人工智能通识教程课件 项目5 人工智能算力与平台基础-云计算

人工智能算力与平台基础——云计算项目5项目导入云计算作为人工智能算力与平台基础，通过互联网实现随时随地、按需、便捷地使用和共享计算设施、存储设备、应用程序等资源。掌握云计算技术及关键应用，是夯实AI算力底座、推动新基建与数字强国建设的关键技能之一。CONTENT目录1云计算基础2云计算关键技术云计算基础任务5.1任务描述在日常生活中，我们依赖电厂和自来水厂集中提供资源。企业生产中，建立IT系统需要大量软硬件和专人维护，但企业看重的是效率和工具。个人使用电脑也需收费软件，但不常用者购买不划算。能否像用水电一样用计算机资源？这催生了云计算。云计算目标是将计算、服务和应用作为公共设施提供给公众。本任务介绍云计算概念、原理、服务交付、部署和技术架构。学习目标1.理解云计算的基本概念、工作原理。2.熟悉云计算的服务交付模式（基础设施即服务、平台即服务、软件即服务）。3.熟悉云计算的部署模式。4.了解云计算的主要应用行业和典型场景。5.了解分布式计算的原理。6.熟悉云计算的技术架构。什么是云计算云计算是一种基于互联网的计算方式，将计算资源（如服务器、存储、数据库、网络和软件）集中成资源池，按需、易扩展地提供给用户。它像一个虚拟的超级计算机中心，用户无需关心资源的位置和配置，只需通过网络连接，便能方便地使用各种服务。企业可以利用云平台的服务器部署网站和应用，而个人用户可在云存储中存储和访问数据。云计算技术是在硬件和网络技术发展后出现的新模型，通常用“云”符号表示，因此得名“云计算”。云计算的工作原理云计算的工作原理是通过网络将大型计算任务自动拆分为多个小子任务，由多台服务器进行处理，并将结果返回给用户。借助这一技术，服务提供商能在数秒内处理数千万甚至上亿条信息，提供类似于“超级计算机”的服务能力。在典型的云计算模式中，用户通过终端设备接入网络，向“云”发出请求；“云”接受请求后调配资源，通过网络为用户提供所需服务。这简化了用户终端的功能，将复杂的计算和处理过程转移至云端完成。云计算的工作原理用户所需的应用程序并不需要在个人电脑、手机等终端设备上运行，而是部署在互联网上的大规模服务器集群中。同时，用户处理的数据也不再存储在本地，而是保存在互联网的数据中心之中。提供云计算服务的企业负责这些数据中心和服务器的管理与维护，确保为用户提供足够强大的计算能力和存储空间。无论何时何地，只要用户能够连接互联网，就可以随时访问这些服务，实现灵活按需使用。云计算的特点（1）超大规模云计算由大型数据中心提供，满足各种企业需求。知名提供商有亚马逊AWS、微软Azure和谷歌云。（2）高可靠性云计算确保数据安全，通过数据冗余、备份和容错技术。服务商实时监控服务器。（3）通用性云计算支持多种应用，提供丰富资源和服务，用户可根据需求选择。云计算的特点（4）高可扩展性云计算资源可根据需求动态扩展或收缩，满足业务量变化。初创企业可轻松增加或减少服务器资源，无需担心硬件采购和部署。（5）按需服务云计算像资源超市，用户可随时购买所需资源并按使用量付费，避免大规模硬件投资和维护，降低成本。（6）极其廉价云计算通过资源共享和规模经济降低成本，提供价格低廉的服务。用户按实际使用量付费，节省IT投入，将更多资金用于核心业务发展。云计算的服务交付模式云计算的服务交付模式主要分为三大类：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。（1）基础设施即服务IaaS(InfrastructureasaService)中，云服务提供商提供虚拟化的计算资源（如服务器、存储、网络），用户可在其上部署和运行操作系统和应用。特点包括：①灵活性高：根据业务需求灵活租用资源，随时调整。②成本节约：无需购买和维护硬件，按使用量支付租赁费用。③管理简化：云提供商负责物理基础设施的管理，减轻用户负担。例：亚马逊AWS的EC2、微软Azure等。云计算的服务交付模式（2）平台即服务PaaS(PlatformasaService)提供服务器平台或开发环境服务，用户可进行应用开发、测试、部署，无需关注底层基础设施。特点包括：①开发便捷：提供丰富的开发工具和数据库，提升开发效率。②可扩展性强：根据需求自动扩展或收缩资源，确保性能。③多租户支持：多个用户共享同一平台，提高资源利用率。例：谷歌AppEngine、微软AzureAppService等。云计算的服务交付模式（3）软件即服务SaaS(SoftwareasaService)通过互联网提供软件服务，用户可直接使用，无需本地安装。特点包括：①易于使用：通过浏览器即可访问，不受时间和地点限制。②成本低：通常采用订阅制，降低了软件使用成本。③更新及时：软件提供商负责更新，用户可随时使用最新版本。例：Salesforce的CRM系统、谷歌GSuite、钉钉等。云计算的部署模式部署云计算服务的模式有三大类：公有云、私有云和混合云。（1）公有云由第三方提供商拥有和运营，面向公众，为多个客户提供服务。适用于中小企业、创业公司等。特点：①成本效益高。②可扩展性强。③便捷性。云计算的部署模式（2）私有云私有云为特定组织构建和使用的云环境，部署在企业内部或由第三方托管。适用于大企业、金融机构、政府部门等。如银行核心业务系统、政府机密数据处理。特点：①安全性高②定制化程度高③性能稳定云计算的部署模式（3）混合云结合公有云和私有云，实现资源灵活配置和管理。适用于复杂业务需求的企业。如核心业务在私有云，非关键业务在公有云。特点：①灵活性：动态分配资源，优化成本和性能。②安全合规：敏感数据在私有云，非关键在公有云。③灾难恢复：公有云备份，提高业务连续性。分布式计算（1）分布式计算的概念分布式计算是分配任务给多个计算节点协同工作的计算模式。应用于科学计算、大数据处理、人工智能、云计算等。为解决大规模计算问题提供有效方案，提高效率和资源利用率。分布式计算分布式计算具有以下几个关键特点：1）任务分解与分配将任务分解成子任务，独立处理。合理分配，高效执行。2）协同工作与通信节点间协同、通信。网络交换信息，协调进度。3）资源共享与利用利用多节点资源，动态分配。提高利用率，加速任务。4）容错性与可靠性多节点容错，提高可靠性。故障节点任务可继续或接管。分布式计算（2）分布式计算的工作流程分布式计算的工作流程主要包括以下几个方面。网格计算网格计算是一种分布式计算模式，它将地理上分布的各种计算资源，如超级计算机、存储系统、数据资源、仪器设备等通过高速网络连接起来，形成一个虚拟的超级计算机，以实现大规模的计算和数据处理任务。云计算的技术架构云计算架构大致分为四个层次，如图所示。其中，显示层、中间件层和基础设施层是横向的三层，结合这些技术可提供丰富的云计算能力和优质的用户体验；而管理层则是纵向的，专门用于优化横向三层的管理与维护。显示层HTMLJavaScriptCSSFlashSilverlight中间件层REST多租户并行处理应用服务器分布式缓存基础设施层系统虚拟化分布式存储关系型数据库NoSQL

管理层账号管理SLA监控计费管理安全管理负载均衡运维管理思考和训练1.如何理解云计算这一概念，它在现代科技中扮演了怎样的角色？2.请探讨云计算具备哪些独特的属性，使其在信息技术领域中脱颖而出。3.IaaS、PaaS、SaaS这三种服务模型有什么区别，各自适合于哪种类型的应用场景？4.请分析公有云、私有云、混合云这三种云部署模式的特点以及它们适用的情境。5.结合你的经验，讨论云计算在不同领域的实际应用及其带来的变化。6.请阐述分布式计算的基本原理及其与传统计算模式的不同之处。7.描述云计算的技术架构组成部分及其相互关系。想一想云计算关键技术任务5.2任务描述云计算改变各行各业。它是融合众多技术的复杂体系，包括虚拟化、分布式缓存、并行处理及便捷应用交付模式等，共同驱动云计算发展。学习云计算技术可了解信息技术趋势，支撑创新应用开发和数字化转型。本任务介绍云计算核心技术及平台。学习目标1.了解云计算的关键技术，如网络技术、数据中心技术、虚拟化技术、分布式存储技术、安全技术等。2.了解目前主流云服务商的业务情况。网络技术（1）网络技术的概念网络技术是指用于设计、构建、管理和维护计算机网络的一系列技术和方法。它涵盖了多个领域，包括硬件、软件、协议和管理等方面，旨在实现不同设备之间的数据通信和资源共享。网络技术（2）网络技术主要组成部分1）网络硬件①服务器和客户端：服务器提供服务和存储数据，客户端用户访问网络资源。②网络设备：路由器连接不同网络，交换机连接局域网内设备，集线器连接设备但性能低，网卡实现设备与网络连接。③传输介质：双绞线、光纤、无线信号。网络技术（2）网络技术主要组成部分2）网络软件①操作系统：提供网络功能。②网络协议软件：实现数据通信和资源共享。③网络管理软件：监控和管理设备运行状态。3）网络协议①TCP/IP协议簇：互联网基础协议。②其他协议：以太网、Wi-Fi、蓝牙等。网络技术（3）关键技术领域1）网络架构①局域网（LAN）：小范围内构建的网络，采用以太网技术，速度快、成本低。②广域网（WAN）：覆盖范围大的网络，采用多种技术实现通信。③无线网络：包括Wi-Fi等，灵活性高，适用于移动设备和无法布线的场所。网络技术（3）关键技术领域2）网络安全

①防火墙：阻止未授权访问，保护设备数据安全，按规则过滤。②IDS/IPS：检测/阻止网络攻击，如黑客、病毒等；IDS监测流量，IPS自动防御。③加密技术：保护数据机密性和完整性，包括AES、RSA等算法。网络技术（3）关键技术领域3）网络管理

①网络监控：监测网络运行状态，如流量、性能、报警等，确保稳定运行。②配置管理：管理设备配置信息，实现自动化和批量配置。③性能管理：优化网络性能，提高效率和响应速度。数据中心技术（1）数据中心技术的概念数据中心技术是指用于设计、建设、管理和维护数据中心的一系列技术和方法。数据中心是一个集中存储、处理和分发大量数据的设施，通常包含服务器、存储设备、网络设备、冷却系统、电力供应系统等。数据中心技术（2）关键技术领域1）服务器和存储技术①服务器虚拟化：将物理服务器划分为多个虚拟服务器，提高资源利用率。②SAN和NAS：提供高效的数据存储和访问。③SSD和磁盘阵列：SSD提高数据访问速度，磁盘阵列提供高容量、高可靠性存储。2）网络技术①高速以太网和光纤通道：提供高速数据传输通道。②SDN：实现网络自动化管理和优化。③数据中心网络架构：包括三层架构和叶脊架构，提供高效数据传输。数据中心技术（2）关键技术领域3）冷却和电力技术①冷却技术：数据中心需冷却技术维持设备温度，包括风冷、水冷和液冷。②电力技术：数据中心需稳定电力，常见技术有UPS、备用发电机和分布式电源。4）管理和安全技术①管理软件：用于监控管理数据中心设备，如DCIM软件可监测参数，优化运行。②安全技术：数据中心需安全技术保护数据安全，包括防火墙、IDS、IPS、加密和访问控制。虚拟化技术（1）虚拟化技术的概念虚拟化技术是一种通过软件或硬件手段，将物理资源（如计算机硬件、存储设备、网络资源等）抽象、模拟和隔离，从而创建出多个独立的、可管理的虚拟资源的技术。虚拟化技术能够创建多个平行的虚拟世界，在这些虚拟环境中，各类虚拟资源独立运行，同时高效共享底层的物理资源。其核心目标在于显著提高资源利用率、大幅度降低成本、全面增强系统的灵活性和可扩展性。这一技术助力企业和组织实现IT资源的高效管理，精准满足业务需求，为云计算、大数据、AI等前沿技术的蓬勃发展提供坚实支撑。虚拟化技术（2）虚拟化的应用模式从表现形式来看，虚拟化可分为2种主要应用模式：①将一台高性能服务器虚拟化为多个独立的小服务器，以服务不同的用户。②将多台服务器整合为一台强大的服务器，以完成特定功能。这两种模式的核心在于统一管理和动态资源分配，旨在提高资源利用率。在云计算环境中，这两种模式均得到了广泛应用。虚拟化技术（3）虚拟化技术的特点虚拟化技术具有以下几个主要特点：1）资源抽象与隔离①资源抽象：虚拟化技术抽象物理资源为逻辑资源，便于管理和分配。②隔离性：虚拟化技术确保虚拟环境间相互隔离，提高安全性和稳定性。2）资源共享与动态分配①资源共享：虚拟化技术允许多个虚拟环境共享资源，提高利用率。②动态分配：虚拟化技术根据需求动态调整资源分配。虚拟化技术（3）虚拟化技术的特点虚拟化技术具有以下几个主要特点：3）高可用性与容错性①高可用性：虚拟化技术通过多种方式提高系统可用性。②容错性：虚拟化技术提供容错能力，如检查点和快照。4）灵活性与可扩展性①灵活性：虚拟化技术实现资源的灵活配置。②可扩展性：虚拟化技术易于实现系统扩展。5）降低成本与提高效率①降低成本：虚拟化技术降低IT成本，提高资源利用率。②提高效率：虚拟化技术提高管理效率和运维效率。分布式存储技术（1）分布式存储技术的概念分布式存储技术是一种将数据分散存储在多个独立的存储设备上，并通过网络连接起来形成一个统一的存储系统的技术，如图所示。分布式存储技术（2）主要特点①分散存储：分布式系统将数据分割存储于不同节点，提高可靠性和可用性。②高可靠性：通过冗余和副本机制保证数据可靠。③高可扩展性：存储容量和性能易于扩展。④负载均衡：自动平衡数据存储和访问负载。⑤统一命名空间：提供统一的访问接口。分布式存储技术（3）关键技术①数据分割与冗余：分割数据并存储多个副本，提高数据可靠性、可用性和读写性能。②分布式文件系统：管理和存储数据，提供统一文件访问接口。常见系统有HDFS、GlusterFS、Ceph等。③数据一致性：保证数据一致性，常见模型有强一致性、弱一致性和最终一致性。④元数据管理：管理描述数据的数据，常见方式有集中式和分布式。分布式存储技术（4）应用场景①大数据存储：分布式存储技术为大数据提供高可靠、可扩展解决方案，如HDFS。②云存储：云存储服务商用分布式存储提供可靠、安全服务，用户可远程访问。③CDN：CDN用分布式存储分发内容，提高访问速度。④企业级存储：企业用分布式存储提高资源利用率、降低成本，确保数据安全。云安全技术（1）云安全技术的概念云安全技术是指用于保护云计算环境中数据、应用和基础设施安全的一系列技术和方法。随着云计算的广泛应用，云安全问题日益凸显，云安全技术也成为了保障云计算可持续发展的关键。云安全技术（1）云安全技术的概念云安全技术是指用于保护云计算环境中数据、应用和基础设施安全的一系列技术和方法。随着云计算的广泛应用，云安全问题日益凸显，云安全技术也成为了保障云计算可持续发展的关键。云安全技术（2）主要特点①多租户安全隔离：云计算采用多租户模式，云安全技术需确保租户间数据隔离，防泄露和攻击，如虚拟化隔离和访问控制。②动态弹性安全：云计算资源按需动态分配，云安全技术需适应变化，实时监测保护。③分布式安全管理：云计算由大规模分布式数据中心组成，云安全技术需采用分布式管理架构，如分布式身份认证和监控审计。④数据隐私保护：云计算中用户数据存储在云端，云安全技术需加密、访问控制和备份，确保数据安全，如加密存储和访问控制。云安全技术（3）关键技术领域1）身份认证和访问控制①身份认证：确保用户真实，防非法访问。技术有用户名/密码、数字证书、生物特征认证。②访