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云计算,知多少?

2022-04-30e-works吴婕

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本文将以通俗易懂的语言对云计算技术及其服务形式进行分析,并对云计算在实现智能制造的过程中发挥了哪些作用进行了简单阐述,以加深读者对于云计算的了解。
引言

       时空流变,因为新冠疫情的出现,更多的人将时间花在了线上:在线办公、视频会议、游戏直播、在线教育;而身处的空间则是在云端:云拜年、云健身、云开工、云出差……至此,“云计算”正式出圈,进入大众的视野。“云上工作”、“云上生活”成为众多企业和无数普通人能够直接应用和切身体验的生产生活方式。“云”已经不再只是一个物理世界的天气概念,更成为日常数字生活须臾不可离开的要素。作为互联网技术领域的热点,云计算在各行各业渗透。

       推进智能制造成为实现我国制造业从低端制造向高端制造转变的重要途径。而智能制造的成功推进,需要一系列的使能技术,云计算正是其中一项核心使能技术。那么,什么是云计算?怎么实现云计算?云计算能实现哪些服务?云计算为制造业带来了什么变化?本文将以通俗易懂的语言对云计算技术及其服务形式进行分析,并对云计算在实现智能制造的过程中发挥了哪些作用进行了简单阐述,以加深读者对于云计算的了解。

一、什么是云计算?

       随着云计算的发展,越来越多的云应用开始融入到制造企业的日常业务,从管理信息化到研发信息化,再到IT基础设施,云计算无孔不入。那什么是云计算呢?。

       美国国家标准和技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)将云计算定义为:云计算是一种能够通过网络以便利的、按需付费的方式获取计算资源(包括网络、服务器、存储、应用、服务等)并提高其可用性的模式,这些资源来自于一个共享的、可配置的资源池,并能够快速地供应及释放,使管理资源的工作量和与服务提供商的交互减小到最低限度。此外NIST还提出云计算模式的5个基本特征、3种服务交付模式、4种部署方式。
图 1 云计算模式图
图 1 云计算模式图

       整体来说,云计算是一种建立在泛在的、便捷的网络连接上的服务提供形式,网络连接的一端是具有强大处理计算能力的“云”,另一端是功能简化成单纯输入输出设备的用户终端。“云”端利用虚拟化、分布式计算等技术将分散的软硬件资源汇聚成共享资源池,再以动态、弹性、按量付费的模式为云租户提供可配置的大规模计算、存储服务,让用户能够购买自己所需的资源,如同水、电等商品一样,从而实现资源的高效整合与利用。作为传统计算机技术和网络技术的延伸,云计算具有五个显著的特点:

       广泛的网络接入:可通过网络,采用标准机制访问物理和虚拟资源的特性。这个关键特性强调云计算使用户可以从任何网络覆盖的地方,使用各种客户端设备访问资源。

       共享的资源池:供应商的资源全部整合起来,以便服务于一个或多个云服务客户的特性。这个关键特性强调云服务提供者既能支持多租户,又通过抽象对客户屏蔽了处理复杂性。用户无需了解资源物理位置、配置等信息的情况下,就能够方便地应用这些云计算资源。

       弹性资源伸缩:物理或虚拟资源能够快速、弹性,有时是自动化地供应,以达到快速增减资源目的的特性。这个关键特性强调云计算意味着用户无需再为资源量和容量规划担心。

       可度量的服务:通过可计量的服务交付使得服务使用情况可监控、控制、汇报和计费的特性。这个关键特性强调客户只需对使用的资源付费。

       按需自助服务:用户能够根据自身的需要来扩展或者使用云计算资源,从而在短时间内输出资源和服务。这个关键特性强调云计算为用户降低了时间成本和操作成本。

二、实现云计算需要哪些关键技术?

       可以说,云计算是IT产业水到渠成的产物:计算量越来越大,数据越来越多、越来越动态、越来越实时,云计算于是应运而生。那么,在实现云计算的过程中,有哪些关键技术的应用呢?

1、虚拟化技术 

       计算机资源使用率低是整个IT行业正面临的一个问题,而虚拟化技术旨在合理调配计算机资源,使其高效地提供服务。上述的云计算后四个特点,都是构筑在虚拟化的基石之上。传统虚拟化的思想是将一台物理服务器上的CPU、内存、硬盘、网卡等资源虚拟化成资源池,再划分成多台虚拟服务器。但这个资源池受限于单台物理服务器的容量。
图2 虚拟化架构
图2 虚拟化架构

       云计算的虚拟化技术不同于传统的单一虚拟化,它是涵盖整个IT架构的,包括资源、网络、应用和桌面在内的全系统虚拟化,它的优势在于能够把所有硬件设备、软件应用和数据隔离开来,打破硬件配置、软件部署和数据分布的界限,实现IT架构的动态化,实现资源集中管理,使应用能够动态地使用虚拟资源和物理资源,提高系统适应需求和环境的能力。在云计算的部署方案中,虚拟化技术可以使其IT资源应用更加灵活。它越过了时间、空间的限制,为云计算服务提供基础架构层面的支撑。用户可以根据需求使用云上世界各地的虚拟化资源,来部署自己的项目。

2、分布式计算技术

       随着计算技术的发展,有些应用需要非常巨大的计算能力才能完成,如果采用集中式计算,需要耗费相当长的时间。而分布式计算技术的应用则可以节约整体计算时间,从而提高计算效率。

       分布式计算是指将一个需要比较大计算量的数据,分解成许多小的计算方式得到相应的结果,最后再将这些结果进行整合得到最终的计算结果。比如谷歌的Map-Reduce,就属于比较简单的分布式计算模型(如图3所示)。Map-Reduce模式的思想是将要执行问题分解成Map(映射)和Reduce(化简)的方式,先通过Map程序将数据切割成不相关的区块,分配(调度)给大量计算机处理,达到分布式运算的效果,再通过Reduce程序将结果汇整输出。用户可以最大效率地使用网络资源,分布式计算能有效地使用系统中的计算机处理数据,通过该方式可以同时处理更多的数据,提高了运算效率。
图3 并行编程模型图
图3 并行编程模型图

3、海量数据管理技术 

       在数据爆炸的今天,快速、高效地处理海量数据至关重要。为了保证数据的高可靠性,云计算通常将数据存储在不同的物理设备中。这种模式与传统的网络存储不一样,它采用可扩展的系统结构,利用多台存储服务器分担存储负荷,利用位置服务器定位存储信息,不但提高了系统的可靠性、可用性和存取效率,还易于扩展,能够快速响应用户需求的变化。在当前的云计算领域,Google的BT sT~lO数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBase是比较流行的两种大规模数据处理技术。

       BT(BigTable)数据管理技术:BigTable是非关系的数据库,是一个分布式的、持久化存储的多维度排序Map。BigTable建立在GFS,Scheduler,LockService和Map-Reduce之上,与传统的关系数据库不同,它把所有数据都作为对象来处理,形成一个巨大的表格,用来分布存储大规模结构化数据。Bigtable的设计目的是可靠的处理PB级别的数据,并且能够部署到上千台机器上。

       开源数据管理模块HBase:HBase是Apache的Hadoop项目的子项目,定位于分布式、面向列的开源数据库。HBase不同于一般的关系数据库,它是一个适合于非结构化数据存储的数据库。另一个不同的是HBase基于列的而不是基于行的模式。作为高可靠性分布式存储系统,HBase在性能和可伸缩方面都有比较好的表现。利用HBase技术可在廉价PCServer上搭建起大规模结构化存储集群。

4、信息安全技术

       云计算的安全性和保密性已成为人们关注的焦点。只有在保证安全性和保密性的情况下,云计算才能拥有更广阔的发展空间。云计算模式带来一系列的安全问题,包括用户隐私的保护、用户数据的备份、云计算基础设施的防护等,这些问题都需要相关的技术手段去解决。其中访问控制、同态机密等关键技术的应用,确保了云计算的信息安全。

       访问控制技术是指用户访问权限的集中控制和用户访问方法的集中控制。由于云计算的特殊性,云环境下的访问控制技术较之传统的访问控制技术更为关键,用户要使用云存储和计算服务,必须要经过云服务商CSP的认证,而且要采用一定的访问控制策略来控制对数据和服务的访问。各级提供商之间需要相互的认证和访问控制,虚拟机之间为了避免侧通道攻击,也要通过访问控制机制加以安全保障。因此,云计算中的认证和访问控制是一个重要的安全研究领域。

       同态加密技术是是基于数学难题的计算复杂性理论的密码学技术。使人们可以充分地操作加密状态的数据,而不用先解密数据。利用同态加密技术可以使得加密后的云端数据始终处于密文状态,云服务提供商可以在避免窥探用户隐私的情况下进行海量的数据挖掘;同时由于操作云端数据不需要解密,降低了计算开销,也保证传输数据的机密性。因此,同态加密技术在保护隐私方面效果显著。

三、云计算能提供哪些服务?

       云计算的部署方式包括私有云、公有云、混合云和社区云等,服务模式可以分为基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)三大类。

1、云计算部署方式

       针对不同需求的用户,云计算有不同的部署方式,比较常见的有公有云、私有云以及混合云,还有些服务商会提供社区云等。

       公有云:云计算服务由第三方提供商完全承载和管理,为用户提供价格合理的计算资源访问服务,用户无需购买硬件、软件或支持基础架构,只需为其使用的资源付费。云端可能部署在本地,也可能部署于其他地方。对于使用者而言,公共云的最大优点是,其所应用的程序、服务及相关数据都存放在公共云的提供者处,自己无需做相应的投资和建设。目前最大的问题是,由于数据不存储在自己的数据中心,其安全性存在一定风险。公有云部署通常用于提供基于 Web 的电子邮件、网上办公应用、存储以及测试和开发环境。

       私有云:云端资源所有的服务不是供别人使用,而是供自己内部人员或分支机构使用,这是私有云的核心特征。而云端的所有权、日常管理和操作的主体到底属于谁并没有严格的规定,可能是本单位,也可能是第三方机构,还有可能是二者的联合。私有云部署在企业自身内部,因此其数据安全性、系统可用性都可由自己控制。但其缺点是投资较大,尤其是一次性的建设投资较大。私有云的使用对象通常为政府机构、金融机构以及其他具备业务关键性运营且希望对环境拥有更大控制权的中型到大型组织。

       混合云:混合云是由两个或两个以上不同类型的云(私有云、社区云、公共云)组成的。在混合云中,数据和应用程序可在私有云和公有云之间移动,从而可提供更大灵活性和更多部署选项。混合云的使用对象通常由大流量的互联网业务,同时部分业务有合规需求或者需要充分利用现有IT资产的企业或组织。
图4 公有云、私有云、混合云的优势
图4 公有云、私有云、混合云的优势

       除了常见的公有云、私有云以及混合云以外,还有些公司在使用社区云。社区云的核心特征是云端资源只给两个或者两个以上的特定单位组织内的员工使用,除此之外的人和机构都无权租赁和使用云端计算资源。管理者可能是组织本身,也能是第三方;管理位置可能在组织内部,也可能在组织外部。社区云的使用对象通常是多个有密切关系的组织一起联合使用。企业在进行选择的时候,应该根据实际情况,选择最适合自己的云服务。
表1 云计算部署方式异同
表1 云计算部署方式异同

2、云计算服务模式

       云计算是一种新的计算资源使用模式,云端本身还是 IT 系统,所以逻辑上可以划分为这四层。底三层可以再划分出很多“小块”并出租出去,这有点像立体停车房,按车位大小和停车时间长短收取停车费。因此,云服务提供商出租计算资源有 3 种模式,满足云服务消费者的不同需求,分别是 IaaS、PaaS、SaaS。
图5 云计算的 3 种服务模式
图5 云计算的 3 种服务模式

       IaaS:是“Infrastructure as a Service”的首字母缩写,意思是基础设施即服务,它向云计算提供商的个人或组织提供虚拟化计算资源,如机房基础设施、计算机网络、磁盘柜、服务器和虚拟机等。用户需要自行安装操作系统和配置应用程序。云租户可按需弹性地选择所需的虚拟机数量和配置,并且基于官方或自制的操作系统镜像文件进行实例化,然后部署自己的业务。IaaS 云服务的典型代表包括 Amazon、Google、微软以及国内的阿里云、华为云等。
图6 IaaS云
图6 IaaS云

       PaaS:是“Platform as a Service”的首字母缩写,意为平台即服务,为开发人员提供通过全球互联网构建应用程序和服务的平台。PaaS将服务器平台或开发环境作为一种服务,实现应用开发相关的数据库、工具包、中间件等功能的集成。PaaS 用户不需要管理底层的服务器、网络或其他基础设施。用户使用与云提供商协商的编程语言和开发工具实现具体的程序功能,再部署到云基础设施上运行。在此领域,IaaS TOP厂商和云基础设施服务商也纷纷切入,代表厂商有Amazon、VMware;而另一部分代表厂商则是传统软件巨头,如IBM、微软、SAP 、Oracle 等。
图7 PaaS云
图7 PaaS云

       SaaS:是“Software as a Service”的首字母缩写,意为软件即服务。简言之,就是软件部署在云端,让用户通过网络来使用它,即云服务提供商将 IT 系统的应用软件层作为服务出租出去,用户可以直接使用的业务功能,SaaS 服务涵盖了内容、展现、交互、功能和管理能力。云服务提供商负责部署并维护程序功能,SaaS 用户使用各类客户端的界面(如 web 浏览器,移动应用等)访问云上的应用程序。在工业软件领域,国内外厂商纷纷推出企业级SaaS应用软件及服务,例如达索、SAP、Oracle、用友、金蝶等。(想要更全面地了解提供企业级SaaS应用软件与服务的国内外厂商,可阅读e-works相关报道:中国制造业SaaS服务市场生态地图
图8 SaaS云
图8 SaaS云

       此外,订阅制作为SaaS延伸的商业服务模式,从“让客户相信并签单”变成了“让客户再次选择”,即重心从签单变成了续费。采用订阅制收费的 SaaS 能够使得收入更加平滑,后续能够产生年度/月度的续费收入,目前绝大多数云计算公司都是采用订阅服务模式。

四、云计算为制造业带来了怎样的变化?

       云计算使传统制造业在新技术的支持下迸发出新的生机和活力,如今,云计算技术开始逐渐贯穿制造业研发、生产和销售各环节,为制造业个性化和差异化生产奠定基础。未来,制造业以上云的方式加快转型升级是大势所趋。

1、云计算下的IT运维

       随着工业化的快速发展,传统的制造业在拓展业务时会遇到一个问题:如何实现IT系统的高效扩容?既节省成本又节省时间?按照传统IT部署形式,需要购买大量的硬件基础设施,比如服务器、存储、网络等,后期,还需要增加大量的人力时间进行运维,维护系统的稳定运行。如果还需对系统进行扩张,同样需要耗费大量的时间和成本。云计算按需拓展、按需付费、灵活等特点帮助制造业降低构建和维护计算基础设施的资本成本,企业可以通过云计算轻松访问任何资源,而无需聘请IT专家来管理大型基础设施,从而降低了企业运维成本。

       例如,2017年飞利浦企业关闭了苏州的数据中心,将上万人使用的企业应用从传统IT系统迁移到阿里云,将云上提供的大数据、人工智能平台作为基础设施快速融入业务系统。上云之后,飞利浦的IT运维成本缩减了54%;部署一台能够直接应用的服务器仅需几分钟;实现按需调节服务器资源使用量;运维人力成本也显著降低,解放时间专注业务系统的运维与优化。

       还有,某大型高新技术企业为解决业务的快速成长与传统IT支撑之间的矛盾,自主研发完成了云计算解决方案,将IT系统迁徙到云上,支持多数据中心及两级数据中心建设,其他地域的厂区也可以加入云平台管理的范畴,两地使用同一个运维平台,完成了IT基础设施、IT系统架构的升级改造。上云之后,开发测试所需的开发测试部署环境均能一键创建,企业研发效率得到了大大的提升;实现按需分配,自动调整弹性计算资源的管理服务;单台服务器可运行数十个桌面,大量减少运维人员数量以及由于人员变动而导致的物料管理开支,节约企业人力成本;保障了信息安全与数据安全。

       由此可见,云计算助力企业IT基础设施上云,不仅减少了企业IT硬件设备设施配置成本及运营维护成本,同时还简化了企业IT资源管理工作,提高IT资源管理效率。此外,由专业的第三方服务机构进行运维,可以帮助企业解决“运维难”的后顾之忧。

2、云计算下的企业运营

       云计算时代的智能制造已不是信息技术的单项应用,而是对整个企业运营生产的全面渗透。云计算已与制造企业生产的全生命周期实现深度融合,并且在智能研发、智能营销、智能物流和供应链、智能服务等方面有着广泛的应用。

       在智能研发领域,可以构建仿真云平台,支持高性能计算,实现计算资源的有效利用和可伸缩,还可以通过基于SAAS的三维零件库,提高产品研发效率。“云+仿真”大幅提升了制造企业的协同生产效率。在智能营销方面,可以构建基于云的CRM应用服务,对营销业务和营销人员进行有效管理,实现移动应用。在智能物流和供应链方面,可以与移动和社交技术结合,构建运输云,有效地整合客户、供应商、物流服务商,不仅可以实现多方实时协同工作,还可实现运输全过程的信息共享和可视化。

       例如成立于1907年的华新水泥。制造业的数字化转型,一直有鼠标+水泥的说法,用来比喻传统行业触网求发展的形态,在利用信息化手段提升企业管理水平方面,华新走在了行业前列,很早就实施了ERP系统,还推出了华新网上商城。虽然数字化转型动作很快,但还是遇到了统筹管理全球工厂的难题。2019年9月,华新水泥开始将SAP、CRM、生产发货等核心系统迁移上云。从线下迁移到华为云后,华新水泥与子公司、各个业务系统之间的协同效率大为提升,单是每年的运维成本就节约至少30%,包含电费、维保费和专线费等,降低了成本、能耗,减少了工人的劳动强度,保障了工业与商业智能化。

       某汽车零部件企业受传统内部管理和外部供应商管理模式的限制,企业外部采购方与供应商之间消息无法对称、企业内部各部门,甚至同部门各个项目间的信息无法有效沟通与传递,使企业在内部管理和外部采购业务的效率低下。通过“采购业务上云”解决了供应商管理、采购协同、财务对账等业务难题,实现了与上游供应商间的“企企互联”的外部协同数字化。通过“办公业务上云”,搭建了一站式的办公平台,企业内部沟通协作更加高效、提升知识利用率和分析率,打破部门壁垒与地域限制,激发员工的创新思维,实现“人人互联”的内部协同数字化。

       企业通过云计算技术将研发、制造、供应链等核心业务迁移到云端,实现了云上业务执行和运转,实现了各业务系统的集成,提升了业务流转效率。并且随着业务逐步上云,企业可围绕产业链上下游实现与其他企业的业务协同,简化业务交互过程,由此创新业务发展模式,持续推动运营优化和客户体验改善。

总结

       企业对云计算的接受程度已经越来越高,随着云平台的数量以及云服务的模式不断增多,身处云计算浪潮的各大企业,如何精确地提出自己的需求,通过云计算的优势增强自身的核心竞争力,是企业需要认真思考的问题。在企业数字化转型的过程中,云计算被视为一种普惠、灵活的基础资源,其定位在不断变化,内涵也更加丰富。作为“新基建”底层核心技术的基础,云计算的发展必将助力产业经济的高质量发展!
 
责任编辑:吴婕
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