Исследование облачных вычислений

Введение

Одной из парадигм развития современных информационных технологий (далее ИТ) являеся направление Cloud Computing («облачные вычисления» или  «облачная обработка данных»). Cloud Computing содержит специализированный спектр технологий обработки и передачи данных, когда компьютерные ресурсы  и мощности предоставляются пользователя как Интернет-сервисы. Это новшество  позволяет любому пользователю, который  подключен к сети Интернет, иметь  под рукой данные и результаты, полученые с помощью мощных, новейших программ и достижений компьютерного  мира. Облачные технологии представляют собой технологии вида «клиент-сервер», которые состоят из виртуального сервера (или группы серверов) и нескольких клиентов, которые подклчаются к  нему с помощью сети Интернет. Обозначение  «облаков» в данном случае используется как основная ассоциация при обозначении  структуры работы данной системы.

История Cloud Computing началась достаточно давно. К 70-м – 80-м годам относят  первые идеи, которые косвенно касались того, что впоследствии и стало  облачными вычислениями. Но все же датой отсчета современной истории Cloud Computing стал 2006 год, когда компания Amazon, которая уже на тот момент была одной из самых крупных, презентовала миру свою инфраструктуру Web-сервисов, которая была способна обеспечить пользователю не только хостинг, но и предоставить удаленные вычислительные мощности клиенту.  Новинку восприняли и  одобрили такие гиганты как, Google, Sun и IBM, а в 2008 году о своем интересе в этой области заявила корпорация Micrsoft.

Понятие «облачные  вычисления» в информационных технологиях

На сегодняшний день можно  найти много трактовок термина  Cloud Computing. Каждое крупное аналитическое агентство предлагает свои собственные определения, которые зачастую сложны, неоднозначны и запутаны. Для простоты рассмотрим определение, предложенное Национальным Институтом Стандартов и Технологий США.

Cloud Computing  (Облачные вычисления) – это модель предоставления  повсеместного и удобного сетевого  доступа, по мере необходимости,  к общей совокупности конфигурируемых  вычислительных ресурсов (например, сетей, серверов, систем хранения, приложений и сервисов), которые  могут быть быстро предоставлены  и освобождены с минимальными  усилиями по управлению и необходимостью  взаимодействия с провайдером  услуг (сервис- провайдером).

Облачная модель поддерживает высокую доступность сервисов и  описывается пятью основными  характеристиками (essential characteristics), тремя сервисными моделями/моделями предоставления услуг (service models) и четырьмя моделями развертывания (deployment models) (рисунок 1).

Рисунок 1 – Архитектурные  компоненты облачной модели

Основные характеристики (Essential Characteristics)

1. Сервис самообслуживания, по мере необходимости (On-demand self-service). Потребитель может самостоятельно обеспечивать себя вычислительными возможностями (средствами и ресурсами), такими как серверное время и сетевые хранилища, по мере необходимости запрашивая их у сервис-провайдера в одностороннем автоматическом режиме, без необходимости взаимодействия с персоналом, представляющим сервис-провайдера.

2. Свободный сетевой доступ (Broad network access). Запрашиваемые сервисы доступны по сети через стандартные механизмы, поддерживающие использование гетерогенных платформ тонких и толстых клиентов (например, мобильных телефонов, ноутбуков и КПК).

3. Обьединение ресурсов (Resource pooling). Вычислительные ресурсы провайдера организованы в виде совокупности для обслуживания различных потребителей в многопользовательской модели с возможностью динамического назначения и переназначения различных физических и виртуальных ресурсов в соответствии потребителей. Особое значение имеет независимость размещения ресурсов, при котором пользователь, в общем случае, не знает и не контролирует точное физическое местоположение предоставляемых ресурсов, но может специфицировать их расположение на более высоком уровне абстракции (например, страна, штат или центр обработки данных). Примерами таких ресурсов являются системы хранения, обработка данных, память, пропускная способность сети, виртуальные машины.

4. Быстрая эластичность (Rapid elasticity). Вычислительные возможности могут быть предоставлены быстро и эластично в ряде случаев – автоматически, для оперативного повышения масштабируемости и быстрого освобождения для уменьшения масштабов потребления. Для потребителя эти ресурсы часто представляются как доступные в неограниченном обьеме, и могут быть приобретены в любой момент времени в любом количестве.

5. Измеримый сервис (Measured Service). Облачные системы автоматически контролируют и оптимизируют использование ресурса, за счет использования его на определенном уровне абстракци, соответсвующему типу сервиса (например, обьема хранения, обработки данных, полосы пропускания и активных учетных записей пользователей). Использованиересурсов может подвергаться мониторингу, быть контролируемым и сопровождаться отчетностью, обеспечивая прозрачность потребления и для провайдера, и для потребтеля использованного сервиса.

Модели услуг/предоставления сервисов (Service Models)

Провайдеры Cloud Computing предлагают свои услуги в соответсвии с тремя  основными моделями (рисунок 2):

1. Программное обемпечение как услуга - SaaS (Cloud Software as a Service). Пользователю предоставляються программные стредства – приложения провайдера, выполняемые на облачной инфраструктуре. Прилоджения доступны с различных клиентских устройств через интерфейс тонкого клиента, такой как браузер. Пользователь не управляет и не контролирует саму облачную инфраструктуру, на которой выполняется приложение, будь то сети, серверы, операционные системы, системы хранения или даже некоторые специфичные для приложений возможности. В ряде случаев, пользователю может быть предоставлена возможность доступа к некторым пользовательским конфигурационным настройкам.

2. Платформа как услуга – PaaS (Cloud Platform as a Service). Пользователю предоставляются платфрормы с определенными характеристиками для разработки, тестирования, развертывания, поддержки Web-applications и т.д. Благодаря модели PaaS весь перечень операций по разработке, тестированию и разворачиванию Web-applications можно выполнить в одной интегрированной среде, тем самым исключив затраты на поддержку отдельных сред для конкретных этапов. Это позволяет существенно снизить затраты как на приобретение и поддержку оборудования, так и на обслуживание самого сервиса. Яркий пример использования для такой модели – услуги хостинга для Web-сайтов.

3. Инфраструктура как улсуга – IaaS (Cloud Infrastructure as a Service). Пользователю предоставляются средства обработки данных, хранения, сетей и других базовых (фундаментальных) вычислительных ресурсов, на которых пользователь может развертывать и выполнять произвольное программное обеспечени, включая операционные системы и приложения. Пользователь не управляет и не контролирует саму облачную инфраструктуру, но может контролировать операционные системы, средства хранения, развертываемые приложения и, возможно, обладать ограниченным контролем над выбранными сетевыми компонентами.

Рисунок 2 – Структура  модели предоставления сервисов

Модели развертывания (Deploument Models)

1. Частное облако (Private cloud). Облачная инфраструктура функционирует целиком в целях обслуживания одной организации. Инфраструктура может управляться самой организацией или третьей стороной и может существовать как на стороне потребителя так и у внешнего провайдера.

2. Облако сообщества или общее облако (Community cloud). Облачная инфраструктура используется совместно несколькими организациями и поддерживает ограниченное сообщество, разделяющими общие принципы. Такая облачная инфраструктура может управляться самими организациями или третьей стороной и может существовать как на стороне пользователя так и у внешнего провайдера.

3. Публичное облако (Public cloud). Облачная инфраструктура создана в качестве общедоступной или доступной для большой группы пользователей. Такая инфраструктура находится во владении организации, продающей соответсвующие облачные услуги/сервисы.

4. Гибридное облако (Hybrid cloud). Облачная инфраструктура является  композицией (сочетанием) двух и более облаков (частных, общих или бубличных), остающихся уникальными сущностями, но объединенными вместе стандартизированными или частными технологиями, обеспечивающими портируемость данных и приложений (например, такими технологиями как пакетная передача данных для баланса загрузки между облаками).

Рисунок 3 – Виды облаков  в Cloud Computing

Архитектура Cloud Computing

Представленные характеристики и модели, разумеется, не позволяют  однознано определить понятие облачных систем. Это скорее всего попытка  систематизировать реальный опыт построения сервис-ориентированных систем, имеющихся  на сегодняшний день. Вышеописанные  модели не являются пустым теоретизированием  – примеры конкретных реализаций каждой из них уже существуют в  реальном мире. К примеру, компания Amazonсо своим облаком EC2 реализует модель IaaS. Компания Microsoft предлагат облачную инфраструктуру PaaS на базе соего облака Azure.

Переход к «облачным вычислениям» - это смена стратегии, которая  включает в себя полное переосмысление роли ИТ в организации. В новом  подходе необходимо сменить лейт-мотив  ИТ стратегии.

Различаются следующие уровни архитектуры облачных вычислений:

1. Уровент клиента – это клиентское программное обеспечение, используемое для доступа к облачным сервисам (например, Web-браузер).

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

3. Уровень приложений – это программы, доступные через облако и не требующие инсталяции на компьютере пользователя.

4. Уровень платформы – это программная платформа, объединяющая полный набор инструментов для развертывания и использования облачных вычислений на пользовательском компьютере.

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

6. Уровень инфраструктуры – предоставление полной виртуализованной платформы через облако.

Пример организации облачных вычислений с использованием различных  уровней приведен на рисунку 4.

Рисунок 4 – Пример организации  облачных вычислений с использованием различных уровней.

Общая схема архитектуры  облачной системы представлен на рисунку 5.

Данная схема полно  отражает концепцию облачной системы. В архитектуре реализованы следующие  требования:

1. Создание эластичного пула вирттуальных ресурсов.

2. Обеспечение эластичного масштабирования.

3. Механизм доставки сервисом on-demand.

4. Безопасность систем и процессов.

5. Автоматизация процессов управления ИТ.

6. Тесная интеграция продуктов и обеспечения интероперабельности мультивендорных решений.

Предусмотрены различные  методы доставки услуг потребителям, а так же интеграция с облачными  системами различных облачных провайдеров. В данной схеме нет явно прописанного механизма оценки качества сервиса. В целом, данная схема претендует быть эталонной, по крайней мере до тех пор, пока не будет предложена новая, более совершенная архитектура.

Рисунок 5 – общая схема  архитектуры облачных вычислений

Референтная (эталонная) архитектура Cloud Computing

Референтная архитектура  облачных вычислений содержит пять главных  действующих субъектов – актеров. Каждый актер выступает в роли и выполняет действия и функции. Референтная архитектура предоставлена  как последовательные диаграммы  с увеличивающимся уровнем детализации.

Подробное описание актеров  референтной архитектуры облачных вычислений и их взаимодествия (рисунок 6) предоставлено в таблице 1.

Стреди представленых  пяти акторов, облачнй брокер (cloud broker) – опционален, так как облачные потрбители (cloud consumers) могут получать услуги напрямую от облачного провайдера (cloud provider).

Таблица 1. Актеры референтной (эталонной) архитектуры Cloud Computing

Рисунок 6 – Взаимодействие между актерами в Cloud Computing

Для точного понимания  взаимодействий между актерами наведем  примеры сценариев их использования:

Сценарий 1. Облачный потребитель может запросить услугу (сервис) у облачного брокера вместо прямого контактирования с облачным провайдером (рисунок 7). Облачный брокер может создать новый сервис, комбинируя набор сервисов или расширяя существующий сервис. В этом примере облачный провайдер невидим облачному потребителю.

Рисунок 7 – Участие облачного  брокера во взаимодействии потребителя  с провайдером

Сценарий 2. Облачный оператор связи предоставляет услуги подключения и транспорт (доставку) облачных услуг от облачного провайдера к облачному потребителю. Облачный провайдер устанавливает соглашение об уровне обслуживания (SLA – Service Level Agreement) с облачным оператором и может запрашивать выделенные и защищенные соединения (рисунок 8).

Рисунок 8 – Участие облачного  оператора в предоставлении провайдером  услуг

Сценарий 3. Облачный аудитор проводит независимую оценку обслуживания и безопасности реализации облачной услуги (рисунок 9).

Рисунок 9 – Участие облачного  аудитора в оценке предоставления провайдером  услуг.

Роли и функции  актеров

Облачный Потребитель

Лицо или организация, поддерживающая бизнес-отношения и  использующая услуги Облачных Провайдеров (рисунок 10).

Облачные потребители  категоризируются по трем группам, основанным на их приложениях/различных сценариях  использования (таблица 2).

Таблица 2. Деятельность облачного  пользователя

Рисунок 10 – Примеры сервисов, доступных облачным потребителям

Облачный Провайдер

Лицо, организация или  сущность, отвечающая за доступность  облачной услуги для Облачных Потребителей (рисунок 11).

Облачные провайдеры выполняют  различные задачи в различных  сервисных моделях (таблица 3).

Таблица 3. Деятельность облачного  провайдера

Деятельность облачных провайдеров  обсуждается более детально с  точек зрения (в архитектруных  перспективах) развертывания сервисов (service deployment) (детальное описание приводилось  выше), оркестрации сервисов (service orchestration), облачного сервис-менеджмента (cloud service-management), безопасности (security) и приватности (privacy) (рисунок 11).

Рисунок 11 – Высокоуровневый  взгляд облачного провайдера

Оркестрация сервисов (Service Orchestration)

Предполагает обращение к ней для систематизации, координации и управления облачной инфраструктурой, предназначенной для предоставления различных облачных услуг, обеспечивающих согласование бизнес- и ИТ-требований (рисунок 12). 
Обобщенная облачная среда содержит три концептуальных уровня:

• Уровень Сервиса (Service Layer): Определяет базовые сервисы, предоставляемые облачным провайдером.                                             
   
1. SaaS: развертываемые приложения предполагают работу с ними посредством обращения к облаку из специально предназначенных программных клиентов и других программ, ориентированных на конечных пользователей. 

2. PaaS: Сервисы для потребителей, предназначенные для разработки и развертывания приложений на облачной инфраструктуре, включающие контейнеры приложений, инструменты разработки приложений, системы управления базами данных и т.п. 
3. IaaS: Предоставление вычислительных мощностей, систем хранения, сетевых и других фундаментальных вычислительных ресурсов, поверх которых облачные потребители могут развертывать и выполнять приложения на облачной инфраструктуре. 
    
• Уровень Абстракции и Контроля ресурсов (Resource Abstraction and Control Level):  
   
1. Назначает/предоставляет элементы программного обеспечения, такие как гипервизор, виртуальные хранилища данных и поддерживающие программные компоненты, используемые для реализации облачной инфраструктуры, поверх которой может быть определен/установлен облачный сервис. Также назначает/предоставляет ассоциированные функциональные модули, которые управляют абстрагированными ресурсами для обеспечения эффективного, безопасного и надежного использования.

Несмотря на то, что на этом уровне широко применяется технология виртуальных машин, не исключаются  и другие значения (понятия) необходимой абстракции программного обеспечения. Этот уровень обеспечивает “готовность к облаку” (“cloud readiness”), определяемую пятью характеристиками, представленными в “Определении облачных вычислений”, разработанном NIST. 
 

• Уровень Физических Ресурсов (Physical Resource Level): Включает все физические ресурсы.  
   
1. Компьютерное оборудование (Hardware): Компьютеры (CPU, память), сети (роутеры, сетевые экраны, свичи, сетевые каналы и интерфейсы), компоненты хранения (жесткие диски) и другие физические элементы вычислительной инфраструктуры.
2. Инженерную инфраструктуру (Facilities): системы кондиционирования (HVAC), питания, коммуникаций и другие элементы физической площадки развертывания компьютерного оборудования.

Рисунок 12 -  Оркестрация сервисов облачным провайдером

Облачный Сервис-Менеджмент (Cloud Service Management) 

Включает все связанные с сервисом функции, необходимые для управления и функционирования сервисов, необходимых или предлагаемых облачным потребителям. 

Облачный провайдер выполняет  эти функции для поддержки  управления облачными сервисами:

• Поддержку Бизнеса (Business Support)
• Провиженинг/Конфигурирование (Provisioning/Configuration)
• Портируемость/Интероперабельность (Portability/Interoperability)

Рисунок 13 -  Структура  облачного сервис-менеджмента

• Поддержка Бизнеса (Business Support): Назначает/предоставляет набор сервисов, связанных с бизнесом и ориентированных на работу с клиентами и поддерживающими процессами, такими как размещение заказов, обработку счетов и сбор платежей. Также включает компоненты, используемые для выполнения бизнес-операций, видимых клиентам. 
1. Управление заказчиками (Customer Management): управление учетными записями пользователей, открытие/закрытие/прекращение действия учетных записей, управление профилями пользователей, управление взаимодействием с заказчиками (customer relationship) на основе предоставления контактов и разрешения вопросов и проблем заказчиков, и т.п. 

2. Управление Контрактами (Contract Management): управление сервисными контрактами , заключение/закрытие/прекращение действия контрактов, и т.п.
3. Управление Поставкой (Inventory Management): настройка и управление каталогом услуг, и т.п.
4. Бухгалтерия и Начисления (Accounting and Billing): управление платежной информацией по заказчикам, отправка счетов на оплату, обработка получения платежей, отслеживание счетов, и т.п.
5. Отчетность и Аудит (Reporting and Audit): мониторинг действий пользователей, генерация отчетов, и т.п.
6. Ценообразование и Тарификация (Pricing and Rating): оценка облачных услуг и определение цен, обработка специальных предложений и правил ценообразования, основанных на профиле пользователя, и т.п. 
    
• Провиженинг/Конфигурирование (Provisioning/Configuration): включает все связанные с сервисом функции, необходимые для управления и функционирования сервисов, необходимых или предлагаемых облачным потребителям. 
   
1. Быстрый провиженинг (Rapid Provisioning): автоматическое развертывание облачных систем на основе запросов сервисов/ресурсов/возможностей. 
2. Модификация ресурсов (Resource Change): настройка конфигураций/назначение ресурсов для восстановления, апгрейда и подключения новых узлов в облако.
3. Мониторинг и отчетность (Monitoring and Reporting): обнаружение и мониторинг виртуальных ресурсов, мониторинг функционирования (действий и событий) облака и генерация отчетов о производительности.
4. Измерение (Metering): предоставление возможностей количественных измерений на уровне абстракции, соответствующем типу сервиса (например, средств хранения, обработки, пропускной способности и активных учетных записей пользователей).
5. Управление уровнем обслуживания (SLA Management): определение параметров SLA контракта (схема с параметрами качества сервиса – QoS), мониторинг (выполнения) SLA, применение SLA в соответствии с заданными политиками. 
    
• Портируемость/Интероперабельность (Portability/Interoperability): 
1. Портируемость:

• возможность переноса данных из одной системы в другую без необходимости повторного создания или ввода описаний данных или значительной модификации переносимых приложений.

• возможности программного обеспечения или системы выполняться на более чем одном типе или мощности компьютера под более чем одной операционной системой.

2. Интероперабельность: возможность взаимодействовать, выполнять программы или передавать данные между различными функциональными единицами в соответствии с заданными условиями. 

Облачные провайдеры должны предоставлять механизмы для:

• Портируемости данных (Data Portability)

• Копирование данных “из”/”в” (Copy data to-from): копирование данных из/в облако
• Пакетный перенос данных (Bulk data transfer): использование диска для пакетного переноса

• Интероперабельности сервисов (Service Interoperability):позволяет облачным потребителям использовать их данные и сервисы через у множества облачных провайдеров, используя унифицированные и расширенные интерфейсы управления.
• Портируемости систем (System Portability)

• Перенос образов виртуальных машин (VM images migration): миграция полностью остановленного экземпляра или образа виртуальной машины от одного провайдера к другому.
• Миграция приложений/сервисов (Application/Service migration):  миграция приложения/сервиса или текущего содержания от одного   сервис-провайдера к другому.

Безопасность (Security)

• Аутентификация и Авторизация Authentication and Authorization): аутентификация и авторизация облачных потребителей с использованием предварительно созданного мандата доступа. 
• Доступность (Availability): настройка конфигураций/назначение ресурсов для восстановления, апгрейда и подключения новых узлов в облако.
• Конфиденциальность (Confidentiality): обнаружение и мониторинг виртуальных ресурсов, мониторинг функционирования (действий и событий) облака и генерация отчетов о производительности.
• Управление идентификацией (Identity management): предоставление возможностей количественных измерений на уровне абстракции, соответствующем типу сервиса (например, средств хранения, обработки, пропускной способности и активных учетныъх записей пользователей).
• Мониторинг безопасности и обработка инцидентов (Security monitoring & Incident Response): определение параметров SLA контракта (схема с параметрами качества сервиса – QoS), мониторинг (выполнения) SLA, применение SLA в соответствии с заданными политиками.
• Управление политиками безопасности (Security policy management): генерация/ применение/аудит/обновление безопасности  для пользователей, получающих доступ к облакам.