软件定义云中心：运营管理技术与工具

本书共分为10章，以讲述云计算和软件定义的基本概念为起点，介绍了云计算带来的中心化信息系统相关的技术和管理问题，包括云计算环境的构建技术、软件定义存储、软件定义网络、网络虚拟化、异构云、混合云构建、多云环境的自动化管理、云和容器的编排、数据中心的安全管理等技术，并给出简单易懂的应用实例，以帮助读者理解。此外，本书还对未来云计算技术的发展趋势进行了预测和分析，阐述云业务流程的**进展和成果。

Pethuru Raj （佩瑟鲁?拉吉），“计算机通信与网络”丛书主编之一，就职于英国莱斯特郡德蒙特福大学技术工程学院网络安全中心。在网络安全领域发布有影响力的论文多篇。Anupama Raman（阿努帕玛?拉曼），“”计算机通信与网络”丛书主编之一，就职于波兰格但斯克技术大学电子电信及信息学院计算机通信系。担任IEEE、ICASSP、ITST、ICSPS等国际知名期刊编委。
赵金晶,女,1981年生,军事科学院系统工程研究院副研究员,国防科技大学计算机学院博士,主要研究方向为计算机网络和信息安全。先后承担过国家自然科学基金、国家973重大项目、863计划、军队武器装备预研和军队型号等各类科研项目20余项,应急项目十余项,其中担任课题负责人8项,曾获国家自然科学基金青年基金资助。获得军队科技进步奖二等奖五项,三等奖一项,获得发明专利授权14项,软件著作权8项。发表学术论文60余篇,其中SCI检索6篇,EI检索30余篇。

目　录　



第1章 信息技术（IT）领域的明显趋势和转变 1
1．1 绪论 1
1．2 软件定义IT 1
1．3 敏捷型IT 3
1．4 混合型IT 3
1．5 分布型IT 4
1．6 服务型IT 5
1．7 容器化IT 6
1．8 高质量IT 7
1．9 云IT 7
1．10 认知型IT 9
1．11 超融合IT 10
1．12 结论 11
第2章 解密软件定义云环境 12
2．1 绪论 12
2．2 云的发展历程 12
2．3 云化过程 13
2．4 IT商品化和区域化 14
2．5 切换到软件定义数据中心（SDDC） 17
2．6 软件定义基础设施（SDI）的出现 18
2．7 软件定义云（SDC）的主要构件 19
2．8 网络功能虚拟化（NFV） 21
2．9 强调软件定义存储（SDS） 24
2．10 软件定义云（SDC）的主要优点 27
2．11 结论 30
第3章 软件定义存储（SDS）―存储虚拟化 31
3．1 绪论 31
3．1．1 DAS的缺点 33
3．1．2 存储区域网（SAN）入门 34
3．1．3 块级访问 34
3．1．4 文件级访问 35
3．1．5 对象级访问 35
3．1．6 存储大数据的存储基础设施需求 36
3．2 本节内容编排 37
3．2．1 光纤通道存储区域网（FC SAN） 37
3．2．2 网际协议存储区域网（IP SAN） 38
3．2．3 以太网光纤通道（FCoE） 39
3．2．4 网络附加存储（NAS） 39
3．3 高性能存储应用程序所使用的流行文件系统 40
3．3．1 谷歌文件系统（GFS） 40
3．3．2 Hadoop分布式文件系统（HDFS） 42
3．3．3 HDFS的架构 43
3．3．4 Panasas 44
3．4 云存储简介 48
3．5 存储虚拟化 51
3．5．1 精简配置 51
3．5．2 存储分层 52
3．5．3 云存储中使用的存储优化技术 53
3．5．4 云存储的优点 54
3．6 结论 55
第4章 软件定义网络（SDN）―网络虚拟化 56
4．1 绪论 56
4．2 当前网络基础设施的局限性 58
4．3 网络基础设施软件定义数据中心（SDDC）的设计方法 59
4．4 虚拟网络的组件 62
4．5 网络虚拟化实现技术 64
4．5．1 虚拟局域网（VLAN） 64
4．5．2 VLAN标记 66
4．5．3 虚拟可扩展局域网（VXLAN） 67
4．5．4 虚拟存储区域网（VSAN） 69
4．5．5 虚拟网络中的流量管理 69
4．5．6 链路聚合 69
4．5．7 流量整形 70
4．5．8 软件定义网络（SDN） 71
4．5．9 SDN的分层架构 72
4．5．10 网络功能虚拟化（NFV） 75
4．6 结论 76
第5章 混合云：混合型IT的发展历程 78
5．1 绪论 78
5．2 解密混合云模式 79
5．3 混合云的关键驱动因素 80
5．4 混合云的VMware云管理平台 82
5．5 混合云挑战 83
5．6 混合云的独特能力 85
5．7 云开发解决方案 87
5．8 VM和容器的混合云 88
5．9 混合云管理：用例和要求 94
5．10 混合云管理解决方案生态方兴未艾 95
5．11 结论 96
第6章 软件定义云中心的安全管理 97
6．1 绪论 97
6．2 软件定义数据中心（SDDC）基础设施的安全需求 97
6．3 身份验证、授权和审查框架（AAA） 98
6．4 深度防御 99
6．5 云平台的安全问题 101
6．5．1 虚拟机分割 101
6．5．2 数据库分割 102
6．5．3 虚拟机内省 102
6．6 分布式拒绝服务（DDoS） 103
6．7 基于虚拟机/虚拟机监视器的安全威胁 104
6．7．1 擅自篡改虚拟机映像文件 104
6．7．2 虚拟机盗用 105
6．7．3 虚拟机间攻击 105
6．7．4 瞬时间隙 106
6．7．5 监视器劫持 107
6．8 大数据的安全威胁 107
6．8．1 分布式编程框架 108
6．8．2 使用非关系型数据库（NoSQL） 108
6．8．3 分层存储 109
6．8．4 数据源验证 109
6．8．5 隐私问题 109
6．9 大数据安全管理框架要求 109
6．9．1 灵活可扩展的基础设施 110
6．9．2 数据分析和可视化工具 110
6．9．3 威胁监控和情报 111
6．10 移动设备安全解决方案 112
6．11 物联网组件的安全问题 113
6．12 物联网平台/设备的安全措施 114
6．12．1 安全启动 114
6．12．2 强制访问控制机制 115
6．12．3 网络设备身份验证 115
6．12．4 设备专用防火墙 115
6．12．5 确保安全补丁和升级的控制机制 115
6．12．6 物联网不同用例中的安全威胁 116
6．12．7 智能交通系统的安全威胁 116
6．12．8 智能电网和其他物联网基础设施组件中的安全威胁 117
6．13 结论 117
第7章 云服务管理 119
7．1 绪论 119
7．2 混合型IT的特性 120
7．3 实现混合型IT的架构 121
7．4 管理界面 121
7．5 资源配置和报告 122
7．6 流程和数据集成 122
7．7 系统和过程监控 122
7．8 服务管理 122
7．9 数据管理 123
7．10 身份和访问管理（IAM） 123
7．11 CMP工具 123
7．12 自助服务目录 125
7．13 统一云管理控制平台 126
7．14 云治理 126
7．15 计量/计费 127
7．15．1 IaaS的计费和计量服务 128
7．15．2 PaaS的计费和计量服务 129
7．15．3 SaaS的计费和计量服务 130
7．16 市场上主要的CMP供应商 131
7．16．1 思科云中心 131
7．16．2 VMware的vCloud自动化中心 132
7．17 结论 133
第8章 多云代理解决方案和服务 134
8．1 绪论 134
8．2 云代理解决方案和服务的关键驱动因素 136
8．3 IBM Cloud Brokerage介绍 143
8．4 IBM Cloud Brokerage的关键组件 145
8．5 IBM Cloud Brokerage的独特功能 147
8．6 Cloud Brokerage服务实现桥（SFB）总体架构 150
8．7 Cloud Brokerage和IBM Cloud Orchestrator（ICO）的集成优势 151
8．8 IBM Cloud Brokerage解决方案用例和优势 152
8．9 行业痛点、云代理目标、适配问题 153
8．10 IBM Cloud Brokerage案例研究 155
8．11 需要整合的功能 158
8．12 其他云代理解决方案和服务 159
8．13 结论 161
第9章 自动化的多云操作和容器编排 162
9．1 绪论 162
9．2 云自动化与编排简介 163
9．3 设定背景 164
9．4 多云环境的出现 165
9．5 面向多云环境的新一代DevOps解决方案 166
9．6 多云：机会与可能性 169
9．7 多云部署模型 170
9．8 管理多云环境的挑战 170
9．9 多云编排器的作用是什么？ 172
9．10 多云代理、管理和编排解决方案 174
9．11 领先的云编排工具 174
9．12 容器管理任务和工具 179
9．13 Mesosphere Marathon 183
9．14 云编排解决方案 185
9．15 多云环境的安全问题 188
9．16 构建多云环境中DevOps Pipeline的12个步骤 190
9．17 结论 192
第10章 多云管理：技术、工具和技能 194
10．1 绪论 194
10．2 进入数字时代 195
10．3 多云环境的出现 195
10．4 多云管理平台解决方案 196
10．5 多云管理解决方案的特性 198

10．6 多云管理策略 203
10．7 多云管理：最佳实践 205
10．8 通过预测分析管理多云环境 208
10．9 应用程序的更新与迁移：方法与架构 210
10．10 结论 212

译者序　

云计算的普及，使企业内部流量和用户访问数量都实现了指数级的快速增长，延续了20多年的传统外置存储架构和产品在IT技术高速发展的今天，暴露出了扩展性差、灵活性低、成本高等致命问题。软件定义数据中心（Software Defined Data Center，SDDC）的首次提出是在2012年8月VMworld大会上。其精髓在于软件定义，通过抽象、池化、自动化等步骤，实现IAAS（基础架构即服务），帮助用户共享计算网络和存储资源池，并实现动态扩展和调整，以动态适应某一业务在不同时段对于资源的SLA（服务等级协议）的要求。

通过对技术的分析，我们认为软件定义的出现需要这样的大环境：虚拟化技术已经渗透，云计算技术逐渐普及，对传统基础架构破旧立新。未来，软件定义数据中心的概念还将不断进化，技术不断发展，应用也不断深入。

本书是Springer出版的“计算机通信与网络”丛书中的一本，对于云计算技术和软件定义数据中心相关专业领域的初学者和从业人员来说，这是一本非常好的入门读物。本书以讲述云计算和软件定义的基本概念为起点，深入浅出地介绍了实现软件定义数据中心相关的各种概念和实践技术，包括虚拟化的云存储（SDC）、软件定义网络（SDN）、混合云构建、数据中心安全管理、多云环境的自动化管理、云和容器的编排等，并通过简单易懂的实例帮助读者理解，并应用到实际。

感谢电子工业出版社引进如此高品质的图书，让国内的从业人员可以从中受益。同时，非常感谢好友温研、庞玲、骆靖等，他们参与了该书部分章节的翻译和校审工作，并提出了许多宝贵的建议。另外，张玥、李姗姗对全稿进行了大量细致的审校工作。

译者也是抱着一颗炽热的学习之心在阅读和翻译本书，为了保证专业词汇翻译的准确性，我们在翻译过程中查阅了大量相关资料。但由于时间和能力有限，书中内容难免出现差错。若有问题，读者可通过电子邮件zhjj0420@126.com与我们联系，欢迎一起探讨，共同进步。

最后，深深感谢在翻译过程中给予我们理解、支持、帮助的家人、同事和朋友。

赵金晶 林白

2020年8月

前　言　

毫无疑问，迄今为止，云的发展历程令人难以置信，却又令人振奋。世界各地的政府机构、创新团队和个人都表现出前所未有的浓厚兴趣，利用各种途径积极研究云技术和工具，以领先竞争对手，保持既得优势。云概念带来的各种进展令人欣喜，它使IT变得高度优化并且组织高效。此外，云模式为IT运营和交付的求实创新和自由发展带来了各种可能性和契机。有了云技术增强的IT，我们可以憧憬并实现更优异、更强大的业务能力，同时降低IT投资和基础设施的投入。IT资源的浪费也能清查得一清二楚，并且从源头上止住各项浪费。IT环境中正在形成和实现新的部署和服务模式，以满足新兴的、不断发展的业务需求。由此节省下来的资金再回馈到IT和业务领域，从而创造新的竞争力。由于云技术的推动，使IT变得更加高效和简洁，业务敏捷性、自主性、适应性和对业务的承载能力都得到了增强。

目前，新业务模型正在形成，各种业务的提供方式更加简单合理。业务生产力显著提高，同时业务运营更加自动化。云技术支持的IT领域取得的进展和成就对纵向业务有直接影响。由于云与生俱来的能力，云模式将持续影响IT和企业。确切地说，神奇的云技术已经掀起了波澜，并在向更多新领域渗透。云化是一种势不可挡的趋势，它将改变游戏规则，促使传统IT发生转变。由于IT是企业最直接和最强大的推动力，借助于云技术的IT势必极大地促进业务发展。本书旨在介绍云领域正在悄悄发生的一切，以及如何巧妙地利用这些来创造以人为中心的IT，推动其开创性变革。

第1章将阐述IT领域的各种趋势和转变。本章将说明IT专家、IT普及者和IT倡导者通过云平台部署、分析、运营和处理业务时，为何如此重视云IT的运用。本章还将详细介绍如何通过云IT领域的发展和变革技术，进入物联网、区块链和认知分析时代。

第2章将介绍云2.0，即软件定义云环境的创新如何使传统的云中心实现自动化。作者将讨论软件定义计算、存储和网络，以及这三种转变如何共同作用创造出下一代云中心，从而更适合现代企业的发展。

第3章将介绍存储虚拟化中的软件定义存储（SDS）。当今企业的数据中心在容纳各种来源的海量非结构化数据方面面临着诸多挑战，因此，当务之急是通过技术来优化存储设备的使用，这就是存储虚拟化技术的用武之地。本章将详细讨论存储虚拟化的各个方面，如云存储、存储分层和重复数据删除等，这些都是软件定义存储的组成部分。本章还将介绍谷歌文件系统、HDFS等数据中心内部广泛使用的大数据存储领域的一些技术进展情况。

第4章将介绍网络虚拟化中的软件定义网络（SDN）。本章将专门讨论用于数据中心网络优化的各种技术。所有这些技术的核心技术基础是网络虚拟化。因此，本章将详细介绍网络虚拟化的概念，以及软件定义网络和网络功能虚拟化等其他网络虚拟化主题。

第5章将介绍关于混合云的构建。通常，桥接私有云和公有云会产生混合云。混合云有特定的需求、场景和用例。本章将深入挖掘并阐述混合云的各种特性和优势。本章还将解释如何通过在私有云与公有云环境之间有效同步来克服公有云与私有云中存在的问题和挑战。

第6章将介绍软件定义云中心的安全管理。整个软件定义云中心基础设施包含了云、大数据、移动设备和物联网等各种技术。这些技术容易受到各种类型的安全漏洞和威胁的影响而面临失效，因此，确保基础设施组件不受各种安全漏洞的影响，这一点非常重要。本章的关键是要分析可以采用哪些技术来确保平台和技术的安全，这些平台和技术也是软件定义数据中心生态系统的组成部分。

第7章将介绍云服务管理。世界各地的企业现在都在朝着同一种模式发展，即使用内部服务和基于云服务的组合来管理其基础设施和应用程序组件。这就带来了一种新模式的发展，称为混合型IT。本章提出了一种架构，企业可以用这种架构来管理其混合型IT基础结构组件。本章还将讨论在设计这类框架时需要注意的一些关键特性。此外，本章还介绍了云管理平台（CMP）的各个方面，以及市场上出现的一些领先的云管理平台。

第8章将详细介绍多云环境，以及如何通过自动化工具对其进行管理。在了解多云策略和项目战略重要性的基础上，世界各地的企业都加入了研究多云的行列，然而，多云管理是一件棘手的事情。本章介绍的一些云管理平台是目前最佳的多云管理和维护解决方案。本章还提供了很多有用的技术细节，值得读者去研读。

第9章将介绍在不断发展的云环境中，各类新型软件产品的情况。云生态系统不断扩展，从而提供了各种各样的服务。云服务和资源提供商正在以个性化方式利用各种技术和工具。云服务注册和存储数据库正在稳步增长。服务费用也发生了巨大的变化。对于云消费者、客户、顾客和顾问来说，从云和通信服务提供商那里及时、动态地收集并整理各种信息，以及其他决策支持及增值服务细节，如服务质量、合规性、成本等，并使其可视化，是一项复杂而耗时的工作。因此，云代理应运而生，这是一种高度智能和复杂的软件解决方案，也是一种提供云代理服务的组织机构，可以帮助云用户简化云访问、使用及其组合工作。

第10章将阐述云业务流程的最新进展和成果，这是用传统方法和工具难以攻克的难题。我们需要最先进的解决方案和平台，使大部分云运营实现自动化。本章将阐述云和容器编排的重要性，其目的是使端到端应用程序的集成、测试、基础设施支持、软件部署、配置和交付实现自动化。

Pethuru Raj

Anupama Raman

印度，班加罗尔