云计算原理与实践 课后答案

第1章概述

课内复习

1.云计算的定义是什么？

云计算是种冲算模式，在这种模式下，动态可扩展而且通常是虚拟化的资源通过互联网以服务的形式提供山来。P5

2.云计算的公共特征有哪几个？

弹性伸缩、快速部署、资源抽象、按用量收费、宽带访问P14

3.云计算按照部署方式和服务类型分别分成哪几类？

部署方式分类：公共云、私有云、社区云、混合云、行业云、其他类型云P15

服务类型分类：基础设施即服务(laaS)平台即服务(PaaS)软件即服务(SaaS)

4.如何从三元认识论的角度理解云计算？

云计算即是一种商业模式，也是一种计算范式，还是一种实现方式。P21

5.云计算作为一种计算范式可以分成哪两种结构？

横向云体逻辑结构：云运行时环境+云应用

纵向云体逻辑结构：P23图

6.开源软件、自由软件和免费软件的区别于联系是什么？

P25下方

课外思考

1.计算系统是如何演变成今天的云计算的？P5

2.如何理解“开源是种方法论”？P29下方

3.开源技术是如何促进云计算发展的？

降低注入门槛

大部分组织机构采用云技术是为了优化他们的IT投资，从而提高现有的服务或者支持新的业务模式。在这种情况下，

开源降低了新加入的组织机构建设私有云计算的门槛。许多组织机构已经采用OpenNebula来打造私有云计算，当中

一些只是连接数十台主机的小型云服务，一些则是由几个数据中心所连起来的大型基础设备。对于大多数这种组织

机构来说，为使用商用软件而支付授权许Z费用是不怎么靠谱的，他们要么就选择开源云技术，要么就什么都不用。

促进云服务的定制

许多组织机构在开源帮助下可以根据客户实际需要而对云服务进行定制，这也就是说这些机构组织可以根据用户需

求打造具有差异化的云服务。两个应用于公共部门的著名例子就是荷兰超级计算中心的SARA和它的云设施HPC,另

一个就是美国费米实验室的基础云设施FermiCloudo托管公司和电信公司使用开源代码来向特定的市场和地区用户

提供新的云服务模式。那些使用OpenNebula的解决方案中，AlterWay的H20Cloud和中国移动的BigCloud就是很

好的例子。

开源云服务衍生更多的云服务

开源一样鼓励、支持并推动了云服务产品的创新。我们看到了很多信息通讯技术人员如何以更低的成本打造云服务

的案例。CloudWeavers公司的一键式云解决方案和HederaTech的云管理软件都是很好的例子。我们还可以算上先前

提及的开源技术整合者，通过开源云服务他们可以根据自身需求进行创新和定制。

用户-供应商协作催生更好的云技术

技术供应商和用户的协作是开源领域的一个巨大优势。作为欧盟旗舰级云计算项目的衍生技术产品，OpenNebula和

那些由欧盟所投资的云计算基础设施和项目保持着紧密合作，从而为最先进的云计算部署提供独特的功能。我们正

在从事那些建设泛欧多重云基础设施的项目，比如说BonFIRE、EGLHelixNebula.整个行业、标准机构和研究人员

正在联手打造一个开放的云技术生态，这也是欧洲的云计算战略目标之一。

和用户直接接触是实现创新的唯一方法。在开源项目里面，项目的计划路线图实际上是由用户需求所引导的。这也

就是说，具体是功能是用来满足终端用户的真正需求，而不是针对供应商而言的。

第2章分布式计算

课内复习

1.分布式计算的定义和特征是什么？P41

2.什么是ACID原则？P42下方

3.什么是CAP理论？P43下方

4.什么是BASE理论？P46

5.如何理解最终一致性？P46下方

6.分布式存储与分布式计算的区别于联系是什么？

P50最后一段，分布式系统和分布式储存

P56分布式计算

课外思考

1.在我们的日常生活当中，为什么我们所接触到的分布式系统越来越多了？

1.增大系统容量。我们的业务量越来越大，而要能应对越来越大的业务量，一台机器的性能已经无法满足了，我们需要

多台机器才能应对大规模的应用场景。所以，我们需要垂直或是水平拆分业务系统，让其变成一个分布式的架构。

2.加强系统可用。我们的业务越来越关键，需要提高整个系统架构的可用性，这就意味着架构中不能存在单点故障。这

样，整个系统不会因为一台机器出故障而导致整体不可用。所以，需要通过分布式架构来冗余系统以消除单点故障，从

而提高系统的可用性。

3.因为模块化，所以系统模块重用度更高

4.因为软件服务模块被拆分，开发和发布速度可以并行而变得更快

5.系统扩展性更高

6.团队协作流程也会得到改善

分布式计算优点：

⑴资源共享。若干不同的节点通过通信网络彼此互联，一个节点上的用户可以使用其他节点上的资源，如分布式系统

允许设备共享，使众多用户共享昂贵的外部设备，如彩色打印机：允许数据共享，使众多用户访问共用的数据库：可以

共享远程文件，使用远程特有的硬件设备(如高速阵列处理器)，以及执行其他操作。

(2)加快计算速度。如果一个特定的计算任务可以划分为若干个并行运行的子任务，则可把这些子任务分散到不同的节

点上，使它们同时在这些节点上运行，从而加快计算速度。另外，分布式系统具有计算迁移功能，如果某个节点上的负

载太重，则可把其中一些作业移到其他节点去执行，从而减轻该节点的负载。这种作业迁移称为负载平衡。

(3)可靠性高。分布式系统具有高可靠性。如果其中某个节点失效了，则其余的节点可以继续操作，整个系统不会因为

一个或少数几个节点的故障而全体崩溃。因此，分布式系统有很好的容错性能。

系统必须能够检测节点的故障，采取适当的手段，使它从故障中恢复过来.系统确定故障所在的节点后，就不再利用

它来提供服务，直至其恢复正常工作。如果失效节点的功能可由其他节点完成，则系统必须保证功能转移的正确实施。

当失效节点被恢复或者修复时，系统必须把它平滑地集成到系统中。

(4)通信方便、快捷。分布式系统中各个节点通过一个通信网络互联在一起。通信网络由通信线路、调制解调器和通信

处理器等组成，不同节点的用户可以方便地交换信息。在低层，系统之间利用传递消息的方式进行通信，这类似于单CPU

系统中的消息机制。单CPU系统中所有高层的消息传递功能都可以在分布式系统中实现，如文件传递、登录、邮件、Web

浏览和远程过程调用(RemoteProcedurecall,RPC)。

2.CAP定理中的几个关键因素为什么不能同时保证？不同的组合有什么样的应用场景？

为什么：P45上方

场景：P45下方如果不能分区，就不是分布式系统了

3.通过了解区块链的背景，说说你所理解的区块链做为一种分布式系统背后的全新理念。

分布式数据库各节点之间的关系是：信任，协作。

区块链各节点之间的关系是：怀疑，制约。

分布式数据库是在互联网背景下应对大数据量和分布式请求的需求下产生的，其在中心化控制下假设每个节点都诚实，

从而由多节点共同维护一个具有逻辑整体性的分布式数据库。其主要解决的是节点宕机或节点间通信不可靠的问题

区块链曰多个节点共同维护一个分布式账本，没有中心化控制机构。区块链假设任何一个单点均不可靠但系统内诚实

节点占大多数，由此搭建起了一个无需信任的信任体系。其主要解决的是节点本身不可靠的问题。

区块链应该属于分布式数据库的一种，它以牺牲一致性为代价把CAP定理中的Availability(可用性)和Partitiontolerance

(分区容错性)落实到了极致。当然，虽然区块链读取速度很快，但是其写入速度一直有严重瓶颈，如何在多方需求间

找到均衡点，应该就是区块链创业者的使命了

第3章云计算构架

课内复习

1.云计算中的工作负载有哪几种模式？它们的特征是什么？

模式：时开时停模式、用量迅速增长模式、瞬时暴涨模式、周期性增减模式

特征P78

2.如何避免云计算资源“超配”带来的问题？P80IT租赁

3.如何理解“云栈”和“云体”的概念？P86

4.什么是软件定义的数据中心？它的特点是上么？

定义：VMware对其描述为：“一个统一的数据中心平台，提供了前所未有的自动化、灵活性和效率，并转变IT交付的

方式。汇集和汇总计算、存储、网络、安全性等可用性服务，并交付软件，通过智能化的策略驱动的软件进行管理

服务器在虚拟化应用的基础上，SDDC能够虚拟网络和存储资源，使抽象的数据中心的基础设施可以通过应用程序

和软件进行访问。SDDC的目标是使数据中心运营的许多方面受益：更有效地利用资源：更加容易配置和重新配置；以及

更快地部署新的应用程序。等等。

特点：

标准化-跨多个标准X86硬件池交付的同构基础架构可消除不必要的复杂性。

全面-针对整个数据中心结构优化的统一平台，可灵活支持任何乃至所有工作负载.

自适应-可根据不断变化的应用需求动态配置和重新配置的自编程基础架构，从而实现最大的吞吐量、敏捷性和

效率。

自动化-采用内置智能机制的管理框架，用于消除复杂而易出问题的管理脚本，能够以更少的手动工作实现云级运

营并节省大量成本。

恢复能力强-基于软件的体系结构可以弥补硬件故障，并以最低的成本提供前所未有的恢复能力。

课外思考

1.云计算的架构是如何演化的？P81

2.如何理解“软件定义一切”的说法？P94

软件定义从最早的软件定义无线电，到软件定义网络、数据中心、信息系统、世界。也就是说，软件可以定义一切。

为什么现在才提出软件定义一切呢？因为两个最为重要的条件近年来才基本具备。

第一个条件是硬件越来越小，功耗越来越低，散热越来越少，可靠性越来越高，加工工艺越来越成熟，成本越来越低，

可以比前些年更加圆满地完成软件发出的指令。

第二个芸件是通信网络已经完全打破r时空的限制，随时随地存在，而且带宽越来越高，可靠性越来越高，建设和运

营成本越米越低。这当然也得益于软件，因为软件定义了频率，定义了传输交换。于是，软件不但可以指挥本地硬件实

现各种功能，还可以通过通信网络指挥远处的信息系统协同实现各种功能。正是在硬件和网络的大力支持下，软件才进

入了定义一切的时代。

人作为高级动物，可以主动地移动，这是与植物和非物质的主要区别。人际交往是人类的基本社会需求。随着软件定

义逐渐普及、完善，信息系统会更好地为人的移动交际提供服务，更好地满足人的本能和需求。尽管在硬件和通信支持

下，软件好像已经无所不能，但软件定义的世界才刚刚开始。人类社会还有很多尚未发现的真理、未曾发明的技术、有

待掌握的知识技能。

第4章虚拟化技术

课内复习

1.什么是虚拟化技术？以及该技术有哪三种类型？

虚拟化是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现

出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的新虚拟部

分是不受现有资源的架设方式，地域或物理组态所限制。一般所指的虚拟化资源包括计算能力和资料存储。P106

2.全虚拟化技术和半虚拟化技术的区别是什么？P109上方

3.硬件虚拟化技术有哪些代表？P113

4.什么是轻量级虚拟化技术？其代表是什么？定义P124上代表：P123

课外思考

1.虚拟化技术对计算资源的利用率究竟带来了怎样的好处？

提高服务器利用率.、虚拟机资源调整、内存复用

1、现在一些公司都使用桌面虚拟化，也就是说，买一个大的服务器，在服务器上虚拟多个PC,每个员工可以占用其

中一个。这实际上要比为每个人配置一个PC的成本要低得多

2、假设一个小公司既需要windows域服务器，又需要linux的网页服务器，用虚拟技术，一台机器搞定，而且可以根

据两个服务器的实际负载分配il•算资源.没有虚拟技术的话，至少用两个物理机器，还不能实现前面提到的灵活的

资源分配。

2.轻量级虚拟化技术相对于传统虚拟化技术的优势和不足是什么？

优势：

对比传统虚拟机总结

特性容器虚拟机

启动秒级分钟级

硬盘使用一般MB一般GB

性能接近原生弱于

系统支持・单机支持上千个容器一般几十个

缺点；

复杂性增加：随着容器及应用数量的增加，同时也伴随着复杂性的增加。在生产环境中管理如此之多的容器是一个极

具挑战性的任务，可以使用Kubernetes和Mesos等工具管理具有一定规模数量的容器。

原生Linux支持：大多数容器技术，比如Docker,基于Linux容器（LXC）,相比于在原生Linux中运行容器，在Microsoft

环境中运行容器略显笨拙，并且日常使用也会带来复杂性。

不成熟：容器技术在市场上是相对新的技术，需要时间来适应市场。开发者中的可用资源是有限的，如果某个开发者

陷入某个问题，可能需要花些时间才能解决问题。

3.容器的轻量级虚拟技术还能进一步的轻量化吗？有些什么样的方式？

专门为这个应用做一个操作系统内核，这个内核只提供能运行这个服务的最基本功能，除了能跑这个应用别的什么都

干不了。应用和内核也是link在一起的，你甚至不好说是给这个应用定制了一个内核，还是定制了一个内核具有一定应

用功能。

为每个M用编译一个梢简化的Linux内核，这样就不需要做应用改造了。

第5章分布式存储

课内复习

1.分布式存储的定义是什么？

分布式存储系统是将为数众多的普通计算机或者服务器通过网络进行连接，同时对外提供一个整体的存储服务。

2.分布式存储有哪几种类型？P132

3.SAN和NAS的区别是什么？P134下方

4.比较不同文件系统的特点。P139表

课外思考

1.是否存在一种文件系统能够应对所有类型的文件存储？为什么？

不存在，因为数据类型的多样性，不同的分布式存储系统适处理不同类型的数据。P132

2.Paxos的原理和机制是什么？

Paxos算法是基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法，是目前公认的解决分布式一致性问题最有效的算法之一。

一、两个操作：ProposalValue：提议的值：ProposalNumber：提议编号，可理解为提议版本号，要求不能冲突：

二、三个角色：Proposer：提议发起者。Proposer可以有多个，Proposer提出议案（value）。所谓value,可以是任何

操作，比如”设置某个变最的值为value”.不同的Proposer可以提出不同的value,例如某个Proposer提议”将变量X

设置为1”,另一个Proposer提议”将变量X设置为2”,但对同一轮Paxos过程，最多只有一个value被批准。Acceptor：

提议接受者；Acceptor有N个，Proposer提出的value必须获得超过半数（N/2+1）的Acceptor批准后才能通过°Acceptor

之间完全对等独立。Learner：提议学习者。上面提到只要超过半数accpetor通过即可获得通过，那么learner角色的目的

就是把通过的确定性取值同步给其他未确定的Acceptor。

三、协议过程•句话说明是：proposer将发起提案（value）给所有accpetor,超过半数accpetor获得批准后，proposer

将提案写入accpetor内，最终所有accpetor获得一致性的确定性取值，且后续不允许再修改。协议分为两大阶段，每个

阶段又分为A/B两小步骤：准备阶段（占坑阶段）第一阶段A：Proposer■选择一个提议编号n,向所有的Acceptor广播

Prepare（n）请求。第一阶段B：Acceptor接收到Prepare（n）请求，若提议编号n比之前接收的Prepare请求都要大，

则承诺将不会接收提议编号比n小的提议，并且带上之前Accept的提议中编号小于n的最大的提议，否则不予理会。接

受阶段（提交阶段）第二阶段A：整个协议最为关键的点：Proposer得到了Acceptor响应如果未超过半数accpetor响应，

直接转为提议失败：如果超过多数Acceptor的承诺，又分为不同情况：如果所有Accepts都未接收过值（都为null）,那

么向所有的Acceptor发起自己的值和提议编号n,记住，一定是所有Acceptor都没接受过值；如果有部分Acceptor接收

过值，那么从所有接受过的值中选择对应的提议编号最大的作为提议的值，提议编号仍然为n。但此时Proposer就不能

提议自己的值，只能信任Acceptor通过的值，维护一但获得确定性取值就不能更改原则；第二阶段B：Acceptor接收到提

议后，如果该提议版本号不等于自身保存记录的版本号（第一阶段记录的），不接受该请求，相等则写入本地。

第6章云计算网络

课内复习

1.什么是覆盖网络？P153

2.VXLAN协议是什么？P154

3.什么事大二层网络？P154下方

4.Clos网络结构是什么样的？

CLOS网络设计有三个stage：ingress、middle、egressP156

：

Figure13-Mtageclo«network.注后带路党

5.软件定义网络（SDN）的概念是什么？

是网络虚拟化的一种实现方式.其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流

量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

6.什么是控制平面和数据平面？

控制平面用于控制和管理所有网络协议的运行，通过网络协议提供给路由器/交换机对整个网络环境中网络设备、连接

链路和交互协议的准确了解，并在网络状况发生改变时做出及时的调整以维护网络的正常运行。控制平面提供了数据平

面数据处理转发前所必须的各种网络信息和转发查询表项。

网络设备的基本任务是处理和转发不同端口上各种类型的数据，对于数据处理过程中各种具体的处理转发过程,

都属于数据转发平面的任务范畴。P163

7.什么是网络功能虚拟化（NFV）?P167上方

一种对7网络架构的概念，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，分别以软件方式实作，

不再拘限于硬件架构。网络功能虚拟化的核心是虚拟网络功能。它提供只能在硬件中找到的网络功能，包括很多应用，

比如路由、CPE、移动核心、IMS、CDN、饰品、安全性、策略等等。

课外思考

1.SDN相对于传统网络有些什么优势？

1、SDN可以改变传统网络下应用与网络紧耦合的烟囱式架构，提升网络资源池化的水平。

2、SDN网络与云平台对接，实现自动化部署配置，支持业务快速上线和灵活拓展

3、通过软件代替手工编排，实现网络服务自动化。

SDN是将网络由硬变软，提升网络的集中控制能力，增强网络对虚拟化、云计算等新技术的适应性和支持度，最终提

升网络对业务的服务、支撑能力

2.如果SDN是下一代网络技术，为什么直到到现在，SDN还没能替代传统网络？

安全问题，如果没有部署适当的安全措施，网络可能遭到恶意攻击或者意外更改，这两者都会让网络崩溃。

SDN不是一场重大网络技术革命。网络技术包括命名、编址和路由三大方面，SDN只是改变了TCP/IP的路由计算机制，

从分布式计算“螺旋式上升”成了集中式，是一场网络技术的局部革命。分布还是集中，只是选择，没有绝对好坏。SDN

的北向接口。1/PaaS需要更好地弹性调度资源，应该借助SDN。面向1/PaaS的SDN北向接口是必须的，但直接面向应用

的SDN北向接口则破坏了网络设计的基本原则，是有很大疑问的。再补一刀，从智能网、NGN、IMS到IPTV,网络北向

接口从来就没有真正成功过，SDN会是一个特例吗？SDN与NFV殊途同归。SDN是从传统计算机业出发，希望为IP路由

引入电信行业传统的做法：转发与控制分离，路由控制从分布走向集中。NFV是从传统电信业出发，希望为IP路由引入

传统IT的做法：软件与硬件分离，通用硬件平台。与SDN相比，NFV更像是•种实现技术。二者起点不同，友谊的小船

将殊途同归。SDN是CDN两种“网SDN的N是连接网络，CDN的N是分发网络。SDN改造的是IP的路由机制，CDN

补充的是TCP/IP架构固有缺陷。SDN是IP层的组成部分，而CDN是重叠在IP层之上的。软件定义的CDN是一种趋势，

在看得见的未来，二者友谊的小船不会翻。SDK带来的弹性优势要看性价比。云计算数据中心对弹性的要求非常高，但

运营商的厂域网和企业网为什么也需要这么高的网络资源弹性，或者为什么需要网络（而不是比如应用自身）去解决这一问

题？在摩尔定律仍然可以源源不断提供廉价资源的今天，任何试图节约网络资源的努力都会是艰难的。

SDN和MPLS对IP改变的程度相仿，就像VLAN对以太网技术的改变那样。SDN本是一艘小船，但正被打扮成一般巡洋

舰。SDN与其它技术的友谊小船，也不是说翻就会翻的。

3.ONOS和Opendaylight这样的开源项目是如何推动SDN技术的？

众所周知，SDN意在打破传统网络设备厂商的“垄断”，实现网络控制面与数据面的解耦。该技术满足企业网络更加

灵活和智能的转型需求，因此得到飞速发展,但是，很多电信运营商对于SDN升级持有避慎态度。由于运营商的存量网

络设备复杂且规模巨大，同时电信级业务可靠性要求高，因此大部分运营商对于现存网络向SDN演进中的平滑性和代价

心存疑虑。ONOS/ODL能满足敏捷、高效的网络需求，并大大减少运营商的资本和运营开支，因此推动SDN的发展。

第7章云计算安全

课内复习

1.云计算的安全技术框架包含哪些内容？

云计算安全服务体系（内容在P185）、云计算安全标准及其测评体系P18，

2.虚拟化软件栈面临哪些安全威胁？P188下方

3.虚拟化软件栈有哪些防御措施？P191

4.安全云存储系统有哪些关键技术？P195下方

课外思考

1.云数据的安全与隐私问题是否会阻止云计算的发展？

2.怎样在云计算的便捷性和云计算的安全问题上进行取舍？

第3率云原生应用

课内复习

1.什么是云原生？

2.云原生包括哪几个方面的内容？

3.什么是持续集成与持续交付？

4.云原生的12要素是什么？

课外思考

1.相对于传统云应用，云原生应用的优势是上么？

2.Docker和Kubernetes技术为什么成为了云原生落地的最佳实践之一？

第9章云OS

课内复习

1.云操作系统的定义是什么？P244中间

2.云操作系统有哪些功能？P244中间+P247中间

3.什么是资源调度？P252上方

4.云资源调度的策略和算法分类是什么？P254图

课外思考

1.怎么理解”操作系统体现了'软件定义的系统'技术的集大成”？

对任何一个普通的计算机用户，我们看到的操作系统实际上给了你一台软件定义的计算机。从我作为一个软件研究

者的视角，操作系统的很多原理已经体现到了我们软件定义的集大成。主要的两大功能是项下通过硬件资源的虚拟

化管理各种各样的资源，向上通过管理功能的可编程提供各种公共的服务。因此，软件定义的本质就是把一体化硬

件基础设施变成部件化，通过管控软件对虚拟的部件实现的按需管理、按需使用，进而可以实现整体系统功能的灵

活定制和灵活扩展.

2.类UNIX操作系统为什么能够发展成为今天这样占据云端服务器操作系统的主导地位？

P239P243

3.云端编程的挑战和未来是什么？

P249

第10章云软件

课内复习

1.云件的概念是什么？P265第一段

2.云件形态的特征主要有哪些？P269下方

3.云件和Web