第9章如影隨形—云計算CONTENTS目錄9.1云計算的概念與特征9.2云計算的關鍵技術9.3云計算技術的應用初識云計算9.19.1.1云計算產生的背景1．經濟方面（1）全球經濟一體化后危機時代加快了全球經濟一體化的發展速度。實踐證明，國家和地區的區位優勢和比較優勢可以促使全球合作尋租的興起，從而更好地實現優勢互補。另外，基于成本考慮，價值鏈上的協作者會自發整合相關資源；基于效率考慮，協同效應需要彈性的業務流程支持，對成本和效率的需求進一步催化了云計算的發展。（2）日益復雜的世界和不可確定性在復雜的世界面前，不確定因素在更快、更多地涌現，計劃跟不上變化，任何一臺精于預測的計算機也無法準確預測未來。（3）需求是云計算發展的動力IT設施要成為社會基礎設施，現在面臨高成本的瓶頸。這些成本至少包括人力成本、資金成本、時間成本、使用成本、環境成本等。云計算帶來的益處是顯而易見的：用戶不需要專門的IT團隊，也不需要購買、維護、安放有形的IT產品，可以低成本、高效率、隨時按需服務；云計算服務提供商可以極大提高資源（硬件、軟件、空間、人力、能源等）的利用率和業務響應速度，有效聚合產業鏈。2．社會方面（1）數字一代的崛起未來的世界在網上，世界的未來在云中。截至2022年6月，中國網民規模為10.51億人，較2021年12月新增網民1919萬人，互聯網普及率達74.4%。網民人均每周上網時長為29.5h，使用手機上網的比例達99.6%。中國擁有超大規模的社會化媒體內容的貢獻者，他們使用博客、微博、社區、視頻和圖片分享等形式，更依賴于在線交流。云計算為數字一代消費者提供了良好的服務。（2）消費行為的改變“互聯網+”已成為“云時代”天空下璀璨的一顆星。對消費市場參與者而言，基于互聯網平臺，利用信息通信技術，把互聯網和包括傳統行業在內的各行各業結合起來，在新的領域創造一種新的生態，就成為一種必然選擇。3．技術方面（1）技術成熟技術是云計算發展的基礎。首先是云計算自身核心技術的發展，主要包括硬件技術、虛擬化（計算虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化、桌面虛擬化、應用虛擬化）技術、海量存儲技術、分布式并行計算技術、多租戶架構技術、自動管理與部署技術等；其次是云計算賴以存在的移動互聯網技術的發展，主要包括高速大容量網絡、無處不在的接入、靈活多樣的終端、集約化的數據中心、萬維網（WorldWideWeb，Web）技術等。（2）企業IT的成熟和計算能力過剩需求的波動性使得按峰值設計建設的IT資源中存在大量的閑置資源。企業內部的資源平衡帶來私有云需求，外部的資源協作促進公有云的發展。商業模式是云計算的內在要求，是用戶需求的外在體現，而且云計算為這種特定商業模式提供了現實可能性。從商業模式看，云計算的主要特征是以網絡為中心、以服務為產品、按需使用和付費，這些特征對傳統的用戶自建基礎設施、購買有形產品或介質、一次性買斷模式等是一個顛覆性的革命。9.1.2云計算的演進歷程電廠模式網格計算模式云計算模式效用計算模式1．電廠模式階段有人說電廠模式就好比利用電廠的規模效應來降低電價，并讓用戶使用方便，且無須維護和購買任何發電設備，這個比喻很好。云計算就是這樣一種規模計算模式，通過將大量的分散資源集中起來，進行規模化管理，從而降低成本，方便用戶使用。2．效用計算模式階段在1960年左右，當時計算設備的價格是非常高昂的，遠非普通企業、學校和機構所能承擔，所以很多人產生了共享計算資源的想法。1961年，麥肯錫在一次會議上提出了“效用計算”的概念，其核心借鑒了電廠模式，具體目標是整合分散在各地的服務器、存儲系統以及應用程序來共享給多個用戶，讓用戶能夠非常方便地使用計算資源，并且根據用量來付費。3．網格計算模式階段網格計算是一種跨地區，甚至跨國家、跨洲的獨立管理的資源結合。該模式對資源進行獨立管理，而不是統一布置、統一安排。網格資源是異構的，不強調統一的安排。另外網格的使用通常讓分散的用戶構成虛擬組織，在這樣一種統一的網格基礎平臺上用虛擬組織形態從不同的自治域訪問資源。4．云計算模式階段云計算的核心與效用計算和網格計算的核心非常類似，也是希望IT技術能像使用電力那樣方便，并且成本低廉。但與效用計算和網絡計算不同的是，云計算在需求方面已經有了一定的規模，同時在技術方面基本成熟。云計算的概念與特征9.29.2.1云計算的概念9.2.2云計算的特征按需服務云計算的特征資源池廣泛的網絡訪問快速彈性使用可度量的服務高可靠性1.按需服務

用戶可以根據自身實際需求擴展和使用云計算資源，云計算具有快速提供資源和服務的能力。服務商能通過網絡方便地進行計算能力的申請、配置和調用，可以及時進行資源的分配和回收。2.廣泛的網絡訪問

通過互聯網提供自助服務，使用者不需要部署相關的硬件設施和應用軟件，也不需要了解所使用資源的物理位置和配置等信息，可以直接通過互聯網進行透明訪問，來獲取云中的計算資源。3.資源池匯集分配4.快速彈性使用

服務商的計算能力根據用戶需求變化，能夠快速而有彈性地實現資源供應，快速部署資源或獲得服務。云計算平臺可以按照客戶需求快速部署和提供資源。通常情況下資源和服務是無限的，可以隨時隨地無限量購買。云計算業務使用則按資源的使用量計費。5.可度量的服務檢測控制管理

云服務系統可以根據服務類型提供相應的計量方式，云計算控制系統通過一些適當的抽象服務計量能力來提高資源利用率，還可以檢測、控制和管理資源使用過程。同時，在供應者和消費者之間提供透明服務。6.高可靠性通過虛擬化技術將分布在不同物理服務器上的應用進行恢復或利用動態擴展功能部署到新的服務器上進行計算數據多副本容錯計算節點同構可互換9.2.3云計算的分類1．按服務類型分類云計算按服務類型可以分為三大類，分別是IaaS、PaaS、SaaS（1）基礎設施即服務（InfrastructureasaService，IaaS）提供

IT基礎設施，例如服務器、虛擬機、存儲、網絡、系統等。IaaS把計算、存儲、網絡以及搭建應用環境所需的一些工具當成服務提供給用戶，使得用戶能夠按需獲取IT基礎設施。（2）平臺即服務（PlatformasaService，PaaS）提供開發、測試、交付和管理軟件應用程序所需的環境，無須考慮對基礎結構進行設置或管理。PaaS是一種分布式平臺服務，為用戶提供一個包括應用設計、應用開發、應用測試及應用托管在內的完整計算平臺，如圖9.8所示。PaaS的核心技術主要有：描述性狀態遷移（RepresentationalStateTransfer，REST）技術、多租戶技術、并行計算技術、應用服務器技術、分布式緩存技術等。PaaS的主要用戶是開發人員。PaaS平臺的種類目前較少，比較著名的有：F、GoogleAppEngine、WindowsAzure、CloudFoundry。（3）SaaS向用戶提供軟件應用復合和用戶交互接口等服務，以訂閱為基礎按需提供。SaaS云服務提供商負責維護和管理云中的軟件以及支撐軟件運行的硬件設施，同時免費為用戶提供服務或者以按需使用的方式向用戶收費，如圖9.9所示。SaaS核心技術主要有：虛擬化技術、分布式存儲技術、高速網絡技術、超大規模資源管理技術、云服務計費技術等。SaaS就是軟件服務提供商為滿足用戶的需求而提供的軟件計算能力，用戶無須安裝、升級和防病毒等，并且免去了初期的軟硬件支出。2．按部署類型分類云計算按部署類型主要分為公有云、私有云、混合云、社區云（1）公有云公有云通常指第三方提供商為用戶提供的云，如圖9.11所示。公有云一般可通過互聯網使用，通常是免費或成本低廉的。這種云有許多實例，可在整個開放的公有網絡中提供服務。公有云服務于普通大眾，優點是：使用方便，除通過網絡提供服務外，還可以通過其他方式提供服務；成本低廉，客戶只需為他們使用的資源支付費用；無須擔心安裝和維護問題，服務商可以訪問所提供的云計算基礎設施。（2）私有云

私有云是為一個客戶單獨使用而構建的，因而提供對數據、安全性和服務質量的有效控制。私有云公司擁有基礎設施，并可以控制在此基礎設施上部署應用程序。私有云可部署在企業數據中心的防火墻內，也可以將它們部署在一個安全的主機托管場所。私有云的核心屬性是專有資源。私有云中的數據較安全，服務穩定，可以充分利用現有的硬件和軟件資源。（3）混合云混合云融合了公有云和私有云，是近年來云計算的主要模式和發展方向。我們已經知道私有云主要面向企業用戶，出于安全考慮，企業更愿意將數據存放在私有云中，但是同時又希望可以獲得公有云的計算資源。在這種情況下混合云得到越來越多的使用，它將公有云和私有云進行混合和匹配，以獲得最佳的效果。這種個性化的解決方案，達到了既低廉又安全的目的。（4）社區云社區云是由幾個組織共享的云端基礎設施，支持特定的社群，有共同的關切事項，例如使命任務、安全需求、策略與法規遵循考量等。管理者可能是組織本身或第三方；管理位置可能在組織內部，也可能在組織外部。公有云、私有云和混合云對比：云計算的關鍵技術9.3云計算怎么實現的？9.3.1虛擬化技術云計算組織和管理了大量的IT資源，按需服務，彈性資源池離不開云背后的虛擬化技術。虛擬化技術云計算能運行各種服務應用虛擬技術容器提供了一種簡單的輕量級隔離方法使得不同的服務應用在云上運行相互不影響大大減小管理復雜度和運行壓力提升靈活性1．CPU虛擬化CPU虛擬化指的是將單個CPU虛擬成多個CPU進行使用，可以解決一部分兼容問題，提升軟件運行效率，充分利用計算機的資源。2．內存虛擬化

通過虛擬化技術對內存進行虛擬化，一方面可以使得進程擁有“更多的內存”，另一方面讓多個虛擬機能同時利用同一塊內存，內存的使用從0開始，并保持連續。3．網絡I/O虛擬化網絡輸入輸出（Input/Output，I/O）虛擬化是一種新型的虛擬化技術，源自對物理連接或物理傳輸上層協議的抽象，讓物理服務器和虛擬機可以共享I/O資源。這種虛擬化技術大多應用在本地主機服務器連接到機器頂端單元的場景中，這個單元承載著各種網絡、存儲和圖形適配器，它們構成了I/O連接資源的動態池。4．網絡虛擬化技術網絡虛擬化又稱為網絡功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV），是將以前基于硬件的網絡轉變為基于軟件的網絡。具體來說，它是一個在物理網絡上模擬出多個邏輯網絡的過程。這種技術允許獨立于硬件來交付網絡功能、硬件資源和軟件資源，即虛擬網絡它可以用來合并許多物理網絡，或者將一個這樣的網絡進一步細分，又或者將虛擬機（VM）連接起來。其優勢是提升硬件的利用率，加快新產品和新業務的推廣效率，簡化網絡管理和提升網絡安全性9.3.2分布式存儲技術1．傳統數據存儲傳統數據存儲集中存儲數據，其使得數據存儲出現系統性能、可靠性的瓶頸問題，導致讀寫計算性能不足，擴展性差，數據規模較大時無法滿足存儲需求。2．分布式數據存儲分布式數據存儲運行在多個節點上，自動整合集群內所有的存儲資源，并通過虛擬化對外提供文件訪問服務，具有更好的擴展性與更大的容量，更符合大規模數據對計算機系統性能的要求。9.3.3云管理平臺9.3.4云安全云安全：9.3.5自動化部署技術自動化部署技術

部署就是指完成軟件開發后，通過一些配置使得開發的軟件能夠在目標環境中運行。在此過程中，源代碼會轉變為在目標環境中可運行的軟件包。自動化部署指部署過程中的操作全部自動化，無須人工參與。在大型項目的部署上應用自動化部署技術可以大大提升效率。目前，已經有一些工具可以幫助我們實現這些操作，如Jenkins、GitLabCI/CD、GitHubActions等。云計算的應用9.41.云物聯可穿戴設備智能家居車聯網工業互聯網生態環境監管設備2.云教育集中整合成資源池，各個資源相互展示和互動，按需交流，達成意向，從而降低教育成本，提高效率。3.云原生應用面向“云”而設計的應用開發者無需考慮底層的技術實現，可以充分發揮云平臺的彈性和分布式優勢，實現快速部署、按需伸縮、不停機交付等云原生架構4.人工智能技術通過部署GPU計算架構，存儲架構為人工智能算法模型的運行和數據處理提供了平臺5.醫療云課后習題：1．與云計算相關的技術有哪些？2．從云計算發展出的計算模式有哪些？3．云計算的核心技術有哪些？4．云計算與大數據、人工智能等新技術如何結合起來呢？第3章安全第一—信息安全第10章天地握手—現代通信技術CONTENTS目錄10.1現代通信技術的概述10.25G技術10.35G的應用領域現代通信技術的概述10.1現代通信技術的概述什么是通信通信技術的發展10.1.1什么是通信10.1.1什么是通信

什么是通信字面通聯信息——我把信息發給你，你把信息發給我，這就是通信定義人與人，或人與自然之間，通過某種行為或媒介，進行的信息交流與傳遞，叫作通信。通信是世間萬物的一種權力，是一種行為。有生命的、沒有生命的，都可以發起這種行為。這種行為，是每個人或每個物融入世界的一種必要方式。通過信息的交換，它可以表達自身的“存在感”和“價值”。通信技術的發展10.1.3現代通信技術的發展

現代通信簡介

現代通信往往被理解為單一的電信通信、數字通信、IT產業及電子產品制造業等高新技術通信，而忽略了通信的本質。郵政通信也是現代通信的一部分，郵政通信以實物傳遞為基礎，通過文字、圖片、實物等的空間轉移傳遞信息，是國家個人通信自由及隱私保護的體現。有效、合理地管理、發展郵政通信帶動服務經濟的增長，使各項資源（特別是人力資源）更合理、公平地符合人類發展，才能使國民經濟往更好的方向前進，才能在不破壞資源的前提下和諧共處，真正達到“天人合一”，真正成為“自然人”。10.1.3現代通信技術的發展

1.1G時代概述1G是第一代移動通信技術（FirstGeneration），制定于上世紀80年代，是以模擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統特點這種模擬信號傳輸方式只能應用于語音傳輸業務，且涵蓋范圍小、信號不穩定、語音品質低s1.1G時代s由于中國在技術更新、觀念更新、知識更新等方面速度之快，大哥大的業務功能無法滿足中國人民的使用。1.1G時代大哥大2.2G時代概述2G是第二代移動通信技術(SecondGeneration)，主要的功能有語音和短信，以數字語音傳輸技術為核心，開啟了數字通信之路。特點第二代移動通信具備頻譜效率高，系統的容量大，語音質量好，同時比1G多了數據傳輸服務。2.2G時代從模擬調制進入到數字調制第二代移動通信具備高度的保密性系統的容量也在增加可以上網，只能瀏覽一些文本信息3.3G時代概述3G是第三代移動通信技術（ThirdGeneration）將無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合的一代移動通信系統。3G時代可以借助網絡實現網上沖浪，查看圖片等。特點3G手機除了能高質量的完成語音信外，還能進行多媒體通信；可以上網，查看電子郵件或瀏覽網頁等。s3.3G時代BTSNodeB2G基站3G基站4.4G時代概述4G是第四代移動通信技術（FourthGeneration）完全進入數據網時代進入全IP時代，4G基站稱為eNB同時4G的數據速率將提升10-100倍s4.4G時代5G技術10.210.2.15G技術5G技術

5G是第五代移動通信技術（5thGenerationMobileCommunicationTechnology），是實現人機物互聯的網絡基礎設施。5G在4G基礎上對移動通信技術提出了更高的要求，同時促使互聯網從移動互聯網過渡到智能互聯網時代。5G基站為gNB。依據投資的成本大小，5G分為非獨立組網（Non－Standalone，NSA）和獨立組網（Standalone，SA）兩種組網方式。在這里主要介紹一下獨立組網的原理原理圖說明

（1）在5G網絡覆蓋好的情況下，5G終端通過VoNR（高清通話）進行語音承載，如圖中的1。（2）在5G網絡不好的情況下，回落到4GVoLTE（高清語音）進行語音承載，如圖中的2。（3）在無5G和4G網絡的情況下，回落到2G/3G網絡進行語音承載，如圖中的3。10.2.25G技術的特點高速度5G技術的特點泛在網低功耗泛在網1.高速度

5G比4G的傳輸速度更快，不是靠增強通信基站的信號發射功率，而是靠擴容傳輸帶寬，就像拓寬高速公路一樣，兩車道拓寬至四車道，甚至八車道，車輛的通行速度自然加快了。同時5G廣泛采用大規模陣列天線技術，支持多流并行傳輸，大大提升了頻譜效率，更進一步提升了峰值速率。5G的傳輸速度比4G快10倍以上。2.泛在互聯

隨著業務的發展，網絡需要無所不包、無處不在，只有這樣才能支持更加豐富的業務，才能在日趨復雜的場景下使用。

泛在互聯有兩個層面的含義：一是廣泛覆蓋，二是縱深覆蓋。廣泛覆蓋縱深覆蓋3.低功耗讓大部分物聯網產品一周充一次電，甚或一個月充一次電能大大改善用戶體驗促進物聯網產品的快速普及4.低時延

網絡延遲是衡量信息從網絡的一端或節點傳輸到另一端所花費的時間，低時延意味著實時處理和即時反饋。低時延現在已經成為現實。5G應用的一個新領域是無人駕駛、工業自動化的高可靠連接。人與人之間進行信息交流，140ms的時延是可以接受的，但是如果這個時延用于無人駕駛、工業自動化領域就無法接受。5G對于時延的要求是不超過1ms，甚至更低5.萬物互聯邁入智能時代，除手機、計算機等上網設備需要使用網絡以外，越來越多的智能家電設備、可穿戴設備、共享汽車等不同類型的設備以及電燈等公共設施也需要使用網絡10.2.35G關鍵技術1．MassiveMIMO技術

MassiveMIMO（MassiveMultiple-InputMultiple-Output）技術即大規模天線陣列技術，是指能在不增加帶寬的情況下，在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收。大規模天線陣列技術在4G中已經得到了應用，但是在4G中應用Massive

MIMO技術的一般都是基站，對于終端最多能夠支持接收端采用多路，但是發射端需要采用單路1．MassiveMIMO技術

5G的超高下載速率主要來自MassiveMIMO技術，該技術通過在空中同時傳輸多路不同的數據來成倍地提升網速。MassiveMIMO技術是指能在不增加帶寬的情況下，在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量2．NOMA技術

NOMA（Non-OrthgonalMultipleAccess）技術即非正交多址接入技術。NOMA的基本思想是，在發送端將多個UE信號疊加，占用所有時頻資源，并通過空口發送，而在接收端基于多用戶檢測（MultipleUserDetection，MUD）和串行干擾消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技術來逐個解碼信號，提取有用信號。

NOMA技術的應用主要有兩種方式：基于碼域和基于功率域。基于碼域，即為每個用戶分配非正交擴展碼。基于功率域，即在發送端每個用戶信號以不同的功率電平疊加。2．NOMA技術

NOMA（Non-OrthgonalMultipleAccess）技術即非正交多址接入技術。NOMA的基本思想是，在發送端將多個UE信號疊加，占用所有時頻資源，并通過空口發送，而在接收端基于多用戶檢測（MultipleUserDetection，MUD）和串行干擾消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）技術來逐個解碼信號，提取有用信號。

NOMA技術的應用主要有兩種方式：基于碼域和基于功率域。基于碼域，即為每個用戶分配非正交擴展碼。基于功率域，即在發送端每個用戶信號以不同的功率電平疊加。3．網絡切片技術網絡切片技術可以將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，如圖10.12所示。每個虛擬網絡之間（包括網絡內的設備、接入、傳輸和核心網）是邏輯獨立的，任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響其他虛擬網絡。4.D2D技術

在現有的移動通信系統中，手機用戶之間的通信都是由基站進行控制的。一直以來，我們都希望能在通信過程中盡量少占用基站資源，D2D（Device-to-Device）就是這樣一種技術。

D2D技術可以實現終端直通，如圖10.13所示。在鄰近終端設備之間直接進行通信，一旦D2D鏈路建立起來，傳輸語音或數據消息就無須基站的干預，這樣可減輕基站及核心網的數據壓力，大幅提升頻譜資源利用效率和吞吐量，增大網絡容量，保證通信網絡更為靈活、智能、高效地運行。5．邊緣計算技術

邊緣計算技術可解決集中部署的云計算帶來的時延過長、帶寬占用問題，更好地服務于實時性要求較高和帶寬要求較高的業務。

邊緣計算成為助力5G、賦能千行百業的關鍵詞之一。物聯網、車聯網帶來的新型服務模式迫切需要5G以極低的時延處理海量的數據，為了更加靠近終端用戶及其設備，讓用戶獲得更高的內容分發效率，邊緣計算技術應運而生。邊緣計算技術在工業互聯網、自動駕駛、智慧交通、衛生醫療、智慧農業、VR等領域都將發揮重要作用，有著十分廣闊的前景6．超密集組網技術超密集組網（Ultra-DenseNetwork，UDN）技術通過更加“密集化”的無線網絡基礎設施部署，在異構網絡中引入超大規模低功率節點，滿足了增強熱點、消除盲點、改善網絡覆蓋、提高系統容量的實際需求，打破了傳統的扁平單層宏網絡覆蓋，使得多層立體異構網絡（HeterogeneousNetwork，HetNet）應運而生，如圖所示。這樣不僅可獲得更高的頻率復用效率，還能在局部熱點區域實現百倍量級的系統容量提升。5G的應用領域10.3工業領域物流領域教育領域能源，農業智慧交通生產單元模擬1.工業互聯網領域生產數據的實時采集數字孿生人工智能建設虛擬生產單元實現產能預測、生產優化和精確管控

SG網絡模擬、仿真、分析物理生產單元運行過程精準動態作業應用5G結合北斗定位能力對裝船機、輥道等生產設備的位置和姿態精準測量生產單元模擬工業互聯網領域實時動態調整生產需要提升作業精度和自動化水平精準動態作業生產單元模擬