摘 要： 隨著網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的共享、管理以及按需分配是云計(jì)算的一個(gè)重要的研究方向。PaaS平臺(tái)即服務(wù)是云計(jì)算的一個(gè)重要服務(wù)類型，無(wú)論是對(duì)學(xué)校研究還是企業(yè)應(yīng)用都有著很大的吸引力。利用PaaS平臺(tái)，可以降低項(xiàng)目開發(fā)的成本和周期，還可以提高項(xiàng)目對(duì)外提供服務(wù)的質(zhì)量。針對(duì)現(xiàn)有的公共PaaS平臺(tái)不適合大連理工大學(xué)做研究以及使用的狀況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于Cloud Foundry的PaaS平臺(tái)。實(shí)踐表明，本平臺(tái)不僅有效地利用了資源，還使得部署其上的云應(yīng)用更有彈性。
關(guān)鍵詞： PaaS；Cloud Foundry；應(yīng)用程序部署；私有云平臺(tái)
云計(jì)算[1]是一種新的服務(wù)模式，由一系列可以動(dòng)態(tài)升級(jí)和可被虛擬化的資源組成，這些資源可被所有云計(jì)算用戶共享并方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。云計(jì)算的服務(wù)模式分為3種：由底層硬件或虛擬機(jī)資源構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(IaaS)；構(gòu)建在云基礎(chǔ)設(shè)施上，提供云計(jì)算應(yīng)用服務(wù)開發(fā)平臺(tái)和環(huán)境的平臺(tái)服務(wù)(PaaS)；基于云平臺(tái)開發(fā)的各類應(yīng)用服務(wù)的軟件服務(wù)(SaaS)。在這3層架構(gòu)中，PaaS[2]扮演了一個(gè)非常重要的角色，它的本質(zhì)是一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)資源中心，是一個(gè)開放的平臺(tái)，通過(guò)Web API的形式向外提供服務(wù)，這樣應(yīng)用程序開發(fā)人員就無(wú)需再考慮硬件資源以及其他所需的服務(wù)框架。目前比較流行的PaaS云平臺(tái)有Google App Engine、Microsoft Azure Service和Amazon Web Services，但是這些平臺(tái)都有一些局限性，比如Google App Engine只允許部署用Java和Python開發(fā)的應(yīng)用程序，Microsoft Azure Service只允許部署使用.NET框架開發(fā)的應(yīng)用程序，這對(duì)一些以前遺留的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可用的。而且使用公共云存在一些安全隱患，所以，提供一個(gè)旨在為校內(nèi)師生服務(wù)的私有云[3]平臺(tái)是非常有必要的。高等教育云計(jì)算是云計(jì)算應(yīng)用的重要領(lǐng)域，將高等教育建設(shè)所必需的基礎(chǔ)設(shè)施以及軟件服務(wù)由Cloud Foundry[4]集成一個(gè)PaaS級(jí)的平臺(tái)，向?qū)W生、實(shí)驗(yàn)室提供以租用為形式的服務(wù)。這樣不僅充分利用了學(xué)校的資源，還節(jié)省了開發(fā)一個(gè)項(xiàng)目的資金和時(shí)間。
1 Cloud Foundry云平臺(tái)
Cloud Foundry是VMware于2011年4月12日推出的業(yè)界第一個(gè)開源PaaS云平臺(tái)，它支持多種框架、語(yǔ)言、運(yùn)行環(huán)境、云平臺(tái)及應(yīng)用服務(wù)，這些框架包括Spring for Java、.NET、Ruby on Rails、Node.js、Grails和Scala on Lift，現(xiàn)在又新加了Python、PHP等，大大提高了平臺(tái)的靈活性。Cloud Foundry是基于IaaS之上的、支持Cloud Foundry的IaaS平臺(tái)可以是Open Stack，也可以是vSphere。與其他的PaaS平臺(tái)(Google的Google App Engine、Amazon的Amazon Web Service等)相比，它有更好的靈活性。使用Cloud Foundry可以架構(gòu)自己的公有云平臺(tái)或私有云平臺(tái)，是高校架構(gòu)云平臺(tái)的首選。Cloud Foundry是由相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)模塊構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，每個(gè)模塊單獨(dú)存在和運(yùn)行，各模塊之間通過(guò)消息機(jī)制進(jìn)行通信。下面介紹Cloud Foundry中的主要的模塊。
(1)通信模塊
如圖1所示，Cloud Foundry是由許多模塊組成的，這些模塊間的通信主要是由NATS實(shí)現(xiàn)的。NATS是一款基于EventMachine，使用“發(fā)布-訂閱”機(jī)制的輕量級(jí)消息中間件。EventMachine通過(guò)實(shí)現(xiàn)Reactor設(shè)計(jì)模式解決了Ruby語(yǔ)言與生俱來(lái)的并發(fā)能力不足的問(wèn)題，也為NATS帶來(lái)了良好的并發(fā)請(qǐng)求處理能力。NATS不對(duì)消息做持久化，所以對(duì)消息的匹配和訂閱過(guò)程相對(duì)高效。例如Router這個(gè)組件，其作用是對(duì)外部發(fā)送進(jìn)來(lái)的請(qǐng)求進(jìn)行路由，以使整個(gè)平臺(tái)負(fù)載均衡，發(fā)送給Router的消息使用的正是NATS。由此可以看出NATS的重要性，它是整個(gè)平臺(tái)良好運(yùn)作的基礎(chǔ)。
(2)應(yīng)用程序執(zhí)行模塊
應(yīng)用程序的執(zhí)行是在Dea這個(gè)組件上進(jìn)行的，啟動(dòng)一個(gè)APP時(shí)，Dea會(huì)下載一個(gè)Droplet副本，然后使用這個(gè)副本來(lái)運(yùn)行。Droplet是指把一個(gè)應(yīng)用程序的源代碼及Cloud Foundry配置好的運(yùn)行環(huán)境，再加一些控制腳本如start/stop等，全部打包在一起的tar文件。如果一個(gè)應(yīng)用程序要擴(kuò)展，就會(huì)將這個(gè)Droplet多復(fù)制幾份，然后下載到更多的Dea服務(wù)器上運(yùn)行。
(3)控制模塊
控制模塊是由Cloud Controller構(gòu)成，負(fù)責(zé)與客戶端交互的服務(wù)器端，它收到客戶端發(fā)來(lái)的指令后發(fā)消息給各個(gè)模塊，管理整個(gè)云的運(yùn)行，相當(dāng)于Cloud Foundry的大腦。
2 基于Cloud Foundry的云平臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.1 Cloud Foundry服務(wù)平臺(tái)（CFP）的架構(gòu)
Cloud Foundry服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。
2.2 功能分析
CFP是旨在為以教育和研究為目的的師生提供服務(wù)的開發(fā)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上集成了眾多的框架與第三方服務(wù)，這些框架包括Java Spring、.NET和Ruby on Rails，服務(wù)有Mysql、MongoDB、Redis。本平臺(tái)有成本低、可擴(kuò)展性好、服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)的特點(diǎn)。CFP架構(gòu)從下到上主要分為以下幾層：
(1)硬件設(shè)施層
該層是為整個(gè)Cloud Foundry平臺(tái)提供硬件設(shè)施的保障，包括存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備等，通過(guò)虛擬化整合異構(gòu)平臺(tái)。
(2)IaaS級(jí)平臺(tái)
Cloud Foundry是PaaS級(jí)的平臺(tái)，自然可以部署在IaaS級(jí)的平臺(tái)上，在該層上實(shí)現(xiàn)了資源的調(diào)度、分配，IaaS平臺(tái)可以有效地統(tǒng)一管理虛擬資源。CPI接口是封裝了IaaS級(jí)的API，通過(guò)CPI，PaaS可以調(diào)度由IaaS管理的虛擬資源。
(3)Cloud Foundry應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)
PaaS平臺(tái)又可分為應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、應(yīng)用運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)即服務(wù)、服務(wù)集成平臺(tái)、應(yīng)用中間件平臺(tái)、流程服務(wù)平臺(tái)等，這里所搭建的Cloud Foundry平臺(tái)是應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)[5]，是為校內(nèi)師生開發(fā)、部署系統(tǒng)所服務(wù)的。這一層平臺(tái)是整個(gè)架構(gòu)的核心，師生在申請(qǐng)服務(wù)時(shí)即可在這一層得到所需的資源。CFP根據(jù)用戶上傳的應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)地分配資源，自動(dòng)匹配應(yīng)用程序的框架。如果應(yīng)用程序有連接數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，本平臺(tái)會(huì)根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)讓用戶選擇其中的一個(gè)。在本平臺(tái)上的每一種服務(wù)都是可移植的，因而部署在CFP平臺(tái)上的系統(tǒng)非常容易遷移。
(4)用戶訪問(wèn)層
本平臺(tái)的用戶分為維護(hù)CFP平臺(tái)的維護(hù)人員、開發(fā)應(yīng)用程序的人員和應(yīng)用程序的最終用戶3種。本文所指的用戶主要是指應(yīng)用程序開發(fā)人員。用戶在向管理員申請(qǐng)到資源后，可用VMC這個(gè)客戶端工具把應(yīng)用程序部署到平臺(tái)上，如果用戶想要擴(kuò)展應(yīng)用程序的規(guī)模，或者要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行其他方面的改進(jìn)，使用這個(gè)客戶端工具都是非常方便的。終端用戶通過(guò)Browser訪問(wèn)應(yīng)用程序，URL地址在部署項(xiàng)目時(shí)生成。
3 CFP平臺(tái)的管理
CFP的使用流程如圖3所示。首先，用戶需要登錄Web管理系統(tǒng)實(shí)名注冊(cè)，提交給管理員審批，通過(guò)之后才能申請(qǐng)資源。通過(guò)審批之后，就可以用VMC/STS工具把應(yīng)用程序部署在CFP平臺(tái)上了。本平臺(tái)會(huì)根據(jù)用戶上傳的應(yīng)用程序?yàn)槠渥詣?dòng)分配資源。終端用戶指的是最終使用應(yīng)用程序的用戶，可以通過(guò)Web訪問(wèn)應(yīng)用程序，也可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)[6]。
表1顯示了實(shí)際部署在CFP上的兩個(gè)應(yīng)用程序。
本文從現(xiàn)有的云計(jì)算技術(shù)出發(fā)，根據(jù)目前PaaS所面臨的狀況以及高校項(xiàng)目中實(shí)際的需求，利用開源的項(xiàng)目Cloud Foundry設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套PaaS級(jí)服務(wù)云平臺(tái)，利用本平臺(tái)，校內(nèi)師生可以直接把項(xiàng)目部署在其上，基于本平臺(tái)的應(yīng)用程序易于構(gòu)建和維護(hù)，還可以根據(jù)用戶的訪問(wèn)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要進(jìn)行擴(kuò)展。最后，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本平臺(tái)確實(shí)可以承載多種語(yǔ)言開發(fā)的應(yīng)用程序，并能很好地利用資源，從而達(dá)到彈性計(jì)算和靈活部署應(yīng)用程序的目的。
參考文獻(xiàn)
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