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第7章 新一代信息技术及其应用
本章将介绍云计算、虚拟现实、物联网、大数据以及人工智能等方面的基本概念和知识，并对这些新一代信息技术当前的应用场景做一个简要说明。
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7.1 云计算
7.1.1 云计算的概念
1．云计算的定义
云计算（Cloud Computing）的概念由Google公司的CEO埃里克 施密特2006年首次提出。美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义是：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需要投入很少的管理工作，或与服务商进行很少的交互。
这里把提供资源的网络称之为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展，并可以随时获取、按需使用、随时扩展、按使用付费。
这种特性常被人们比喻为从每户单台发电机供电模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水和电一样，取用方便，费用低廉。其最大的不同在于，它是通过互联网进行传播的。
云
2．云计算服务
云计算服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。这种计算资源共享池称之为“云”，这也是云计算的核心理念。
“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟机计算资源，通常是一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器和宽带资源等。云计算将计算资源集中起来，并通过专门软件实现自动管理，无需人为参与。
用户可以动态申请部分资源，支持各种应用程序的运转，无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于提高效率、降低成本和技术创新。
7.1 云计算
3．云计算的特点
（1）超大规模
一般的企业私有云都拥有数百上千台服务器，大规模的云都有上百万台服务器。云计算把大量计算资源集中到一个公共资源池中，通过多主租用的方式共享计算资源。
例如，Google云计算中心已经拥有几百万台服务器，Amazon（亚马逊）、IBM、微软、Yahoo（雅虎）等的“云”均拥有几十万台服务器。虽然单个用户在云计算平台获得服务水平受到网络带宽等各因素影响，未必获得优于本地主机所提供的服务，但是从整个社会资源的角度而言，整体的资源调控降低了部分地区峰值荷载，提高了部分荒废的主机的运行率，从而提高资源利用率。
（2）虚拟化
用户只需要有一个比较简单的设备，比如一台笔记本或者一部手机，就可以通过网络来获取各种功能强大的服务。对软件层的用户而言，基础设备层是透明的，用户只能看到虚拟化层中虚拟出来的各类设备。
7.1 云计算
（3）高可靠性
“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构、可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算相比使用本地计算机可靠。
（4）通用性
云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用来运行。
（5）高扩展性
“云”的规模可以动态伸缩，可以满足应用和用户规模增长的需要。云平台管理软件将整合的计算资源根据应用访问的具体情况进行动态调整，包括增大或减少资源的要求。因此，云计算对于在非恒定需求的应用，如对需求波动很大、阶段性需求等，具有非常好的应用效果。
（6）按需服务
“云”是一个庞大的资源池，不像个人的电脑硬件，只能供这台电脑使用，云服务可以按需购买。作为云计算的代表按需提供服务、按需付费是目前各类云计算服务中不可或缺的一部分。
（7）价格低廉、节能环保
用户不需要构建非常复杂的硬件设备，就可以享受到高端硬件设备提供的服务。
7.1 云计算
7.1.2 云计算的现状与发展
云计算经过多年的发展，已经形成了较为完整的生态系统，构建了从芯片到终端用户的全产业链条。
7.1 云计算
图7-- 云计算产业链概览
表7-1 云计算产业链主要参与者及中美典型企业
7.1 云计算
参与者 说明 美国典型企业 中国典型企业
SaaS应用服务提供商 包括CRM和客服、OA和IM、文档级协同、ERP等 Salesforce 广联达、金财互联、用友网络、金蝶等
平台运营提供商 主要是PaaS平台运营提供商，也包括部分互联网公司、网络运营商、IDC服务商等 AWS 阿里云、华为云等
虚拟化软件提供商 主要提供实现虚拟化的软件平台 VMWare 华为、新华三等基于开源软件开发的虚拟化及管理软件
云设备提供商 主要是传统上的硬件生产商 HPE 华为、浪潮信息、中科曙光、联想等
芯片供应商 X86服务器主要是Intel Intel 天津海光（AMD授权其生产X86芯片）
7.1.3 云计算技术基本内涵
云计算是分布式处理、并行计算和网格计算等概念的发展和商业实现，其技术实质是计算、存储、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化，云计算在编程模式、数据存储、数据管理、虚拟化等方面具有自身独特的技术。
1．编程模式
云计算采用并行编程模式。在并行编程模式下，并发处理、容错、数据分布、负载均衡等细节都被抽象到一个函数库中，通过统一接口，用户大尺度的计算任务被自动并发和分布执行，即将一个任务自动分成多个子任务，并行地处理海量数据。
并行编程模式是一种颠覆性的革命，它是在网络计算等一系列优秀成果上发展而来的，所以更加淋漓尽致地体现了面向服务的体系架构（SOA）技术。
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2．海量数据分布存储技术
云计算系统由大量服务器组成，同时为大量用户服务，因此云计算系统采用分布式存储的方式存储数据，用冗余存储的方式（集群计算、数据冗余和分布式存储）保证数据的可靠性。冗余的方式通过任务分解和集群，用低配机器替代超级计算机的性能来保证低成本，这种方式保证分布式数据的高可用、高可靠和经济性，即为同一份数据存储多个副本。云计算系统中广泛使用的数据存储系统是Google的GFS和Hadoop团队开发的GFS的开源实现HDFS。
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3．海量数据管理技术
云计算需要对分布的、海量的数据进行处理、分析，因此，数据管理技术必需能够高效地管理大量的数据。云计算系统中的数据管理技术主要是Google的BT sT~IO数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBase。由于云数据存储管理形式不同于传统的RDBMS数据管理方式，如何在规模巨大的分布式数据中找到特定的数据，也是云计算数据管理技术所必须解决的问题。同时，由于管理形式的不同，造成传统的SQL数据库接口无法直接移植到云管理系统中来，目前一些研究在关注为云数据管理提供RDBMS和SQL的接口，如基于Hadoop子项目HBase和Hive等。另外，在云数据管理方面，如何保证数据安全性和数据访问高效性也是研究关注的重点问题之一。
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4．虚拟化技术
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。
随着VMware的vSphere和开源的Xen等基于X86架构的系统虚拟化技术的发展，一台服务器能整合过去多台服务器的负载，有效地提升硬件的利用率，并降低能源的浪费和硬件的购置成本。更重要的是，这些技术有效地提升了数据中心自动化管理的程度。
目前典型的实现（基本成为事实标准）有Citrix Xen、VMware ESX Server和Microsoft Hype-V等。
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5．云计算平台管理技术
云计算的特点是对海量的数据存储、读取后进行大量的分析，如何提高数据的更新速率以及进一步提高随机读速率是未来的数据管理技术必须解决的问题。云计算系统的平台管理技术能够使大量的服务器协同工作，方便地进行业务部署和开通，快速发现和恢复系统故障，通过自动化、智能化的手段实现大规模系统的可靠运营。
云计算的数据管理技术最著名的是谷歌的BigTable数据管理技术，同时Hadoop开发团队正在开发类似BigTable的开源数据管理模块。
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6．云计算业务接口
为了方便用户业务由传统IT系统向云计算环境的迁移，云计算应对用户提供统一的业务接口。业务接口的统一不仅方便用户业务向云端的迁移，也会使用户业务在云与云之间的迁移更加容易。在云计算时代，SOA架构和以Web Service为特征的业务模式仍是业务发展的主要路线。
7．云计算安全技术
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，这些问题都需要更强的技术手段，乃至法律手段去解决。
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7.1.4 云计算基本应用模式
1．按服务方式分类
云计算的服务层次是根据服务类型即服务集合来划分的。云计算服务模型体系结构可以划分为3个层次，即IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）和SaaS（软件即服务），三者构成如下图所示。
7.1 云计算
图7-- 云计算SPI模型
（1）IaaS（基础设施即服务）
基础设施即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）：消费者使用“基础计算资源”。资源服务包括处理能力、存储空间、网络组件或中间件服务。消费者能掌控操作系统、存储空间、已部署的应用程序及网络组件（如防火墙、负载均衡器等），但并不掌控云基础架构。如Amazon AWS、Rackspace等。
（2）PaaS（平台即服务）
平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）：消费者使用主机操作应用程序。消费者掌控运作应用程序的环境（也拥有主机部分掌控权），但并不掌控操作系统、硬件或网络基础架构。平台通常是应用程序基础架构。如Google App Engine。
（3）SaaS（软件服务）
软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS）：即提供给客户的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，用户可以在各种设备上通过客户端进行界面访问，比如浏览器。消费者使用应用程序，但并不掌控操作系统、硬件或网络基础架构。它是一种服务观念的基础，软件服务供应商以租赁的概念提供客户服务，而非购买，比较常见的模式是提供一组账号密码。
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2．按部署方式和服务对象分类
云计算按照部署方式和服务对象的范围，可以将云计算分为3类，即公共云、私有云和混合云，如下图所示。
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图7-- 云计算3大分类
（1）公有云
云计算基础设施被部署给广泛的公众开放地使用。它可能被一个商业组织、研究机构、政府机构或者几者的混合所拥有、管理和运营，被一个销售云计算服务的组织所拥有，该组织将云计算服务销售于一般人或广泛的工业群体。
（2）私有云
云计算基础设施由一个单一的组织部署和独占使用，可由该组织、第三方或两者的组合来拥有和管理。
私有云数据安全性比公有云高，但维护成本相对较大，因此，仅有相对基础设施和运维人员基本完善的大型企业才会使用这类云平台。
（3）混合云
云计算基础设施是由两种云（私有、公共）组成，每种云仍然保持独立，但用标准的或专有的技术将它们组合起来，具有数据和应用程序的可移植性。
混合云融合了公有云和私有云的优劣势，综合了数据安全以及资源共享性的双重考虑，其个性化方案达到了节约成本的目的，从而获得越来越多企业的青睐。
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7.1.5 云计算应用案例
较为简单的云计算技术已经普遍服务于现如今的互联网服务中，最为常见的就是网络搜索引擎和网络邮箱。
1．云物联
云物联，其实就是如今热议的“物联网”，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思，第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
2．云安全
云安全（Cloud Security）是一个从“云计算”演变而来的新名词。云安全的策略构想是——使用者越多，每个使用者就越安全，因为如此庞大的用户群，足以覆盖互联网的每个角落，只要某个网站被挂马或某个新木马病毒出现，就会立刻被截获。
3．云通讯
云通讯是云计算概念的一个分支，指用户利用SaaS形式的瘦客户端（ThinClient）、或智能客户端（SmartClient），通过现有局域网或互联网线路进行通讯交流，而无需经由传统PSTN线路的一种新型通讯方式。在现今ADSL宽带、光纤、3G、4G、5G等高速数据网络日新月异的年代，云通讯给传统电信运营商带来了新的发展契机。
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4．云教育
云教育，实质上是指教育信息化的一种发展。具体的，云教育可以是未来教育信息化的基础架构，包括了教育信息化所必须的一切硬件计算资源，这些资源经虚拟化之后，向教育机构、教育从业人员和学员提供一个良好的平台，该平台的作用就是为教育领域提供云服务。云教育包括成绩系统、综合素质评价系统、选修课系统、数字图书馆系统等。
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图7-- 中国大学MOOC平台
5．云金融
云金融是指利用云计算的模型，将信息、金融和服务等功能分散到庞大分支机构构成的互联网“云”中，旨在为银行、保险和基金等金融机构提供互联网处理和运行服务，同时共享互联网资源，从而解决现有问题并且达到高效、低成本的目标。
6．云医疗
云医疗（CloudMedicalTreatment，简称CMT），是指在云计算、移动技术、多媒体、4G通信、大数据、以及物联网等新技术基础上，结合医疗技术，使用“云计算”来创建医疗健康服务云平台，实现了医疗资源的共享和医疗范围的扩大。医疗云主要包括医疗健康信息平台、云医疗远程诊断及会诊系统，云医疗远程监护系统以及云医疗教育系统等。因为云计算技术的运用与结合，云医疗提高医疗机构的效率，方便居民就医。像现在医院的预约挂号、电子病历、医保等等都是云计算与医疗领域结合的产物，这一切的创新技术，改变了传统医疗上的很多漏洞，同时也方便了患者和医生。云医疗还具有数据安全、信息共享、动态扩展、布局全国的优势。
7.1 云计算
7．云政务
云政务（Government Cloud）是指运用云计算技术，统筹利用已有的机房、计算、存储、网络、安全、应用支撑、信息资源等，发挥云计算虚拟化、高可靠性、高通用性、高可扩展性及快速、按需、弹性服务等特征，为政府行业提供基础设施、支撑软件、应用系统、信息资源、运行保障和信息安全等综合服务平台，如下图所示。其优势能使职能部门数据共享，节省开销，降低国家行政管理的财政支出，提供有力的后台保障。
7.1 云计算
图7--- 云政务系统
8．云交通
云交通是指在云计算之中整合现有资源，并能够针对未来的交通行业发展整合将来所需求的各种硬件、软件、数据。动态满足ITS（Intelligent Transport System，智能交通系统）中各应用系统，针对交通行业的需求——基础建设、交通信息发布、交通企业增值服务、交通指挥提供决策支持及交通仿真模拟等。
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图7-- 贵州公安交警大数据实时作战云平台
9．云娱乐
广义云娱乐是基于云计算的各种娱乐，如云音乐、云电影、云游戏等。狭义云娱乐即通过电视直接上网，无需电脑、鼠标、键盘，只用一个遥控器便能轻松畅游网络世界，既节省了去电影院的时间和金钱，又省去了下载电影的麻烦，电视用户可随时免费享受到即时、海量的网络大片，打造了一个更为广阔的3C融合新生活方式。
7.1 云计算

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