательского облачного приложения в своей отдельной виртуальной машине. Данные виртуальные машины исполняются в среде 64-битовой ОС Windows 2008 Server - наиболее мощной серверной ОС фирмы Microsoft.

Сервис память предоставляет пользователю средства работы с данными различной структуры – большими бинарными объектами (blobs),размером до 50 Гб, хранящимися в контейнерах, таблицами (tables) и очередями (queues).Работа со структурами данных реализована на основе ADO.NET – библиотеками поддержки обработки структурированных данных в .NET.

Сервис интерфейс реализован как большая группа машин, на каждой из которых работает приложение – агент интерфейса (fabric agent).Сервис интерфейс в целом управляется программным обеспечением. называемым контроллер интерфейса (fabric controller).Контроллер интерфейса взаимодействует с агентами интерфейса, а также с сервисом память как с обычными приложениями (поэтому детали представления данных от контроллера интерфейса скрыты). Контроллер интерфейса управляет каждым облачным приложением с помощью конфигурационного файла в формате XML.

На рис. 31.4 изображена структура сервисов .NET как основы для реализации Windows Azure. Как уже говорилось, вся реализация Windows Azure основана на надежной и безопасной платформе .NET, исполнение программ в которой обеспечивается в особом безопасном режиме ( managed execution – управляемое выполнение). Часть .NET, называемая Windows Communication Foundation (WCF) и предоставляемый ею механизм сервисов и является основой реализации платформы Windows Azure. Облачными сервисами управляют две компоненты – управление доступом (access control) и сервисная шина (service bus),детальное рассмотрение которых выходит за рамки данного курса.

(рис 31.4)

Перспективы облачных вычислений, несмотря на их критику и пока осторожное отношение к ним, очень велики, так как облачные вычисления позволяют получить доступ к мощным вычислительным возможностям и данным большого объема практически с любых пользовательских компьютеров (в том числе – карманных, мобильных устройств и т.д.), имеющих веб-браузер.

Ключевые термины

Microsoft Azure Services Platform - платформа фирмы Microsoft для разработки и использования облачных сервисов на базе Microsoft.NET.

Microsoft Windows Azure - операционная система и набор инструментов фирмы Microsoft, обеспечивающий поддержку облачных вычислений ("ОC в облаке").

SQL Azure – версия СУБД Microsoft SQL Server для использования "в облаке".

Агент интерфейса (fabric agent) – агентское приложение, исполняемое на каждом из компьютеров сервиса Интерфейс (Fabric) платформы Windows Azure.

Архитектор облака – главный разработчик его архитектуры.

Внутренние приложения (on-premises applications) – приложения, исполняемые на локальном компьютере пользователя.

Вычисления (Compute) – облачный сервис платформы Microsoft Windows Azure, исполняющий пользовательские приложения в едином облаке.

Интегратор облака – его системный администратор, отвечающий за добавление компонент в облако и их изменение.

Интерфейс (внешний облик, Fabric) - облачный сервис платформы Microsoft Windows Azure, обеспечивающий интерфейс между различными облачными приложениями и между приложениями и памятью; реализован в виде группы компьютеров.

Контроллер интерфейса (fabric controller) – программное обеспечение, управляющее работой облачного сервиса Интерфейс (Fabric) платформы Windows Azure.

Облачные вычисления (сloud computing) –. вычисления, основанные на масштабированных и виртуализованных ресурсах (данных и программах), которые доступны пользователям через Интернет и реализуются на базе мощных центров обработки данных (data centers).

Облачные приложения (cloud applications) – приложения, фактически исполняемые в среде облачных вычислений (например, Windows Azure) на компьютерах центра обработки данных.

Память (Storage) - облачный сервис платформы Microsoft Windows Azure, предоставляющий пользователю средства работы с данными различной структуры – большими бинарными объектами, таблицами и очередями.

Платформа – набор инструментов для использования облака.

Поставщик облака - центр обработки данных, поддерживающий облачные вычисления.

Сервисная шина (service bus) – компонента платформы Microsoft Azure Services Platform.

Управление доступом (access control) – компонента платформы Microsoft Azure Services Platform.

Уровень инфраструктуры – предоставление полной виртуализованной платформы через облако, например, Amazon EC2.

Уровень клиента – клиентское ПО, используемое для доступа к облачным сервисам, например, web- браузер.

Уровень памяти – поддержка хранения данных пользователя и доступа к ним через облако.

Уровень платформы –программная платформа, объединяющая полный набор инструментов для развертывания и использования облачных вычислений на пользовательском компьютере (без дополнительных инсталляций, покупки оборудования и др.); пример: Microsoft.NET Azure Services Platform.

Уровень приложений – программы, доступные через облако и не требующие инсталляции на компьютере пользователя (в последнем – одно из главных преимуществ облачной модели).

Уровень сервисов – облачные сервисы, используемые через облачную модель.

Центр обработки данных (ЦОД, data center) – мощный вычислительный центр, состоящий из компьютеров, объединенных в локальную сеть, обслуживающих сервисы облачных вычислений некоторой компании.

Краткие итоги

Облачные вычисления – популярная современная модель вычислений, основанная на динамически масштабируемых и виртуализованных ресурсах (данных и приложениях), которые доступны и используются как сервисы, исполняемые на компьютерах мощного центра обработки данных.

Преимущество облачных вычислений: все вычисления выполняются удаленно, от компьютера пользователя требуется только наличие веб-браузера и доступа в Интернет.

Недостаток облачных вычислений – полная зависимость пользователя от облака (в котором хранятся не только программы, но и его данные).

Современная тенденция – разработка корпоративных облаков всех ведущих фирм, их объединение в единое облако и все более широкое использование облачных вычислений пользователями.

Элементы концепции облачных вычислений: инфраструктура как сервис, платформа как сервис, программное обеспечение как сервис.

Уровни компонент облачных вычислений: уровень клиента, уровень приложений, уровень сервисов, уровень платформы, уровень памяти (данных), уровень инфраструктуры.

Архитектура облачных вычислений: сервисы, инфраструктура, платформа, память.

Роли разработчиков и клиентов в облачных вычислениях: архитектор облака, интегратор облака, поставщик облака, пользователи облака, производитель оборудования.

Стандарты, используемые в облачных вычислениях, - коммуникация приложений на основе протоколов HTTP и XMPP (протокол обмена мгновенными сообщениями); HTML 5 – специальная версия HTML для облачных вычислений; AJAX – технология для оптимизации обращений к веб-страницам путем минимизации числа перенаправлений; OMF – стандарт виртуализации данных; передача данных в формате XML.

Windows Azure – операционная система и платформа фирмы Microsoft для облачных вычислений, наиболее развитая и распространенная среди всех облачных платформ. Ее реализация основана на платформе .NET и Windows Communication Foundation (WCF) и предоставляемых ею сервисах. Компоненты (сервисы) Windows Azure – Интерфейс (Fabric), Вычисления (Compute) и Память (Storage). Обеспечивается доступ к SQL Azure – облачной версии Microsoft SQL Server. Облачные сервисы .NET функционируют на основе двух объединяющих компонент – управления доступом и облачной шины.

Перспективы облачных вычислений очень велики, так как они предоставляют мощные масштабируемые вычислительные сервисы, не требуя дополнительных ресурсов от компьютеров пользователей.

Набор для практики

Вопросы

Упражнения

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе