云计算核心技术与应用研究专题
编者按
当前,云计算不仅是学术界的研究热点,而且也引起了工业界的极大兴趣,因此得到了全世界各国政府的广泛关注与重视。云计算的目标是要像使用水电一样使用计算资源,像使用银行一样使用存储资源。这样一种使用计算的方式将极大地提高计算资源的利用率,减少浪费.然而,要达到这样的目标绝非易事。本专题收录了来自清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学、江南计算技术研究所、中国科技大学、南京大学、解放军理工大学、长春理工大学、深圳大学、中国科学院深圳先进技术研究院等单位的优秀研究成果，集中讨论了云计算的后端技术、前端技术、云计算安全、以及云计算系统中几个方面的性能问题。
本期客座编辑
须成忠 教授
澳门大学科技学院院长、协同创新研究院代院长，国家科技部重点研发计划首席科学家
主要研究方向为并行与分布式系统、云计算和大数据、智能交通和智慧城市，及无人驾驶技术。
喻之斌 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院先进计算与数字工程研究所副所长
主要研究方向为异构智能计算系统、处理器架构设计、计算机体系结构支持的云计算、大数据分析、人工智能系统、和边缘计算平台构建与优化。
文章列表
2012, 1(4):14-18.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211002
摘要:
数据中心是云计算所依赖的核心基础设施，而数据中心网络则是数据中心的基础，关系到数据中心的性能、规模、可扩展性和管理性。本文分析了当前主要数据中心网络结构的不足，对当前数据中心网络的研究现状进行了分析和对比，并对未来数据中心网络的发展和应用作了展望。
数据中心是云计算所依赖的核心基础设施，而数据中心网络则是数据中心的基础，关系到数据中心的性能、规模、可扩展性和管理性。本文分析了当前主要数据中心网络结构的不足，对当前数据中心网络的研究现状进行了分析和对比，并对未来数据中心网络的发展和应用作了展望。
2012, 1(4):19-24.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211003
摘要:
云计算是当前学术界和工业界都十分关注的热点，被广泛应用于针对海量数据和用户的大规模计算。云计算的特点要求计算机系统能够提供可伸缩的计算能力，而虚拟化技术正是其中的关键层次，在资源管理、服务器整合、提高资源利用率等方面发挥了巨大的作用。通过虚拟化技术，可以实现一个多层次的资源调度机制，以保证高资源利用率和系统性能：首先面向虚拟机的应用特征建立资源预测模型，然后依据预测结果建立资源分配策略，最终通过虚拟机间的资源动态优化技术，实现在同一物理主机或不同物理主机上虚拟机间动态的资源优化使用。这里，不仅要以物理机的宏观资源利用率作为管理依据，更需要关注虚拟机上应用程序在运行过程中的资源需求变化特征，从而为云计算提供一整套的虚拟化资源优化技术及使用方案，从静态部署、动态预测、单机资源动态调配、多机资源动态均衡调度、在线迁移等多个层次为云计算提供全面、有机的支撑。
云计算是当前学术界和工业界都十分关注的热点，被广泛应用于针对海量数据和用户的大规模计算。云计算的特点要求计算机系统能够提供可伸缩的计算能力，而虚拟化技术正是其中的关键层次，在资源管理、服务器整合、提高资源利用率等方面发挥了巨大的作用。通过虚拟化技术，可以实现一个多层次的资源调度机制，以保证高资源利用率和系统性能：首先面向虚拟机的应用特征建立资源预测模型，然后依据预测结果建立资源分配策略，最终通过虚拟机间的资源动态优化技术，实现在同一物理主机或不同物理主机上虚拟机间动态的资源优化使用。这里，不仅要以物理机的宏观资源利用率作为管理依据，更需要关注虚拟机上应用程序在运行过程中的资源需求变化特征，从而为云计算提供一整套的虚拟化资源优化技术及使用方案，从静态部署、动态预测、单机资源动态调配、多机资源动态均衡调度、在线迁移等多个层次为云计算提供全面、有机的支撑。
2012, 1(4):25-29.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211004
摘要:
采用云计算技术实现托管式的虚拟桌面一般被称为桌面云。近年来桌面云被认为是云计算最为成熟的应用之一，本文着重研究桌面云安全访问与共享机制。我们使用基于PKI的证书认证建立了虚拟组织，在其上重点研究了虚拟机的创建，远程桌面访问，共享等应用。证书认证等机制可以使得访问更加安全可靠。而通过虚拟组织的信任关系，多个用户可以共享同一个虚拟机。为了确保远程通道的安全，我们采用了OpenVPN来构建虚拟专用网络，对虚拟机的使用者进行认证并对通信进行加密保护。
采用云计算技术实现托管式的虚拟桌面一般被称为桌面云。近年来桌面云被认为是云计算最为成熟的应用之一，本文着重研究桌面云安全访问与共享机制。我们使用基于PKI的证书认证建立了虚拟组织，在其上重点研究了虚拟机的创建，远程桌面访问，共享等应用。证书认证等机制可以使得访问更加安全可靠。而通过虚拟组织的信任关系，多个用户可以共享同一个虚拟机。为了确保远程通道的安全，我们采用了OpenVPN来构建虚拟专用网络，对虚拟机的使用者进行认证并对通信进行加密保护。
2012, 1(4):30-33.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211005
摘要:
近年来，云计算的安全问题得到了广泛的关注。由于云计算模式的共享、外包和开发的特性，用户并不拥有对计算和数据的完全控制；相反，云平台内部的恶意系统管理员可在用户不知情的情况下窃取或篡改用户的关键数据。研究者们为保护云计算数据的隐私性与完整性，对体系结构进行了扩展，尝试缩小云安全所依赖的软硬件栈。本文阐述了这些研究中采用的主要技术类型，包括内存隔离增强、安全处理器加密等。
近年来，云计算的安全问题得到了广泛的关注。由于云计算模式的共享、外包和开发的特性，用户并不拥有对计算和数据的完全控制；相反，云平台内部的恶意系统管理员可在用户不知情的情况下窃取或篡改用户的关键数据。研究者们为保护云计算数据的隐私性与完整性，对体系结构进行了扩展，尝试缩小云安全所依赖的软硬件栈。本文阐述了这些研究中采用的主要技术类型，包括内存隔离增强、安全处理器加密等。
2012, 1(4):34-40.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211006
摘要:
随着信息技术的发展和环保节能技术的普及和深入人心，越来越多的个人和组织对虚拟化技术感兴趣。然而，敏感数据传输和在线存储的安全是虚拟工作面临的重要挑战之一。在本文中，我们提供一个新的运行在云计算平台上的安全服务解决方案，该方案使用虚拟专有网络（VPN）和透明加密方式来保护虚拟工作的安全。它的优点是：按需使用，方便易用，成本效益高和管理简单。可以为中小型企业节省开支，不需要采购IT设备建立自己的虚拟工作的安全解决方案。
随着信息技术的发展和环保节能技术的普及和深入人心，越来越多的个人和组织对虚拟化技术感兴趣。然而，敏感数据传输和在线存储的安全是虚拟工作面临的重要挑战之一。在本文中，我们提供一个新的运行在云计算平台上的安全服务解决方案，该方案使用虚拟专有网络（VPN）和透明加密方式来保护虚拟工作的安全。它的优点是：按需使用，方便易用，成本效益高和管理简单。可以为中小型企业节省开支，不需要采购IT设备建立自己的虚拟工作的安全解决方案。
2012, 1(4):41-45.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211007
摘要:
本文针对面向需求的云计算提出了一种虚拟系统验证框架。该框架包括六中测试类型：功能测试、性能测试、可扩展性测试、压力测试、容错检验和功耗测试。框架给出了每种测试的测试目标、方法和过程。最后，本文进行了多种性能测试，并给出了测试结果和分析。
本文针对面向需求的云计算提出了一种虚拟系统验证框架。该框架包括六中测试类型：功能测试、性能测试、可扩展性测试、压力测试、容错检验和功耗测试。框架给出了每种测试的测试目标、方法和过程。最后，本文进行了多种性能测试，并给出了测试结果和分析。
2012, 1(4):46-51.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211008
摘要:
通过将虚拟化技术引入到传统的数据中心来实现计算资源的按需分配，云计算服务正获得日益广泛的应用，例如亚马逊所提供的弹性云计算服务EC2。另一方面，Hadoop作为MapReduce这一大规模数据的分布式并行计算模型的开源实现，在学术界和工业界都获得了越来越多的研究和应用。当前的一个研究热点问题就是如何将云平台这一异构化的底层基础设施，与Hadoop的上层计算模型有效结合起来，利用云平台所提供的弹性资源来充分发挥Hadoop高扩展性、高容错性、低硬件配置的优点。在这篇论文中，我们在异构云平台环境下进行了一系列的Hadoop性能测试和分析，并指出在这一环境下，由于虚拟机的高IO开销，导致Hadoop的性能相比传统的纯粹物理节点集群急剧降低。我们的工作可以作为研究云计算异构环境下如何提高Hadoop性能的一个重要基础。
通过将虚拟化技术引入到传统的数据中心来实现计算资源的按需分配，云计算服务正获得日益广泛的应用，例如亚马逊所提供的弹性云计算服务EC2。另一方面，Hadoop作为MapReduce这一大规模数据的分布式并行计算模型的开源实现，在学术界和工业界都获得了越来越多的研究和应用。当前的一个研究热点问题就是如何将云平台这一异构化的底层基础设施，与Hadoop的上层计算模型有效结合起来，利用云平台所提供的弹性资源来充分发挥Hadoop高扩展性、高容错性、低硬件配置的优点。在这篇论文中，我们在异构云平台环境下进行了一系列的Hadoop性能测试和分析，并指出在这一环境下，由于虚拟机的高IO开销，导致Hadoop的性能相比传统的纯粹物理节点集群急剧降低。我们的工作可以作为研究云计算异构环境下如何提高Hadoop性能的一个重要基础。
2012, 1(4):52-57.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211009
摘要:
认知无线电（Cognitive Radio）和认知网络（Cognitive Network）的提出和快速发展源于日益增长的网络可靠性、可用性和适应性要求。本文从当前网络面临的问题出发，首先介绍了认知无线电的提出背景和技术特点，并说明了认知网络的概念和内涵。然后，归纳了当前有关认知网络研究的相关研究工作。在此基础上，给出了一种通用的认知网络体系结构并对其资源管理方式进行了阐述。最后，总结了全文并展望了今后工作。
认知无线电（Cognitive Radio）和认知网络（Cognitive Network）的提出和快速发展源于日益增长的网络可靠性、可用性和适应性要求。本文从当前网络面临的问题出发，首先介绍了认知无线电的提出背景和技术特点，并说明了认知网络的概念和内涵。然后，归纳了当前有关认知网络研究的相关研究工作。在此基础上，给出了一种通用的认知网络体系结构并对其资源管理方式进行了阐述。最后，总结了全文并展望了今后工作。
2012, 1(4):58-63.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.201211010
摘要:
近年来随着云计算市场规模不断增长，作为云计算平台基础设施的云存储系统也随之显得越来越重要。数以万计的互联网应用已经运行于云计算环境，同时大量不同的应用也即将从传统运行环境转移到云计算平台。不同的互联网应用的存储需求可能不一样。例如：应用中涉及的单个文件大小，文件数量，IO访问模式，读写比率等，都对底层存储系统提出了不同的要求。这说明在云计算环境中，单个文件系统可能无法满足全部应用的存储需求， 本文尝试通过在单一云计算平台中部署多个不同分布式文件系统来优化存储系统的总体性能。 为了优化混合式文件系统的性能，首先需要分析不同文件系统的性能特征。本文通过量化方法分析了云计算环境下几个常用的分布式文件系统，这些文件系统分别是ceph，moosefs，glusterfs和hdfs。实验结果显示：即使针对同一文件的相同读写操作，不同分布式文件系统之间的性能也差异显著，当单个文件的大小小于256MB时，moosefs的平均写性能比其它几个文件系统高22.3%；当单个文件大小大于256KB时，glusterfs的平均读性能比其它几个文件系统高21.0%。这些结果为设计和实现一个基于以上几个分布式文件系统的混合式文件系统提供了基础。
近年来随着云计算市场规模不断增长，作为云计算平台基础设施的云存储系统也随之显得越来越重要。数以万计的互联网应用已经运行于云计算环境，同时大量不同的应用也即将从传统运行环境转移到云计算平台。不同的互联网应用的存储需求可能不一样。例如：应用中涉及的单个文件大小，文件数量，IO访问模式，读写比率等，都对底层存储系统提出了不同的要求。这说明在云计算环境中，单个文件系统可能无法满足全部应用的存储需求， 本文尝试通过在单一云计算平台中部署多个不同分布式文件系统来优化存储系统的总体性能。 为了优化混合式文件系统的性能，首先需要分析不同文件系统的性能特征。本文通过量化方法分析了云计算环境下几个常用的分布式文件系统，这些文件系统分别是ceph，moosefs，glusterfs和hdfs。实验结果显示：即使针对同一文件的相同读写操作，不同分布式文件系统之间的性能也差异显著，当单个文件的大小小于256MB时，moosefs的平均写性能比其它几个文件系统高22.3%；当单个文件大小大于256KB时，glusterfs的平均读性能比其它几个文件系统高21.0%。这些结果为设计和实现一个基于以上几个分布式文件系统的混合式文件系统提供了基础。
