有关云架构建设和选型的思考

　　最近在负责公司内部私有云的建设，一直在思考怎么搞云计算，怎么才能够把云架构设计得好一些。本文尽量全面的列出了云架构建设和选型的考量因素。

　　我们主要从五个层面逐步评估云架构的建设和选型，分别是：

1. 行业生态
2. 企业需求
3. 云计算的能力
4. 潜在的挑战
5. 如何建设

　　一、行业生态

　　计算机云经过多年的发展，由一开始的概念，慢慢发展成熟并能够推向市场，提供多种多样的服务，市场空间非常之大。

　　在云的发展过程中，亚马逊经过多年的深耕积累，发展成为了云行业的标杆企业，甚至可以说是建立了云解决方案的标准。之后，Google、IBM、思科、Oracle、HP、Intel、华为等IT巨头先后参与进来，在软件和硬件方面提供专门的面向企业的解决方案，纷纷打着云计算、大数据、智能等概念来吸引客户，拓展市场。

　　另外一方面，基于大数据、存储、云服务等，市场上也先后出现一些创新企业，如Dropbox、Rackspace，国内的七牛、青云、UnitedStack等。

　　当前的IT世界有一个常见的现象，就是只要某一个领域有一套成熟的商业软件，就同时也会有一套开源的解决方案，如Windows之于Linux，Google的MapReduce、GFS、大表之于Hadoop等。在云领域也存在相应的开源解决方案，目前最为著名的有Openstack和Cloudstack。开源行业的领导者RedHat此前在企业操作系统的市场已经做的很好，RHEL的各个版本在企业级系统市场有相当高的市场份额。现在的RedHat特别重视云的发展，并将云操作系统作为未来10年的发展战略重点，在最近两年先后收购了Gluster以及Ceph等存储企业，以壮大自己在云领域的影响力。

　　随着云领域的发展，市场上也逐渐形成了面向企业提供硬件和软件产品的提供商、面向企业提供服务的提供商、面向市场初创企业提供基础服务的提供商、面向个人提供业务服务的提供商等一系列行业生态。

　　二、企业需求

　　需求是什么，也就是what people need这个问题。我们所说的people，即人或者公司实体，该对象的划分并不单纯，可粗浅的从三个角度来进行分类：

　　从企业角度看：

　　1）小型企业

　　小型企业的技术储备不多，人员缺乏，没有独立的IT部门，但是在构建自己的IT系统过程中需要购置各种产品和服务，包括服务器、网络、CDN等等，而要完成这样的工作，需要投入大量的人力和财力。通过购买云服务可以更加方便快捷，简单的完成系统的搭建。

　　2）中型企业

　　中型企业有一定的规模，需要在信息化、管理方面有所注重，一般内部都设立IT部门，但是和小型企业一样，IT部门大多数都是为了解决自身需求，很难能够有一个完整的解决方案。这样在服务器、网络、CDN、企业管理软件等等的需求还是比较大的。

　　3）大型企业

　　大型企业人数规模在万人以上，特别是高新企业，都有一个实力不错的IT支撑部门，通过部门就可以完善对企业内部信息化建设。

　　从企业性质范围来看：

　　1）传统行业企业

　　传统行业大多数是以服务业、制造业、生产性企业为主，在IT信息化方面相对比较落后，属于重资产行业。

　　2）互联网企业

　　互联网行业是基于IT作为解决方案的

　　3）IT服务企业

　　以销售软件、硬件、以及技术咨询服务为主的企业。

　　针对市场中存在的企业、个体等的需求特点，市场上一般对软件服务进行如下分类：

1. 提供软件的服务，解决企业内部信息化问题，如ERP系统、进销存管理系统、人力资源管理系统、行政系统、财务系统等等。（SaaS）
2. 提供平台服务，解决行业共性问题，将SaaS迁移到云端，提供平台类的服务。如淘宝的开放平台、Facebook的开放平台、基于Salesforce的销售系统、云笔记、云盘等。（PaaS）
3. 提供基础设施服务。基础设施包括软件和硬件方面的，包括存储、虚拟机、网络、防火墙、缓存、负载均衡、数据库等等。（IaaS）

　　从企业内部人员角色来看：

　　企业内部，尤其是互联网企业内部，一般将角色分为如下几类：

1. 开发
2. 测试
3. 运维
4. DBA
5. 产品
6. 项目管理人员
7. 客服
8. 业务人员（销售、市场、BD、人力资源、行政等等）

　　不同的角色对于软件服务的需求也是不同的，下图大致描绘了互联网行业各个角色对云平台的需求：

　　三、云计算的能力

　　云计算能够解决什么，也就是what cloud offer这个问题。目前的云计算在应用中主要提供了以下八个能力：

1. 封装：将计算能力和软件放在云端，可以减少重复建设，将通用的服务封装起来，达到重用，减少资源的浪费，提高生产效率，并提供成熟的解决方案。在云端，云提供商可以建立软件的标准，提供发布包的方式，用户可以通过软件包的方式进行购买使用，譬如目前开源领域的Docker。
2. 安全：云计算将数据和存储，软件逻辑都集中于云端，更能方便的统一构建安全体系，通过Iptables实现网络过滤，并在服务端做安全组件实现安全策略，并能够通过海量集群应对DDOS攻击等。
3. 灵活：云计算提供灵活的软件和服务端架构，用户不再需要自己构建应用运行环境，对资源的使用能够按需购买，并能够升级，并自由组合。举例来说：用户可以选用不同的存储方式（mysql、oracle，文件系统，kv等等）
4. 性能：通过集群的能力和云端的集成能够提高集群的性能处理，通过专业的云解决提供商，在云端的性能扩展更加方便，技术上更加专业。譬如服务端可以在用户毫不察觉的情况下完成添加机器、存储扩容等操作。
5. 伸缩能力：在存储和计算能力方面提供弹性的资源管理，能够按需使用，在使用过程中，可以通过动态的添加和减少物理资源，来提高响应能力或节约成本。
6. 运维：云计算在IaaS角度来看，重要的是运维，能够将运维更加集中化管理，并完全智能化，大大降低人力成本
7. 充分利用物理资源：通过云建设，能够将物理资源进行虚拟化处理，屏蔽物理硬件底层，并能够完成物理资源软化进行逻辑管理和分配调度
8. 大数据：大数据保存于云端，能够提供数据分析和智能处理

　　当然，云计算还有很多很多好处，给我们带来很多想像空间和IT技术的革命。

　　公有云与私有云

　　行业内将云分为“公有云”和“私有云”。在我们之前的需求分析过程中，大致了解了云的需求，“公有云”和“私有云”的差别最大的是需求的差异，因为需求的差异，导致了技术方案和产品决策的差异。

　　公有云需求上由于用户多种多样，导致需求存在不一样，特别需要更多的定制化，譬如：

1. 存储个性化

   云存储方面大概分为块存储和对象存储，块存储适合于vm运行环境，对象存储提供了KV的访问方式提供了海量扩展存储文件的能力，用户可以根据自己的需求选择不同的存储方式，选用不同的容量。在存储物理介质方面来说，因为存在不同的物理介质，对性能和安全的要求，可以采用传统的SATA硬盘，或者SSD存储等。

2. 内存使用

   内存方面，需要提供动态扩展内存的方式，用户能够自由扩展

3. 网络的定制化

   公有云用户需要能够构建自己的内部网络，并能够自动组网

4. 数据库使用

   公有云的用户分属不同的公司团体，各自的技术差异存在，因而有不同的数据库类型，譬如mysql，sqlserver，oracle等等。并能够定义存储大小，内存运行大小等等。并提供数据备份、恢复、高可用服务等

5. 缓存使用

   公有云的用户可以选择不同的缓存方式，譬如增加CDN，采用不同的KV缓存方式并选择容量。

6. 安全问题

   公有云对于云的安全和私有云差别较大，私有云大多数在安全问题上不需要公有云那么严格，大多数是内部系统之间的交互

　　以上仅限于IaaS层面的考虑，当然对于公有云来说还有很多细化的个性化需求，例如：数据分析，业务对接服务等等。

　　四、潜在的挑战

　　计算机自从诞生以来，一直按照冯.诺伊曼的体系发展在硬件的基础上的操作系统，也分为网络协议体系的实现、内存管理、文件管理体系等等。大致的抽象图如下：

　　要建设云，有几个重要的问题需要解决：

1. 管理问题

   云计算的实施首先要解决运维的问题，在云环境下后端是大规模数量的物理节点的集群，对于同时维护数以千计算的计算节点，以及部署结构的复杂，需求的变化，光靠增加人力也难以解决复杂的问题。从而需要构建高效的计算资源管理系统，能够灵活简单的管理运系统，并能够及时的发现问题。

2. 计费问题(公有云)

   对于公有云而言，因为是面向公众的，必然产生费用的问题，常用的收费方式多种多样，也因为产品的不同而计费方式不同，譬如：网络、存储、cpu、数据库容量等等

3. 资源隔离问题

   云计算运行在云端，是通过虚拟化体系建立的，虚拟化是建立在硬件之上，多个虚拟化资源同时运行于同一节点（host）中，存在着资源的共享争用问题，

   这样就存在着资源使用的公平性问题，导致同一Host上的资源使用相互影响。为了使得彼此资源使用相互独立，我们要建立相应的隔离机制。资源的隔离包括：存储、内存、cpu、数据库、网络等，其中网络是最难控制的。

4. 安全问题

   在云端的应用和基于客户端的安全，面临的环境不一样，客户端方面大多数是病毒问题引起的，而在云端，也存在一些服务器攻击的问题，以及数据相互独立相互影响的问题，以及一些服务端编程的安全问题等。

5. 性能问题

   对于云来说，需要保证云端的性能问题，包括CPU处理性能，IO处理能力，资源的就近访问，资源数据同步的速度，还需要解决系统底层的性能问题，包括文件处理Cache，存储介质的优化，采用SSD等，或者采用SATA+SSD的混合方式节约资源和降低成本。

6. 存储问题

   对于云来说，由于云端是将客户端的数据和运算转移到云端，必须要有足够的存储能力以及足够稳定的存储系统，保证用户数据的安全，对于存储来说，有提供VM虚拟机运行环境的block device（块存储），以及提供KV方式的对象访问存储，这些都需要保证数据复制、数据读写访问的性能和数据永久可用的能力

7. 网络问题

   对于公有云以及私有云的一些应用场景，需要能够提供网络的逻辑隔离（SDN）或物理隔离，以及对网络的访问灵活问题。构建虚拟化网络，由于物理条件的限制，我们不得不从L2-L4层进行处理，我们常用的方式是：bridge，vlan，gre，sdn（openflow，opendaylight），以及一些厂家的产品等等。

8. 高可用问题

   高可用问题是在分布式系统中必须要处理的问题，正因为集群的问题，我们必须要从多方面考虑解决的问题，包括保证云管理系统的高可用性，存储介质的高可用性，网络的高可用性，虚拟机高可用问题等等。

9. 提高资源利用率问题

   对于物理资源的虚拟化，我们有很多种解决方法，KVM、Vmware、xen、Hyperv、LXC等等，在HVM的方式下，对于VM本身的启动需要占用大量的内存、cpu和存储资源，导致系统内存和cpu使用有一定的浪费，基于LXC的解决方案因为是机基于Host OS进程，通过namespace的方式进行隔离的，是一种轻量级的实现，能够在资源初始化，资源利用率方面能够最大化，对于各个应用场景来说，我们可以选用合适的解决方案。

　　五、如何建设

　　58同城经过多年的发展，探索了一条适合自身发展的技术架构体系。随着业务和技术的发展，团队规模不断壮大，在技术和管理上面临越来越多的挑战。在项目需求管理，开发效率、代码管理和质量建设，测试，线上发布，运维管理等方面需要有一套完整的解决方案，来提升公司的协作能力和整体能效。

　　58同城目前所有的应用在线上都是跑在物理机器上，采用物理机的方式，一方面会导致服务器资源得不到充分和合理的使用，譬如：有些物理机器cpu使用长期在10%以下，有些内存使用剩余很多；另外一方面，由于互联网的特点，存在着时段内的访问高峰问题，需要解决资源使用的伸缩问题；基于以上问题，架构部对现有的技术体系进行梳理和分析，采用资源虚拟化的方式进行私有云的建设，并在这基础上，完善公司整体技术体系，包括：开发、测试、上线、运维等一系列自动化和智能化方面的建设。

　　私有云的目标

1. 提高物理资源的利用率
2. 一套云管理系统，降低运维的复杂度，提高运维工作效率
3. 构建灵活的开发、测试集成环境
4. 提供海量的存储体系
5. 建立完善的监控体系
6. 建立基础应用环境、方便测试
7. 统一架构
8. 智能资源调度

　　实施方案：OpenStack

　　对于云计算来说，也存在着多种解决方案，如CloudStack和OpenStack等。在两种方案的比较之后，我们最终选择了OpenStack的解决方案。主要是出于以下几点原因：

1. OpenStack的社区成熟度：OpenStack经过几年的发展，社区已经越来越成熟，很多大公司都参与进来帮助完善，红帽公司未来十年也将OpenStack作为发展的战略重点。
2. 架构设计的选择：OpenStack采用了Python语言编写，并且设计上采用组件化的方式，各个组件独立发展，并相互解耦
3. OpenStack提供了更加完整成熟的方案，能够满足多样的需求，同时已经有不少公司采用，已经经过生产上的验证
4. 文档问题：OpenStack文档化做的不错，网上能够找到多种多样的问题处理办法
5. 人员招聘问题，经过多年的发展和市场的培育，了解OpenStack的人越来越多，对于开发维护的人才建设和招聘相对成熟一些。
6. 发展比较迅速

　　下图是我们大致的架构规划

　　文章观点仅一家之言，欢迎大家一起交流探讨。我计划在下一篇文章《58同城私有云建设实践》中详细介绍我们私有云建设的思路和过程，中间遇到的问题，希望跟大家一起探讨。