8.1云计算

1.云和云计算

云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在网络拓扑结构图中往往用云来表示电信网，后来也用来抽象表示互联网和底层基础设施。“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，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"云"中的计算资源集中起来，并通过专门软件实现自动管理，不需要人为参与。用户可以动态申请部分资源，支持各种应用程序的运行，不用为繁琐的硬件细节而烦恼，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。

云计算是一种基于因特网的超级计算模式，在远程的数据中心，几万甚至几千万台计算机和服务器连接成一片。因此，云计算甚至可以实现超过10万亿次/秒的运算能力，如此强大的运算能力几乎无所不能。用户通过计算机、笔记本电脑、手机等终端接入数据中心，按各自的需求进行存储和运算。

云计算的定义有多种说法，现阶段最被接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义：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、服务等），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义的云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义的云计算是指服务的交付和使用模式，用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是与IT和软件、互联网相关的，也可以是其他服务，这意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池，使用户能够按需获取计算能力、存储空间和信息服务。用户不必关心"云"内部的结构，只关心它的输入和输出，这和传统意义上清晰的网络结构是完全不同的。

2.云计算的发展背景

Web2.0为云计算的发展提供了机遇。Web2.0是相对Web1.0的新一代互联网应用的统称。Web 1.0的主要特点在于用户通过浏览器获取信息，而 Web 2.0则更注重用户的交互作用，用户既是网站内容的浏览者，也是网站内容的制造者。所谓网站内容的制造者，是指互联网上的每一个用户不再仅仅是读者，同时也成为作者；在模式上由单纯的“读”向“写”以及“共同建设”发展；由被动地接收互联网信息向主动创造互联网信息发展，从而更加人性化。在Web 2.0的引导下，只要有一些有趣而新颖的想法，就能够基于云计算快速搭建Web应用。

Web 2.0模式下的互联网应用具有以下显著特点：

（1）用户分享。在Web2.0模式下，可以不受时间和地域的限制分享各种观点。用户可以得到自己需要的信息，也可以发布自己的观点。

（2）信息聚合。信息在网络上不断积累，不会丢失。

（3）以兴趣为聚合点的社群。在Web2.0模式下，聚集的是对某个或者某些问题感兴趣的群体，也可以说，在无形中已经产生了细分市场。

（4）开放的平台，活跃的用户。平台对于用户来说是开放的，而且用户因为兴趣而保持比较高的忠诚度，他们会积极地参与其中。

Web2.0网站的快速发展，已经远远超过传统门户网站。这些网站具有用户数量多、用户参与程度高的特点。因此，如何有效地为如此巨大的用户群体服务，让他们参与时能够享受方便、快捷的服务，已成为这些网站急需解决的一个问题。而与此同时，一些企业搭建的服务器群，提供了强大的搜索速度与处理能力。于是，如何有效利用这些技术，为更多的企业或个人提供强大的计算能力和个性化的服务，已成为这些拥有巨大服务器资源的企业考虑的问题。

正是因为一方有对计算能力的需求，而另一方能够提供这样的计算能力，于是云计算就应运而生。

另一方面，宽带的发展为云计算提供了硬件基础。网络带宽资源作为衡量互联网络发展程度的一个重要指标，日益受到人们的关注。它不仅是政府制订网络信息资源发展策略的重要依据，也是互联网用户和单位选择互联网接入服务商的主要因素之一。云计算是由网格计算发展来的。云计算与网格计算有许多相似之处，都是希望利用大量的计算机，构建强大的计算能力。但是云计算有着更为宏大的目标，它希望能够利用这样的计算能力，在其基础上构建稳定而快速的存储以及其他服务。2018年，第十届中国云计算大会在北京召开，本次大会的主题是聚力云上生态，赋能数字经济。云计算已经深入融入工业、交通、金融、生活服务等众多行业领域，广泛服务于实体经济。

3.云计算的特点

云计算能够将使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。云计算意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。

云计算主要特点如下：

（1）超大规模

“云”具有相当的规模，大型云计算公司的“云”均拥有几十万甚至上百万台服务器。企业私有云一般拥有数百上千台服务器。"云"能赋予用户前所未有的计算能力。

（2）虚拟化

云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无须了解、也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本电脑或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。

（3）高可靠性

“云”使用了数据多副本容错、计算结点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性、使用云计算比使用本地计算机更加可靠。

（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运行。

（5）高可扩展性

“云”的规模可以动态发展，满足应用和用户规模不断增长的需要。

（6）按需服务

“云”是一个庞大的资源池，用户可以按需购买；“云”中的资源和服务可以像自来水、电、煤气那样计费。

（7）低成本

由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的结点来构成云，“云”的自动化集中式管理使大量企业不必负担高昂的数据中心管理成本，"云"的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，因此用户可以充分享受"云"的低成本优势，包括资金成本和时间成本。

云计算可以彻底改变人们未来的生活，但同时也要重视环境问题，这样才能真正为人类进步做贡献，而不是简单的技术提升。

应该注意到，云计算目前还存在潜在的危险性。云计算服务除了提供计算服务外，还必然提供存储服务。但是云计算服务目前一般由科技公司提供，而他们仅仅能够提供商业信用。对于政府机构、商业机构（特别像银行这样持有敏感数据的商业机构），如果选择云计算服务应保持足够的警惕。对于信息社会而言，"信息"是至关重要的。一旦商业用户大规模使用企业提供的云计算服务，无论其技术优势有多强，都不可避免地会让这些企业以"数据（信息）"的重要性挟制。另一方面，云计算中的数据对于数据所有者以外的其他云计算用户是保密的，但是对于提供云计算的商业机构而言却毫无秘密可言。所以，信息安全是商业机构和政府机构选择云计算服务、特别是国外机构提供的云计算服务时，必须考虑的一个重要的前提。

4.云计算的服务模型和部署模式

美国国家标准和技术研究院的云计算定义中明确了三种服务模式：

①软件即服务（SaaS）：消费者使用应用程序，但并不掌控操作系统、硬件或运作的网络基础架构。

②平台即服务（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、硬件或运作的网络基础架构。

③基础架构即服务（IaaS）：消费者使用“基础计算资源”，如处理能力、存储空间、网络组件或中间件。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、负载平衡器等），但并不掌控云基础架构。

美国国家标准和技术研究院的云计算定义中也涉及了关于云计算的部署模式：

①公用云（Public Cloud）：公用云服务可通过网络及第三方服务供应者，开放给客户使用。“公用”一词并不一定代表“免费”，但也可能代表免费或廉价。公用云并不表示用户数据可供任何人查看，公用云提供者通常会对用户实施使用访问控制机制，公用云作为解决方案，既有弹性，又具备成本效益。

②私有云（Private Cloud）：私有云具备许多公用云环境的优点，如弹性、适合提供服务，两者的差别在于，私有云服务中的数据与程序皆在组织内管理，且与公用云服务不同，不会受到网络带宽、安全疑虑、法规限制影响；此外，因为用户与网络都受到特殊限制，所以私有云服务能让提供者及用户更能掌控云基础架构、改善安全与弹性。

③社区云（Community Cloud）：社区云由众多利益相仿的组织掌控及使用，如特定安全要求、共同宗旨等。社区成员共同使用云数据及应用程序。

④混合云（Hybrid Cloud）：混合云结合了公用云及私有云。在这个模式中，用户通常将非企业关键信息外包，并在公用云上处理，但同时在私有云上掌控企业关键服务及数据。

5.云计算的关键技术

云计算是一种新型的超级计算方式，它以数据为中心，是一种数据密集型的超级计算，在数据存储、数据管理、编程模式等方面具有自身特有的技术，同时涉及了众多其他技术。

云计算特有的技术，包括数据存储技术、数据管理技术、编程模型等。

（1）数据存储技术

为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，即为同一份数据存储多个副本。另外，云计算系统需要同时满足大量用户的需求，并行地为大量用户提供服务。因此，云计算的数据存储技术必须具有高吞吐率和高传输率的特点。

云计算的数据存储技术未来的发展将集中在超大规模的数据存储、数据加密和安全性保证以及继续提高I/O速率等方面。

（2）数据管理技术

云计算系统对大数据集进行处理、分析，向用户提供高效的服务。因此，数据管理技术必须能够高效地管理大数据集。

其次，如何在规模巨大的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。

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，数据的读操作频率远大于数据的更新频率，云中的数据管理是一种读价化的数据管理。因此，云系统的数据管理往往采用数据库领域中列存储的数据管理模式，即将表按列划分后存储。

由于采用列存储的方式管理数据，如何提高数据的更新速率以及进一步提高随机读取速率是未来的数据管理技术必须解决的问题。

（3）编程模型

为了使用户能更轻松地享受云计算带来的服务，让用户能利用编程模型编写简单的程序来实现特定的应用，云计算上的编程模型必须十分简单，必须保证后台复杂的并行执行和任务调度向用户和编程人员透明。云计算大部分采用MapReduce的编程模型。现在大部分Ⅱ厂商提出的云计划中采用的编程模型，都是基于MapReduce的思想开发的。

MapReduce不仅仅是一种编程模型，同时也是一种高效的任务调度模型。MapReduce不仅适用于云计算，在多核和多处理器以及异构机群上同样有良好的性能。

6.云计算面临的挑战

目前云计算仍面临许多问题，主要包括以下几个方面：

①数据安全问题：如何保证存放在云服务提供商的数据隐私不被非法利用，不仅需要技术的改进，也需要法律的进一步完善。云计算中的有些数据是企业的商业机密数据，安全性关系到企业的生存和发展。如果解决不了云计算数据的安全性问题，会影响云计算在企业中的应用。

②用户习惯问题：如何改变用户的使用习惯，使用户适应网络化的软硬件应用是长期而且艰巨的挑战。

③网络传输问题：云计算服务依赖网络。如果网速低且不稳定，会降低云应用的性能。云计算的普及依赖网络技术的发展。

④技术标准问题：云计算的美好前景让传统IT厂商纷纷向云计算方向转型。但是由于缺乏统一的技术标准，尤其是接口标准，各厂商在开发各自产品和服务的过程中各自为政，这给将来不同服务之间的互联互通带来严峻挑战。

8.2 网联物

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息时代的重要发展阶段。物联网的英文名称是"Internet of Things（IoT）"，顾名思义，物联网就是物相连的互联网，它包括两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到物品与物品之间进行信息交换和通信，也就是物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，与网络深入融合，广泛应用，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

1.物联网的起源

1999年美国麻省理工学院建立了"自动识别中心（Auto-ID）"，提出"万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。早期的物联网是依托射频识别（RFID）技术的物流网络。随着技术和应用的发展，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。2008 年后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将日光放在了物联网上。

在中国，2008年11月在北京举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”上提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革。2009年，中国政府将物联网正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写人“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。在物联网这个全新的产业中，我国技术研发水平处于世界前列。

物联网是作为国家重点发展战略性新兴产业之一，是"中国制造2025""工业4.0"及智慧城市的重要基础，正在成为推动经济社会智能化和可持续发展的重要力量。"中国制造2025"需要物联网的支撑，物联网是"中国制造2025"的基础。

2.物联网的定义

国际电信联盟（ITU）发布的ITU互联网报告中对物联网做了如下定义：物联网是通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

根据上述定义，物联网主要解决物品与物品（Thing to Thing，T2T）、人与物品（Human to Thing，H2T）、人与人（Human to Human，H2H）之间的互联。但是与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品连接更加的简化，而 H2H 是指人之间不依赖PC而进行的互联。因为互联网并没有考虑到物品连接的问题，因此我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到"智慧"状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

3.物联网的架构

物联网架构可分为三层：感知层、网络层和应用层。

①感知层由各种传感器构成，包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、红外线、GPS等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器结点、无线路由器、无线网关等。

②网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。网络层也称为传输层，包括传输网与接入网。传输网由公网与专网组成，典型传输网包括电信网（固网、移动网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络的最后一公里的接入。

③应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。应用层由业务支撑平台（中间件平台）、网络管理平台、信息处理平台、信息安全平台、服务支撑平台等细成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘，以及提供面向行业和大众用户的服务等功能，典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术等。应用层的典型案例包括：智能电网、城市管理、智能家居、智能交通、工业监控等具体某一领域的应用方案。

4.物联网的特点

和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征，主要有以下几点：

①首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

②其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输。由于其数量极其庞大，形成了海量信息。在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

③再次，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

5.物联网的分类

物联网的分类标准有很多，按其服务范围划分，可以分成以下4类：

①私有物联网：一般面向单一机构内部提供服务。

②公有物联网：基于互联网向公众或大型用户群体提供服务。

③社区物联网：向一个关联的“社区”或机构群体（如公安局、交通局、环保局、城管局等一个城市政府下属的机构）提供服务。

④混合物联网：是上述两种或以上的物联网的组合，但后台有统一的运行维护实体。

8.3无线网络

无线网络包括无线广域网和无线局域网两类。

1.无线广域网

无线广域网又包括窄带广域网和宽带广域网两种。

（1）窄带广域网

它涉及高速线路交换数据（HSCSD）、多时隙通用分组无线业务（GPRS）和蜂窝数字分组数据（CDPD）。

（2）宽带广域网

它涉及本地多点分配业务（LMDS）、同步CDMA（Synchronous CDMA，SCDMA）和宽带分码多任务存取（Wideband CDMA，WCDMA）。

2.无线局域网

(1)IEEE 802.11

无线局域网与传统局域网的主要不同之处在于传输介质不同，传统局域网都是通过有形的传输介质进行连接的，如同轴电缆、双绞线和光纤等，而无线局域网则没有有形传输介质。正因为无线局域网摆脱了有形传输介质的束缚，所以它的最大特点就是自由，只要在网络的覆盖范围内，无线局域网可以在任何一个地方与服务器及其他工作站连接，而不需要重新铺设电缆。这一特点非常适合移动办公一族，只要无线网络能够覆盖，不管在什么地方（飞机、火车、酒店等），都可以随时随地连接到无线网络，甚至Internet。

无线局域网采用802.11系列标准，它也是由 IEEE 802标准委员会制定的。目前这一系列主要有4个标准，分别为：802.11b（ISM 2.4GHz）、802.11a（5GHz）、802.11g（ISM 2.4GHz）和802.11z。

因为无线局域网的“无线”特点，致使任何进入此网络覆盖区的用户都可以轻松以临时用户身份进入网络，给网络带来了极大的不安全因素（常见的安全漏洞有：SSID广播、数据以明文传输及未采取任何认证或加密措施等）。为此802.11z标准专门就无线网络的安全性方面作了明确规定，加强了用户身份认证制度，并对传输的数据进行加密。所使用的方法/算法有：WEP （RC4-128 预共享密钥）、WPA/WPA2（802.11 RADIUS集中式身份认证，使用TKIP与/或 AES 加密算法）与WPA（预共享密钥）。

（2）蓝牙（Blue tooth）

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9×9mm的微芯片中。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，其数据传输速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。使用IEEE 802.15协议。

蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使得蓝牙比其他系统都更稳定。

8.4  知识扩展

1.千兆以太网技术新动向

千兆以太网具有完善的标准、良好的兼容性和性能价格比，随着越来越多的网络新技术应用于千兆以太网，千兆以太网迎来了蓬勃的发展机会。千兆以太网技术的发展表现在以下几个方面。

（1）多层智能交换技术

智能交换技术将逐步地应用在千兆以太网交换机上，3层交换逐步会向多层交换发展。新的2层到7层的智能交换技术提供动态资源预留、多层交换、基于策略和应用等高级管理功能，可以从根本上解决目前网络设备的智能交换问题，满足用户的多样性业务需求。

（2）高级服务质量保证

ASIC技术的高速发展使交换设备具备强大的QoS能力成为可能，网络QoS开始从集中保证逐渐向端到端保证过渡。新的 QoS模型可以控制和满足各种网络应用和需要。

（3）增强的安全性管理

网络安全性主要包括系统安全性和接人安全性，系统安全性指在网络由核心到边缘的整体架构中实现安全机制，即通过特定技术对网络管理信息进行加密、控制和全网络系统的安全交换。接入安全性是指各类接入交换系统的安全接入机制。

（4）简易化和智能化设备管理

集群管理可以维护众多的网络设备，并提供设备拓扑发现功能、设备故障和链路故障报警、设备统一配置等多种灵活的网络维护手段。同时，Web技术的引入使得分布式网络管理从理论转向实际应用。

（5）可靠性和稳定性

集成网络处理芯片的发展和高可靠性、高性能的微处理器的使用，从根本上提高了网络设备的可靠性和稳定性；先进的嵌入性实时操作系统和软件技术的发展，保证了网络设备的稳定性；核心处理部件的冗余设计，杜绝了灾难和故障的发生。

2.10 Gbps 以太网技术

10 Gbps 以太网技术是一种高速以太网技术，这种以太网采用IEEE 802.3以太网介质访问控制（MAC）协议、帧格式和帧长度。10 Gbps以太网同其他以太网一样，是全双工的，它兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，从而提供更快的数据传输服务。

10 Gbps 以太网既可以作为局域网也可作为广域网使用，而这两者之间工作环境不同，对于各项指标的要求存在许多差异。针对这种情况，人们制订了两种不同的物理介质标准。这两种物理层的共同点是共享一个MAC层，采用光纤作为物理介质。10 Gbps局域以太网物理层的特点是支持IEEE 802.3 MAC全双工工作方式，允许以太网复用设备同时携带10路1 Gbps信号，帧格式与以太网的帧格式一致。10 Gbps广域网物理层的特点是采用OC-192C帧格式在线路上传输，传输速率为9.584 64 Gbps，所以，10 Gbps广域以太网 MAC层必须有速率匹配功能。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km；采用多模光纤时，传输距离可达40km。

以太网技术一直被当作一种接入技术来使用，而10 Gbps以太网已成为最简单、最快速以及最高性能价格比的骨干网络技术。这也是10 Gbps 以太网技术不同于以往的以太网技术的一个突破性的进展。随着局域网、广域网和城域网的界限越来越模糊，网络的统一成为大势所趋。在不需大量网管的情况下，如何简单、经济地将各个网络连接是一个急需解决的问题。而10Gbps 以太网技术可以解决这种问题，其较大的带宽使之可以构建园区骨干网或企业数据中心。同时，10 Gbps 以太网的出现也将加速电子商务的应用及实现以太网高速接入Internet。从经济角度讲，10 Gbps 以太网技术在相对较低的开销下提供了较高的带宽，并实现了各种网络的无缝连接。

3.集群的负载均衡技术

（1）负载均衡技术的产生

当前，无论在企业网、园区网还是在广域网如Internet上，业务量的发展都大大超过预期，新的应用层出不穷，即使按照当时最优配置建设的网络，也很快会感到吃不消。尤其是各个网络的核心部分，其数据流量和计算强度之大，使得单一设备根本无法承担，而如何在完成同样功能的多个网络设备之间实现合理的业务量分配，使之不至于出现一台设备过忙、而别的设备却未充分发挥处理能力的情况，这就成了一个问题，负载均衡机制也因此应运而生。

负载均衡建立在现有的网络结构之上，它提供了一种廉价而有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。它主要完成以下任务：解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性；为用户提供更好的访问质量；提高服务器响应速度；提高服务器及其他资源的利用效率；避免了网络关键部位出现单点失效。

其实，负载均衡并非传统意义上的"均衡"，一般来说，它只是把有可能拥塞于一个地方的负载交给多个地方分担。如果将其改称为“负载分担”，也许更好懂一些。说得通俗一点，负载均衡在网络中的作用就像轮流值日制度，把任务分给大家来完成，以免让一个人劳累过度。不过，这种意义上的均衡一般是静态的，也就是事先确定的"轮值"策略。

与轮流值日制度不同的是，动态负载均衡通过一些工具实时地分析数据包，掌握网络中的数据流量状况，把任务合理分配出去。结构上分为本地负载均衡和地域负载均衡（全局负载均衡），前一种是指对本地的服务器集群做负载均衡，后一种是指对分别放置在不同的地理位置、在不同的网络及服务器群集之间做负载均衡。

服务器群集中，每个服务结点运行一个所需服务器程序的独立备份，诸如Web、FTP、Telnet 或E-mail服务器程序。对于某些服务（如运行在Web服务器上的那些服务）而言，程序的一个备份运行在群集内所有的主机上，而网络负载均衡则将工作负载在这些主机间进行分配。对于其他服务（例如E-mail），只有一台主机处理工作负载，针对这些服务，网络负载均衡允许网络通信量流到一个主机上，并在该主机发生故障时将通信量移至其他主机。

（2）负载均衡技术实现结构

在现有网络结构之上，负载均衡提供了一种廉价而有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。它主要完成以下任务：

①解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性。

②为用户提供更好的访问质量。

③提高服务器响应速度。

④提高服务器及其他资源的利用效率。

⑤避免了网络关键部位出现单点失效。

广义上的负载均衡既可以设置专门的网关、负载均衡器，也可以通过一些专用软件与协议来实现。对一个网络的负载均衡应用，从网络的不同层次入手，根据网络瓶颈所在进行具体分析。从客户端应用为起点纵向分析，参考 OSI 的分层模型，把负载均衡技术的实现分为客户端负载均衡技术、应用服务器负载均衡技术、域名系统负载均衡技术、高层协议内容交换技术、网络接入协议交换技术、服务器群集负载均衡技术等几种方式。

①客户端负载均衡技术：这种模式指的是在网络的客户端运行特定的程序，该程序定期或不定期地收集服务器群的运行参数，如CPU占用情况、磁盘I/O、内存等动态信息，再根据某种选择策略，找到可以提供服务的最佳服务器，将本地的应用请求发向它。如果负载信息采集程序发现服务器失效，则找到其他可替代的服务器作为服务选择。整个过程对于应用程序来说是完全透明的，所有的工作都在运行时处理。因此，这也是一种动态的负载均衡技术。

但这种技术的通用性存在问题。因为每一个客户端都要安装这个特殊的采集程序；并且，为了保证应用层的透明运行，需要针对每一个应用程序加以修改，通过动态链接库或者嵌入的方法，将客户端的访问请求能够先经过采集程序再发往服务器。对于每一个应用几乎都要对代码进行重新开发，工作量比较大。

所以，这种技术仅在特殊的应用场合才会使用，比如在执行某些专有任务的时候，这种任务需要分布式的计算能力，而对应用的开发没有太多要求。另外，在采用Java的架构模型中，常常使用这种模式实现分布式的负载均衡，因为Java应用都基于虚拟机进行，可以在应用层和虚拟机之间设计一个中间层，处理负载均衡的工作。

②应用服务器负载均衡技术：如果将客户端的负载均衡层移植到某一个中间平台，形成3 层结构，则客户端应用可以不做特殊的修改，透明地通过中间层应用服务器将请求均衡到相应的服务结点。比较常见的实现手段就是反向代理技术。使用反向代理服务器，可以将请求均匀地转发给多台服务器，或者直接将缓存的数据返回客户端，这样的加速模式在一定程度上可以提升静态网页的访问速度，从而达到负载均衡的目的。

使用反向代理的好处是，可以将负载均衡和代理服务器的高速缓存技术结合在一起，提供有益的性能。然而它本身也存在一些问题，首先就是必须为每一种服务都专门开发一个反向代理服务器，这就不是一个轻松的任务。

反向代理服务器本身虽然可以达到很高的效率，但是针对每一次代理，代理服务器就必须维护两个连接：一个对外的连接和一个对内的连接，因此，对于特别高的连接请求，代理服务器的负载也就非常大。反向代理能够执行针对应用协议而优化的负载均衡策略，每次仅访问最空闲的内部服务器来提供服务。但是随着并发连接数量的增加，代理服务器本身的负载也变得非常大，最后反向代理服务器本身会成为服务的瓶颈。

③域名系统负载均衡技术：NCSA的可扩展Web是最早使用动态DNS轮询技术的Web系统。在DNS中为多个地址配置同一个名字，因而查询这个名字的客户机将得到其中一个地址，从而使得不同的客户访问不同的服务器，达到负载均衡的目的。动态DNS轮询实现起来简单，无须复杂的配置和管理，因此广为使用。

DNS负载均衡是一种简单而有效的方法，但是它存在不少问题。

首先，域名服务器无法知道服务结点是否有效，如果服务结点失效，域名系统依然会将域名解析到该结点上，造成用户访问失效。

其次，由于DNS的数据刷新时间（Time to Live，TTL）标志，一旦超过这个TTL，其他DNS服务器就需要和这个服务器交互，以重新获得地址数据，这就有可能获得不同的IP地址。因此，为了使地址能随机分配，就应使TTL尽量短，不同地方的DNS服务器能更新对应的地址，以便随机获得地址。然而若将TTL设置得过短，将使DNS流量大增，而造成额外的网络问题。

最后，它不能区分服务器的差异，也不能反映服务器的当前运行状态。当使用DNS负载均衡的时候，必须尽量保证不同的客户计算机能均匀地获得不同的地址。例如，用户A可能只是浏览几个网页，而用户B可能进行着大量的下载，由于域名系统没有合适的负载策略，仅仅是简单的轮流均衡，很容易将用户A的请求发往负载轻的站点，而将B的请求发往负载已经很重的站点。因此，在动态平衡特性上，动态DNS轮询的效果并不理想。

④高层协议内容交换技术：除了上述几种负载均衡技术之外，还有在协议内部支持负载均衡能力的技术，即URL交换或7层交换，它提供了一种对访问流量的高层控制方式。Web 内容交换技术检查所有的HTTP报头，根据报头内的信息来执行负载均衡的决策。例如，可以根据这些信息来确定如何为个人主页和图像数据等内容提供服务，常见的有HTTP协议中的复位能力等。

HTTP运行于TCP连接的最高层。客户端通过指定的端口号为80的TCP服务直接连接到服务器，然后通过TCP连接向服务器端发送一个HTTP请求。协议交换根据内容策略来控制负载，而不是根据TCP端口号，所以不会造成访问流量的滞留。

由于负载平衡设备要把进入的请求分配给多个服务器，因此，它只能在TCP连接时建立，且HTTP请求通过后才能确定如何进行负载的平衡。当一个网站的点击率达到每秒上百甚至上千次时，TCP连接、HTTP报头信息的分析以及进程的时延已经变得很重要了，要尽一切可能提高这几部分的性能。

在HTTP请求和报头中，有很多对负载平衡有用的信息。可以从这些信息中获知客户端所请求的URL和网页，利用这个信息，负载平衡设备就可以将所有的图像请求引导到一个图像服务器，或者根据URL的数据库查询内容调用CGI程序，将请求引导到一个专用的高性能数据库服务器。

如果网络管理员熟悉内容交换技术，他可以根据HTTP报头的cookie字段来使用Web内容交换技术，以改善对特定客户的服务，如果能从HTTP请求中找到一些规律，还可以充分利用它做出各种决策。除了TCP连接表的问题外，如何查找合适的HTTP报头信息以及做出负载平衡决策的过程是影响Web内容交换技术性能的重要问题。如果Web服务器已经为图像服务、SSL 对话、数据库事务服务之类的特殊功能进行了优化，那么，采用这个层次的流量控制将提高网络的性能。

⑤网络接入协议交换技术：大型的网络一般都是由大量专用技术设备组成的，如防火墙、路由器、第3层交换机、第4层交换机、负载均衡设备、缓冲服务器和Web服务器等。如何将这些技术设备有机地组合在一起是一个直接影响到网络性能的关键性问题。现在许多交换机提供第4层交换功能，对外提供一个一致的IP地址，并映像为多个内部IP地址，对每次TCP和UDP连接请求，根据其端口号，按既定的策略动态选择一个内部地址，将数据包转发到该地址上，达到负载均衡的目的。很多硬件厂商将这种技术集成在他们的交换机中，作为他们第4层交换的一种功能来实现，一般采用随机选择、根据服务器的连接数量或者响应时间进行选择的负载均衡策略来分配负载。由于地址转换相对来讲比较接近网络的低层，因此，就有可能将它集成在硬件设备中，通常，这样的硬件设备是局域网交换机。

当前局域网交换机所讲的第4层交换技术就是按照IP地址和TCP端口进行虚拟连接的交换，直接将数据包发送到目的计算机的相应端口。通过交换机将来自外部的初始连接请求分别与内部的多个地址相联系，此后就能对这些已经建立的虚拟连接进行交换。因此，一些具备第4 层交换能力的局域网交换机就能作为一个硬件负载均衡器，完成服务器的负载均衡。

由于第4层交换基于硬件芯片，因此其性能非常优秀，尤其是网络传输速度和交换速度远远超过普通的数据包转发。然而，正因为它是使用硬件实现的，因此也不够灵活，仅仅能够处理几种最标准的应用协议的负载均衡，如HTTP。当前负载均衡主要用于解决服务器的处理能力不足的问题，因此并不能充分发挥交换机带来的高网络带宽的优点。

⑥服务器群集负载均衡技术：如今，服务器必须具备提供大量并发访问服务的能力，其处理能力和I/O能力已经成为提供服务的瓶颈。如果客户的增多导致通信量超出了服务器能承受的范围，那么其结果必然是宕机。显然，单台服务器有限的性能不可能解决这个问题，一台普通服务器的处理能力只能达到每秒几万个到几十万个请求，无法在一秒钟内处理上百万个甚至更多的请求。但若能将10台这样的服务器组成一个系统，并通过软件技术将所有请求平均分配给所有服务器，那么这个系统就拥有每秒钟处理几百万个甚至更多请求的能力。这就是利用服务器群集实现负载均衡的最初设计思想。

早期的服务器群集通常以光纤镜像卡进行主从方式备份。令服务运营商头疼的是关键性服务器或应用较多、数据流量较大的服务器一般造价较高，而服务运营商花了两台服务器的钱却常常只得到一台服务器的性能。解决的方法是通过地址转换将多台服务器网卡的不同IP地址翻译成一个VIP（Virtual IP）地址，使得每台服务器均时时处于工作状态。原来需要用小型机来完成的工作改由多台服务器来完成，这种弹性解决方案使服务运营商可以依据业务的需要随时调整服务器的数量。

为了建立一个高负载的Web站点，必须使用多服务器的分布式结构。上面提到的使用代理服务器和Web服务器相结合，或者两台Web服务器相互协作的方式也属于多服务器的结构，但在这些多服务器的结构中，每台服务器所起到的作用是不同的，属于非对称的体系结构，例如一台服务器用于提供静态网页，而另一台用于提供动态网页等。这样使得网页设计时需要考虑不同服务器之间的关系，一旦要改变服务器之间的关系，就会使得某些网页出现连接错误，不利于维护，可扩展性也较差。

能进行负载均衡的网络设计结构为对称结构，在对称结构中，每台服务器都具备等价的地位，都可以单独对外提供服务，而不需要其他服务器的辅助。然后，可以通过某种技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的每台服务器上，接收到连接请求的服务器都独立响应客户的请求。在这种结构中，由于建立内容完全一致的Web服务器并不困难，因此，负载均衡技术就成为建立一个高负载Web站点的关键性技术。

总之，负载均衡是一种策略，它能让多台服务器或多条链路共同承担一些繁重的计算或I/O 任务，从而以较低成本消除网络并瓦颈，提高网络的灵活性和可靠性。