雲計算原理與實踐 计算机类专业系统能力培养系列教材:云计算原理与实践

本書跨越雲計算的各個層次，全面、系統地介紹了雲計算的基本概念、原理和技術，並結合產業實踐介紹了雲計算的新發展和相關的工程問題。本書內容涵蓋雲計算的價值和技術框架、數據中心、網絡、虛擬化技術、分佈式存儲技術、雲數據庫、中間件和分佈式部署，並從產業角度給出了對雲計算的理解和思考以及雲上架構設計的常用方法和佳實踐。本書適合作為高等院校電腦、電子工程及相關專業雲計算課程的教材，也適合作為對雲計算技術有興趣的技術人員和研究人員的參考書。

過敏意，教授，博士生導師，國家傑出青年科學基金獲得者，2010年入選國家千人計劃。現任上海交通大學計算機科學與工程系主任，上海交通大學“致遠”講席教授，教育部創新團隊學術帶頭人。研究方向為嵌入式與普適計算、並行與分佈式計算、編譯與程序優化等，在各種學術期刊、會議上發表了超過300篇論文，出版英文著作3部。主持973計劃項目、國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、863項目等，並擔任多個國際著名期刊編委。

叢書序言
本書編委會
序
前言
第1章 雲計算概述 1
1.1 雲計算的產生及發展 1
1.1.1 雲計算的產生背景 1
1.1.2 雲計算的特點 2
1.1.3 雲計算髮展簡史 3
1.1.4 知名的雲計算服務提供商 3
1.2 雲計算的基礎知識 4
1.2.1 雲計算的概念 4
1.2.2 雲服務的使用形態 5
1.2.3 雲計算的服務類型 7
1.3 雲計算的價值與典型的使用場景 8
1.3.1 雲計算的價值 8
1.3.2 雲計算典型的使用場景 9
1.4 雲計算平臺架構 11
1.4.1 AWS平臺架構 11
1.4.2 阿裏雲平臺架構 12
1.4.3 谷歌雲平臺 13
1.4.4 幾種雲計算平臺的特點 15
1.5 雲計算部署小實例 15
1.6 雲計算的核心技術 18
1.7 雲計算的生態 22
本章小結 23
習題 24
參考文獻與進一步閱讀 24

第2章 數據中心 25
2.1 數據中心基礎設施 25
2.1.1 數據中心的基本組成 26
2.1.2 機房規劃與設計 30
2.1.3 基礎設施運維 33
2.1.4 數據中心的評價 35
2.2 雲計算數據中心 41
2.2.1 雲數據中心的發展 41
2.2.2 互聯網數據中心 42
2.2.3 多租戶數據中心 42
2.2.4 數據中心多級架構 43
2.2.5 模塊化設計與硬件重構 43
2.3 阿裏雲數據中心 45
2.3.1 綠色環保新實踐 45
2.3.2 數據中心設計新實踐 46
2.3.3 雲計算應用新實踐 46
本章小結 46
習題 47
參考文獻與進一步閱讀 47

第3章 網絡 48
3.1 網絡架構 48
3.1.1 數據中心網絡架構 49
3.1.2 區域網絡架構 50
3.1.3 核心網架構 51
3.1.4 邊緣或內容分發網絡架構 52
3.2 數據中心網絡 53
3.2.1 數據中心網絡概述 53
3.2.2 數據中心網絡架構技術演進 54
3.3 邊界網絡和CDN 57
3.3.1 HTTP 58
3.3.2 DNS 59
3.3.3 CDN的基本原理 61
3.3.4 CDN的應用 66
3.3.5 阿裏雲CDN 68
3.3.6 CDN的安全 71
3.4 網絡虛擬化技術 72
3.4.1 網絡虛擬化的概念 72
3.4.2 網絡虛擬化的原理 74
3.4.3 虛擬網絡互聯 76
3.4.4 主流開源項目介紹 79
3.4.5 阿裏雲的虛擬專有網絡 81
3.5 負載均衡技術 83
3.5.1 負載均衡的原理 83
3.5.2 四層負載均衡 84
3.5.3 七層負載均衡 86
3.5.4 DNS負載均衡 88
3.5.5 開源負載均衡概述 88
3.5.6 阿裏雲負載均衡服務 90
本章小結 92
習題 92
參考文獻與進一步閱讀 93

第4章 虛擬化 95
4.1 虛擬化技術概述 95
4.1.1 概念和歷史 95
4.1.2 虛擬化的意義 96
4.2 虛擬機的核心原理和技術 96
4.2.1 機器與接口 96
4.2.2 系統接口 96
4.2.3 運行模式 98
4.2.4 虛擬機的分類 99
4.3 虛擬化的實現 101
4.3.1 Xen虛擬機技術 101
4.3.2 KVM技術 103
4.3.3 其他資源虛擬化技術 104
4.4 虛擬機管理與調度 106
4.4.1 典型管理問題 106
4.4.2 彈性伸縮 108
4.5 容器技術 109
4.5.1 操作系統級虛擬化 109
4.5.2 Docker 110
4.5.3 容器與傳統虛擬機 111
4.5.4 Docker服務編排 112
4.5.5 Docker對雲的擴展 114
4.6 阿裏雲虛擬化實踐 114
4.6.1 雲服務器ECS 114
4.6.2 彈性伸縮機制 115
4.6.3 計費方式 116
4.6.4 阿裏雲虛擬化安全 116
4.6.5 阿裏雲容器服務 117
本章小結 125
習題 126
參考文獻與進一步閱讀 126

第5章 分佈式存儲 127
5.1 分佈式存儲基礎 127
5.1.1 分佈式存儲面臨的問題和挑戰 127
5.1.2 帽子理論 128
5.1.3 數據一致性協議 132
5.2 數據複製與備份技術 140
5.2.1 數據複製技術 140
5.2.2 數據備份技術 143
5.2.3 歸檔存儲 145
5.3 存儲陣列和糾刪碼技術 150
5.3.1 RAID概述 150
5.3.2 RAID的級別 150
5.3.3 糾刪碼技術 152
5.3.4 雲存儲系統的糾刪碼 154
5.4 塊存儲 156
5.4.1 塊存儲概述 156
5.4.2 常見的塊存儲設備 156
5.4.3 雲存儲系統的塊設備 158
5.4.4 塊設備的存儲管理 159
5.5 文件存儲 162
5.5.1 文件存儲概述 162
5.5.2 NAS及其架構 162
5.5.3 阿裏雲文件存儲 167
5.5.4 阿裏雲文件存儲的典型應用 167
5.6 對象存儲 169
5.6.1 對象存儲概述 169
5.6.2 對象存儲設備及其關鍵技術 170
5.6.3 阿裏雲對象存儲 173
5.6.4 阿裏雲對象存儲的典型應用 178
5.7 分佈式索引技術 179
5.7.1 哈希表 179
5.7.2 B+樹 180
5.7.3 LSM樹 181
5.8 分佈式鎖服務 183
5.8.1 Google Chubby 183
5.8.2 ZooKeeper 186
5.8.3 阿裏雲Nuwa 188
5.9 分佈式文件系統 189
5.9.1 Google文件系統 190
5.9.2 Hadoop分佈式文件系統 192
5.9.3 Ceph 195
5.9.4 Lustre 199
5.9.5 GlasterFS 200
5.9.6 阿裏雲Pangu 200
本章小結 202
習題 202
參考文獻與進一步閱讀 203

第6章 雲數據庫 204
6.1 雲數據庫概述 204
6.1.1 雲數據庫的現狀和演化 204
6.1.2 OLTP和OLAP 205
6.1.3 常見的數據庫類型及其管理系統 206
6.1.4 雲數據庫關鍵組件及應用場景 207
6.2 雲數據庫的設計和架構 208
6.2.1 高可靠性 208
6.2.2 高可用性 209
6.2.3 高安全性 210
6.2.4 良好的兼容性 210
6.2.5 雲數據庫架構 210
6.3 雲數據庫的關鍵技術 213
6.3.1 數據庫的擴展 213
6.3.2 大規模數據庫的實現 213
6.3.3 共享型和分佈式數據庫 215
6.3.4 智能運維和數據化管理 215
6.4 表格存儲 216
6.4.1 表格存儲概述 216
6.4.2 一些業界產品 218
6.4.3 阿裏雲表格存儲 219
6.4.4 典型案例分析 221
6.5 關係型數據庫 222
6.5.1 關係型數據庫概述 222
6.5.2 常用的關係型數據庫 222
6.5.3 阿裏雲關係數據庫RDS 223
6.6 分佈式數據庫 225
6.6.1 分佈式數據庫概述 225
6.6.2 分佈式數據庫的發展 226
6.6.3 常用的分佈式數據庫 228
6.7 內存數據庫 230
6.7.1 內存數據庫概述 230
6.7.2 內存數據庫的歷史和發展 231
6.7.3 常用的內存數據庫 232
6.7.4 內存數據庫存在的問題 234
本章小結 236
習題 236
參考文獻與進一步閱讀 237

第7章 雲計算中間件 238
7.1 中間件概述 238
7.1.1 應用的複雜性 239
7.1.2 中間件的產生和發展 240
7.1.3 中間件與SOA、微服務之間的關係 242
7.1.4 中間件的分類 243
7.1.5 雲計算中間件 243
7.1.6 主流廠商的中間件 245
7.2 雲計算中間件的關鍵技術 248
7.2.1 架構設計原則 248
7.2.2 高性能服務框架 252
7.2.3 消息服務 252
7.2.4 分佈式事務 253
7.2.5 數據化運維 254
7.2.6 服務化和服務治理 254
7.2.7 容器 255
7.3 日誌服務 255
7.3.1 典型應用場景 256
7.3.2 常見的日誌系統 258
7.3.3 阿裏雲日誌服務 261
7.4 消息中間件 263
7.4.1 使用場景和特點 263
7.4.2 同步/異步調用模式 266
7.4.3 點對點和發佈/訂閱模型 267
7.4.4 主流消息中間件 269
7.4.5 案例分析：抽獎系統 273
7.5 阿裏雲企業級分佈式應用服務 274
7.5.1 應用場景需求 274
7.5.2 系統架構 275
7.5.3 服務化和服務治理 276
7.5.4 核心組件和功能 278
7.6 雲計算中間件發展趨勢 280
7.6.1 產品化和智能化 280
7.6.2 平臺化和深度融合 281
本章小結 281
習題 281
參考文獻與進一步閱讀 281

第8章 分佈式部署與監控 283
8.1 軟件分佈式部署概述 283
8.1.1 功能模塊 283
8.1.2 軟件部署的內容 283
8.1.3 軟件部署模式 284
8.1.4 軟件的分佈式部署 284
8.2 互聯網大規模的軟件分佈式部署的設計 285
8.2.1 三大技術挑戰 285
8.2.2 設計原則 285
8.3 分佈式部署系統案例 287
8.3.1 微軟Autopilot系統 287
8.3.2 谷歌Borg系統 288
8.3.3 Facebook的Dynamo系統 289
8.4 阿裏雲天基系統 290
8.4.1 基本概念 290
8.4.2 工作原理 291
8.4.3 部署與擴容 291
8.4.4 升級 292
8.4.5 自動修復 293
8.4.6 調度系統 293
8.4.7 監控系統 294
8.5 阿裏雲監控 295
8.5.1 核心監控服務 296
8.5.2 服務調用方式 296
8.5.3 雲主機監控 297
8.5.4 雲服務監控 298
本章小結 299
習題 299
參考文獻與進一步閱讀 300

第9章 雲計算產業實踐 301
9.1 雲計算帶來的產業變革 301
9.2 雲計算的價值 302
9.2.1 商業價值 302
9.2.2 技術價值 304
9.3 雲上架構設計最佳實踐 306
9.3.1 安全 306
9.3.2 高可用 310
9.3.3 可擴展 312
9.3.4 高性能 316
9.3.5 成本效益 319
9.3.6 可運維 320
9.4 行業解決方案 321
9.4.1 行業解決方案的多維性 322
9.4.2 應用案例：遊戲行業的日誌分析 322
9.4.3 從1到千萬用戶的方案演進 326
9.4.4 行業客戶案例 329
9.5 雲上典型應用開發 331
9.5.1 雲上應用開發原則 331
9.5.2 從0開始搭建網站 333
9.6 雲計算趨勢的思考 336
9.6.1 公共雲和混合雲 336
9.6.2 極“智”未來 336
9.6.3 IoT遇上大數據 337
9.6.4 雲生態 337
9.6.5 雲上獨角獸 337
9.6.6 全球化 337
本章小結 338
習題 338
參考文獻與進一步閱讀 338