城市GIS_城市地理信息系统的技术与方法之云计算

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1、第3章城市地理信息系统的技术与方法（云计 算） 教学内容：云计算 教学时间：2课时 教学目的：1、让学生熟悉和了解云计算的背景、概念以及云计算的 体系结构；2、让学生了解和熟悉云计算的应用领域及云计算的发展 方向及存在的问题 教学重点：云计算体系结构 教学难点：云计算关键技术 教学方法：讲授法 多媒体教学法 分组讨论法n云计算概述n云计算体系结构n云计算应用n云计算的发展2目录n云计算概述n云计算体系结构n云计算应用n云计算的发展3云计算成为关注程度热点集群计算 云计算 网格计算4数据量n数据爆炸性增涨(2006,161 EB;2011,1800 EB;年 增长率达到60%. IDC报告)。n

2、数据中的绝大部分将存储在世界各地的大型数据 中心。GB-TB-PB-EB5n2005年,美国新建立的数据中心需要消耗的能量=加利福尼亚州所消耗能量的10%（大约 5GW），约40亿美金。n英国的1500个数据中心每年消耗的能量和英国第十大城市莱卡斯特所需要的能量相当。n2010年，英国单个数据中心每年在能量上的花费达到大约740万英镑。n计算机集群系统由于采用商用化部件，其能耗问题更为突出。 IT基础设施能耗6热密度7Google数据中心nGoogle数据中心以集装箱为单位，每个集装箱有1160台服务器，每个数据 中心有众多集装箱。nGoogle一次搜索查询的能耗能点亮100瓦的灯泡11秒钟。

3、比利时的圣吉兰（Saint Ghislain）数据中心完全依靠数 据中心外面的空气来冷却系统 。Dalles数据中心位于俄勒冈州的哥伦 比亚河旁，河上的Dalles大坝为数据 中心提供电力。数据中心有2座4层楼 高的冷却塔。8nWhat matters most to the computer designers at Google is not speed but power low power, because data centers can consume as much electricity as a city.-Eric Schmidt, CEO, Google9Microsof

4、t数据中心美国华盛顿州Grand Coulee水坝是世界第三大 混合电力水坝，供电量是 650万千瓦。Microsoft在水坝边上建一 个有10个沃尔玛商店那么 大的数据中心。微软在美国芝加哥的 数据中心.总面积为70 万平方英尺。即使只 启用半数服务器,能耗 也达到30兆瓦。10机遇n大部分企业IT基础设施的利用率只有35%. 还有许多企业的IT资源利用率不到 15%（IDC报告）.nGoogle的数据表明其绝大部分服务器的利用率在10%到50%之间。nWhy? ? 突发性的数据访问行为 。11推动力n摩尔定律。商用化的组件组成的电脑其性能已足以支持多个操作系统的并行运 行。n虚拟机技术的复

5、苏（出现在上世纪70年代，并主要用在IBM 360的大型机中）n利用商用化的计算机组件来构造云环境n利用虚拟机技术来实现计算资源的按需分配。12杀手级的应用n任何一项新技术或者新的服务模式的成功，往往是因为其出现在恰当的时间，并且有合适的外因 和内因来推动。n杀手级的应用（WWW互联网）。n云计算之历史渊源：n元计算（Metacomputing）、普适计算（pervasive computing）、n按需计算（On demand computing）、效用计算（Utility computing）、n自主计算（Autonomic computing）、网格计算（Grid computing）等

6、等。 13什么是云计算?14云计算定义n云计算（Cloud Computing ）：是分布式处理(Distributed Computing)、并行 处理(Parallel Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展，或者说是这些 计算机科学概念的商业实现。是指基于互联网的超级计算模式-即把存储于个 人电脑、移动电话和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工 作。在极大规模上可扩展的信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种计 算方式。40多亿亿的移动电话动电话一 2010年 数据来源: Nokia 个人电脑电脑和 笔记记本电脑电脑企业电脑业电脑 和服务务器

7、PDA15云计算综述n数据在云端：不怕丢失,不必备份,可以任意点的恢复 ； n软件在云端：不必下载自动升级 ； n无所不在的计算：在任何时间，任意地点，任何设备 登录后就可以进行计算服务； n无限强大的计算：具有无限空间的，无限速度。硬件为中心软件为中心 服务为中心 PCC/S云计算16服务模式n根据实际需要通过定制或租用的方式使用基于Web的软件来 完成所需的工作。n将应用和计算机资源包括硬件和系统软件包装成服务，通过 按需付费（pay-as-you-go）的方式，穿越Internet来满足用 户各种不同的需求。n用户可以不再需要购买昂贵的计算机系统，不再因为需要短 时间使用某个软件而不得不

8、购买该软件的使用版权。n云计算通过虚拟化技术，通过资源整合，实现按需资源分配 。提高资源利用率，同时降低用户的设备投入和使用成本。 17云计算六种服务方式nSAAS（ Software as a Service ） ；nPAAS（ Platform as a Service ） ；nIAAS（ Infrastructure as a Service ）；n云存储；nMSP（管理服务提供）；n商业服务平台 。18云计算为什么受关注？67.2%73.3%77.0%77.5%77.9%81.5%83.6%0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%系统统和信息共享更容

9、易支持、推行IT标标准提供最新的技术术和功能IT人员员减少，费费用降低每月花费费低无多余的开支开发发容易快速% 问题问题响应应率 3, 4 or 5Q: 云计计算能带带来的好处处的调查调查 与评评估 (1=不重要, 5=非常重要)数据来源: IDC Enterprise Panel, August 2008 n=24419目录n云计算概述n云计算体系结构n云计算应用n云计算的发展20n一条双向可无限延长的、被分成一个个方格的磁带, 格里写有符号n一个有限状态控制器n一个读写磁头图灵机这个装置就是根据程序的命令以及它的内部状态进行磁带的读写、移动。 图灵机的动作由五元组确定：其中，q和q为控制器

10、的当前状态和下一状态；b和a为方格中的原有符号和修改后的符号，m指示磁头移动方向，或左或右或停。由状态和符号确定的工作过程称图灵机程序。 图灵论题：凡是可计算的函数都可以用图灵机计算。21冯诺伊曼架构l计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。l基本原理：存储程序（stored program）并按地址顺序执行。l控制器按照程序顺序，逐条把指令和数据从存储器中取出并加以执行，自动完成由程序所描述的处理工作。l以计算为中心22云环境架构服务器存储系统 网络设备虚拟化技术应用/计算传输 数据23云环境架构与用户视图24n云架构的特点：将地理上分布、大规模、异构的资源进行 虚拟

11、化，并能够对用户提供按需服务。n云的成功在很大程度上决定于云的规模效应。n同时，云环境下非常重要的问题之一就是如何合适地安排 计算、存储和传输，使得其规模和性能能够同步扩展。 25云计算:虚拟机n虚拟机通过软件来模拟具有完整硬件系统功能的、运行在一个 完全隔离环境中的完整计算机系统。n优点：n提高资源的利用率。多个操作系统可以同时存在和运行于同一 个物理平台上（在单个服务器上有可能同时运行数百个虚拟机 器）。n有效隔离操作系统和资源。虚拟机中的操作系统崩溃后恢复比 较容易，并不会对同一个物理平台上的其它操作系统造成影响 ，而且比较容易实现操作系统的数据重放和回滚。 26一个典型的虚拟机环境27

12、虚拟机技术的问题n虚拟机技术最初使用在IBM 360的大型机中。大型机中往往 采用专门的通道来来保证外部设备的访问和性能。n将该技术移植到基于商用组件的X86环境下，由于缺乏专 用的通道和通道处理机来应对I/O访问，虚拟机环境下的I/O 问题已经成为当前虚拟机系统中面临的最大问题。28n虚拟机环境下：第二个域的应用通过系统调用产生异步I/O，进入管理程序（ Hypervisor），该管理程序将该I/O操作转给第零个域，然后返回到第二个域的 操作系统（异步I/O）和上层应用程序。此时第零个域的操作系统将进行实际的 I/O操作。待I/O完成后，会产生一个虚拟中断给第零个域的操作系统，该操作系 统给

13、虚拟化软件发出相应的虚拟中断。待虚拟化软件完成I/O后，会给第零个域 的操作系统返回一个系统调用来唤醒第二个域的操作系统，然后虚拟机管理程 序将I/O完成的中断交给第二个域的操作系统，最后将I/O操作产生的数据交给第 二个域中的应用程序。传统的计算机系统中：应用程序通过系统 调用产生异步I/O操作后直接返回。待 I/O操作完成后会产生中断给操作系统， 并将I/O操作产生的数据交给应用程序。29云存储:磁盘驱动器磁盘是一种机电混 合设备。在过去的十多年中 ，磁盘的区域密度 、轨密度和线密度 分别获得了100%, 50% 和 30% 的增 长。30磁记录技术31存储的角色演变n数据的增涨导致了以“

14、计算”为中心到以“数据存储”为中心的的观 念革新。n存储领域的两个重要转折点：n并行存储。比如磁盘阵列技术（RAID）。n网络存储。NAS,SAN 32新型存储体系结构n将网络引入存储系统，改变主机与外部存储节点间的连接模 式，产生了若干新型存储体系结构：n直接联网存储（ Direct attached storage , DAS ）n附网存储（network attached storage , NAS）n存储区域网(storage area network , SAN)。n存储系统必须要从少数的存储引擎向连在网络上的成千上万 的商用化存储设备进行转变。33三种典型的存储系统附网存储存储区域

15、网直连存储34存储需求科学计算航空航天生物医学石油勘探3536n在过去的十多年中集群网络的重要进展之一是可以将成千上 万的节点连起来，同时保证高可扩展性和相对较低的通讯开 销。n采用商用化的技术来构造可扩展的集群是云存储的基本组件 。n搭积木的形式来聚合存储组件。云存储理想架构37挑战1：名字空间n存储器空间的组织和分配，数据的存储、保护和检索都依赖于 文件系统。n文件系统由文件和目录构成文件系统的树形层次化结构。包括 集群文件系统。n当数据的访问从树根走向树叶的时候，访问的延迟会响应的增 加。如果不知道文件保存位置，必须遍历整个目录。n还有两个重要的因素导致树形架构不适合于云存储环境：n（1

16、）树根本身就是一个单一失效点，而且很容易形成系统的 瓶颈。n（2）树形架构很难在Internet上扩展到地理上分布的规模。n云存储只有采用非集中式的名字空间来避免潜在的性能瓶颈和 单点失效。 38挑战2：元数据n元数据是描述数据的数据，主要用来反映地址信息和控制 信息，通常包括文件名、文件大小、时间戳、文件属性等 等。n在文件系统的操作中，超过50%的操作是针对元数据的. 另 有研究指出，使用NFS 3.0时，其客户端和服务器端交互的 信息中65%的信息是和元数据相关的。n元数据是小的随机请求。39n和存储容量的增长不同，机械组件所带来的延迟，磁盘的平均 访问时间每年的降低不足8%。n小的随机请求,寻道时间是磁盘访问延迟中最组要的部分。这是 由于磁头的稳定时间主导着磁盘的寻道时间，而且磁头的稳定 时间数年来基本上没有太大的变化。n因此，对于大规模系统来讲，元数据的访问往往成为制约整个 系统性能的瓶颈。40云传输：广域网性能nNielsen 法则：终端用户的网络带宽以每年50%的速度增长。n广域网：n一条T1线路的带宽只相当于千兆网的千分