云计算架构终极指南：灵活性、设计与成本节约

与传统硬件架构相比，云计算架构提供了更大的灵活性、设计选择和成本节约机会。但这些优势伴随着代价：云平台通常比普通本地物理基础设施更复杂、组件更多。

本文是云计算架构入门，介绍云环境中运行的各组件。继续阅读，了解不同系统如何协同工作以创建功能完备的云，并为最终用户提供按需 IT 资源（服务器、应用、数据库、网络等）。

云计算架构解析

云计算架构是指当集成在一起时，能创建出一种 IT 基础设施的系统与技术组合，该基础设施跨网络抽象、池化并共享按需资源。每个云架构包含两大核心组件：

• 前端（最终用户可见元素，如 Web 应用、浏览器、移动设备、用户界面等）
• 后端（系统的“云”部分，包含数据存储、专用服务器、操作系统、安全措施等）

云计算架构还需要网络使前后端通信。两组件通常通过互联网共享数据，除非架构师倾向于使用私有网络（这是私有云和混合云架构的首选）。

无论网络类型，前后端间的通信层必须具备：

• 高带宽
• 无延迟
• 高可用性
• 顶级网络安全

在设计核心层面，云计算架构融合了：

• 事件驱动架构 (EDA)：一种软件设计，解耦服务生成、检测并响应系统事件
• 面向服务架构 (SOA)：一组组件通过通信协议向其他元素提供服务的系统

企业部署云计算架构的理由众多，尽管这些系统比本地部署更复杂。主要理由包括：

• 更快的上市时间
• 更快的资源配置
• 实时弹性伸缩（向上和向下）
• 能使用云原生解决方案（如 Kubernetes）
• 因数据可见性更好而合规更可靠
• 成本节约（无需本地硬件，且对资源使用有严格控制）

云计算架构的前端

前端在架构中充当客户端角色，可通过互联网或私有网络与后端通信。前端组件对最终用户可见，并实现对云平台的访问。

前端两大核心要素：

• 客户端用于访问和交互云平台的应用或软件（通常为 Web 浏览器或原生应用）。应用或浏览器拥有专用 UI，部分云架构师视其为独立的前端组件
• 用户连接并交互浏览器或应用的客户端设备（手机、平板、PC、笔记本等）

前端元素负责：

• 使用户能与云交互
• 通过中间件向后端发送查询
• 向后端请求服务
• 展示所有云相关信息（资源利用率、安全顾虑、监控告警、使用模式等）

云端处理的计算量超过了客户端设备，这是云计算的另一显著优势，对远程优先团队和实施 BYOD 政策的公司尤为有用。

云计算架构的后端

在云计算架构中，后端指云本身。该组件包含各种系统、服务器和存储单元，承担多项关键角色：

• 运行云相关程序和应用
• 赋予前端功能，响应用户发送的任何查询
• 部署和扩展资源
• 监控所有操作和活动
• 保障云数据和流程安全
• 连接所有服务和应用
• 运行流量控制机制
• 管理云协议

云提供商管理后端组件。但也有公司选择自建和维护云，此时内部团队负责后端运营。公司也可在内部团队和提供商团队间分担后端任务（高合规企业如需符合 HIPAA 或 PCI 常采用此模式）。

前端仅是带连接的 UI，而后端赋予了云核心特性：

• 用户无需服务提供商协助即可配置的按需资源
• 客户端无论位置如何均可连接的能力
• 资源池化，使提供商能池化资源并在动态多租户环境中服务多用户
• 快速弹性，迅速响应消费者需求
• 可度量服务，允许最终用户详细监控云使用情况

后端组件更多、规模显著大于前端。以下详细介绍云计算架构中可能存在的每个后端组件。

应用层

当最终用户与前端交互时，后端的应用层接收查询并处理客户端请求。该层有几个关键角色：

• 为用户提供云服务访问
• 连接前后端
• 响应前端查询
• 协调消费者需求与后端资源

服务层

服务层为云计算架构的后端增加实用性。该组件通过数据存储、应用开发环境、Web 服务等服务处理每项任务和请求。

服务可在云运行时执行多种任务和功能。客户端可用的服务类型取决于交付模型。主要有三种云交付方式：

• 基础设施即服务 (IaaS)：提供对云计算架构资源（数据存储、服务器、网络基础设施、虚拟机等）的访问和控制
• 软件即服务 (SaaS)：使客户能在云端托管应用软件。SaaS 模式下，提供商处理所有升级和开发，供应商维护底层基础设施
• 平台即服务 (PaaS)：为用户提供按需软件开发平台。提供商托管完整技术栈和工具集，但用户负责软件开发、应用管理和更新

交付模型非云部署模型（如混合、社区或多云）。交付模型决定用户可访问的服务类型，部署模型定义云的类型。

中间件

中间件指使网络设备和应用能通信的软件组件。该组件负责以下间的连接：

• 应用
• 服务
• 运行时云
• 存储单元
• 基础设施设备
• 安全解决方案
• 前端

如同传统数据中心，中间件依赖数据库和通信应用建立不同系统间的协调。

云存储

存储是保存所有云数据的后端部分。云存储的类型和容量因云提供商和客户需求而异。这项云计算服务使用户能将数据存储在云端而非本地存储，这既更安全也更便捷。

云基础设施

虽然最终用户从未看到或交互云基础设施，但云也需要硬件。云基础设施包含标准数据中心服务器室的所有特性，包括：

• 服务器
• 中央处理器 (CPU)
• 图形处理器 (GPU)
• 主板
• 存储单元（硬盘和 SSD）
• 带路由器和交换机的网络设备
• 网络和加速卡
• 制冷和电力基础设施

基础设施层还包括运行和管理所有硬件所需的软件。

Hypervisor（虚拟机监视器）

Hypervisor 是创建和运行虚拟机的软件。它分配单台设备的资源（CPU、内存、存储等），使多个拥有独立操作系统的虚拟机可在同一设备上运行。

Hypervisor 提供的虚拟化提高了多租户云中服务器、存储和网络的效率。但若宿主设备虚拟机过多，该组件可能影响整体性能。

管理软件

云计算架构的管理软件确保所有操作和程序平稳高效运行。这些系统执行的任务包括：

• 安全和合规审计
• 性能和容量监控
• 使用情况跟踪
• 新应用部署
• 数据集成
• 灾难恢复管理

管理软件也包含自动化程序和工具。自动化是云的核心价值和主要卖点之一。在云计算架构中，自动化工具有三大关键任务：

• 根据使用或流量需求扩缩容
• 确保云环境治理
• 按预定义阈值或云策略指令响应事件

安全层

安全层是云架构的关键方面。因大多数提供商级云是高风险多租户环境，供应商通常依赖多种技术确保云计算安全，如：

• 不可变的定期数据备份
• 数据加密（静态、传输中、使用中）
• 高端调试工具
• 虚拟防火墙（针对整个架构和租户间）
• 零信任安全原则
• 多因素认证和强密码
• 入侵检测系统 (IDS)
• 反恶意软件和病毒软件
• 勒索软件防护

云计算架构最佳实践

构建高效云计算架构没有单一标准，但有几条准则适用于所有设计。设计新架构或调整现有架构时应考虑以下最佳实践：

• 采取安全优先方法：架构设计时，安全或 SecOps 团队应从一开始就将防护嵌入设计。初始安全体系越健全，环境扩展时面临的数据泄露和违规风险越少
• 规划使用峰值：尝试预测并理解架构在常规和峰值工作负载下的表现。确保架构在任何场景下表现良好，并准备最佳扩展机制
• 网络安全零侥幸：除了从一开始就规划安全，还应用所有可用网络安全措施保护架构。寻找提供数据加密、定期补丁管理、端点防护、云灾难恢复和强健策略的提供商
• 建立持续监控：使用 Nagios 等工具持续监控环境的性能和使用问题，能创建有洞察力的模式以优化架构
• 优化并削减成本：利用自动化流程和利用率跟踪消除不必要开支，确保不在资源上超支

准备好告别本地硬件了吗？

云计算架构的概念对许多管理者和团队仍模糊不清。向非技术员工提供本文将有助于揭开云的神秘面纱，让您的业务更进一步地迈向云迁移。