自2006年肇始，云計(jì)算發(fā)展至今已逾10年，在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都取得了巨大進(jìn)展，成為推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的主要信息基礎(chǔ)設(shè)施。隨著互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算越來(lái)越呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、泛在化和智能化趨勢(shì)，人類社會(huì)、信息系統(tǒng)和物理世界正逐漸走向“人-機(jī)-物”三元融合，這需要新型計(jì)算模式和計(jì)算平臺(tái)的支撐，而云計(jì)算無(wú)疑將成為其中代表性的新型計(jì)算平臺(tái)。

未來(lái)云計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)可以用5個(gè)字概括：“三化一提升”，其中“三化”是指應(yīng)用領(lǐng)域化、資源泛在化和系統(tǒng)平臺(tái)化，而“一提升”則指服務(wù)質(zhì)量的提升。隨著互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多，我們正進(jìn)入一個(gè)“人-機(jī)-物”融合、萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，如何將各種網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效管理，如何應(yīng)對(duì)各種各樣的應(yīng)用需求，從而使得應(yīng)用支撐和資源之間能夠更好地溝通，是未來(lái)云計(jì)算技術(shù)需要著重解決的問(wèn)題。

應(yīng)用領(lǐng)域化

應(yīng)用領(lǐng)域化是指面向各個(gè)領(lǐng)域、各種應(yīng)用需求的領(lǐng)域云和行業(yè)云等將會(huì)不斷出現(xiàn)，例如支持電力的云、醫(yī)療的云和交通的云等等。隨著云計(jì)算底層支撐技術(shù)的日益成熟，云計(jì)算的關(guān)注重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到對(duì)上層應(yīng)用的支撐。面向特定領(lǐng)域需求，提供支撐應(yīng)用開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的API、解決方案及其一體化環(huán)境，以支撐更多云應(yīng)用，是云計(jì)算發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)?？梢灶A(yù)期，領(lǐng)域云和行業(yè)云等專用云平臺(tái)將具有廣闊的空間。

應(yīng)用領(lǐng)域化的一個(gè)重要技術(shù)是具備云感知能力的軟件服務(wù)。早期的信息系統(tǒng)是緊耦合一體化的，應(yīng)用自我建設(shè)、自我包含，業(yè)務(wù)處理功能難以分割;軟件即服務(wù)(SaaS)概念的提出催生了SOA體系，用于實(shí)現(xiàn)松耦合的分布式應(yīng)用，應(yīng)用建設(shè)依賴于互聯(lián)網(wǎng)上的“粗粒度”服務(wù)，業(yè)務(wù)處理功能分散存在于互聯(lián)網(wǎng)上;而云計(jì)算的新發(fā)展正在催生SaaS 2.0，各種服務(wù)應(yīng)用充分利用云提供的API，基于云所提供的服務(wù)或者微服務(wù)進(jìn)行構(gòu)建，服務(wù)應(yīng)用運(yùn)行在云中，同時(shí)感知云環(huán)境中各種資源的變化，提供優(yōu)化的服務(wù)質(zhì)量。

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資源泛在化

未來(lái)“人-機(jī)-物”融合的世界，計(jì)算資源廣泛多樣，需要充分發(fā)揮各種資源的能力。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)下，云和智能終端開(kāi)始融合(云-端融合)，未來(lái)甚至涉及物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的融合，新的云-端融合的云計(jì)算體系架構(gòu)正在形成，簡(jiǎn)單地側(cè)重使用某一端資源已經(jīng)不再適用，按需(動(dòng)態(tài)可變地)使用客戶端和服務(wù)器資源，是云計(jì)算架構(gòu)發(fā)展的又一新趨勢(shì)。

一方面，客戶端和服務(wù)端的軟件資源、硬件資源和能源可以在兩端實(shí)現(xiàn)合理分布和應(yīng)用，兩端的數(shù)據(jù)和獨(dú)特資源也可以實(shí)現(xiàn)共享;另一方面，未來(lái)的云將不僅需要支撐現(xiàn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)和平板電腦等終端，還需要支撐物聯(lián)網(wǎng)所承載的各種各樣的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在這樣一個(gè)泛在化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，面向各種海量新硬件的云資源管理將會(huì)面臨很大的挑戰(zhàn)。

越來(lái)越多的新型硬件進(jìn)入云平臺(tái)。在服務(wù)器硬件方面，包括RDMA和NVM等新型硬件設(shè)備開(kāi)始投入應(yīng)用，諸如機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等專用計(jì)算架構(gòu)不斷涌現(xiàn)，各種類腦、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等專用芯片也開(kāi)始上市……如何及時(shí)、有效地管理和利用新的硬件設(shè)備和架構(gòu)，充分發(fā)揮其效能，是云管理平臺(tái)的一項(xiàng)重要任務(wù)。在終端硬件方面，新型的傳感器設(shè)備種類繁多且數(shù)量巨大，從攝像頭到GPS定位，從監(jiān)測(cè)血壓、測(cè)量海拔高度到光陀螺儀等等，如此海量的傳感器能否在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，也是新型云平臺(tái)將面臨的挑戰(zhàn)。

在資源泛在化的背景下，云還呈現(xiàn)出多尺度和差異化的現(xiàn)象，公有云、私有云和混合云并存;既有少量規(guī)模龐大的大型云，更有大量的利用已有資源的微小云;有實(shí)體云，還有基于實(shí)體云的虛擬云和聯(lián)盟云。未來(lái)跨云計(jì)算的需求也將越來(lái)越突出，如何跨越多云為應(yīng)用提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多云之間的開(kāi)放協(xié)作和深度合作，也是資源泛在化背景下的一個(gè)重要課題。

針對(duì)多云協(xié)作的問(wèn)題，我國(guó)科學(xué)家提出了云際計(jì)算的概念，希望實(shí)現(xiàn)云服務(wù)實(shí)體之間的開(kāi)放協(xié)作和多方云資源的深度融合，從而方便用戶和開(kāi)發(fā)者定制云服務(wù)、創(chuàng)造云價(jià)值，這是下一代云計(jì)算研究的一個(gè)代表性嘗試。

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系統(tǒng)平臺(tái)化

云計(jì)算的另一個(gè)重要趨勢(shì)是系統(tǒng)平臺(tái)化，云計(jì)算支撐系統(tǒng)呈現(xiàn)從云資源管理系統(tǒng)向云操作系統(tǒng)演化的趨勢(shì)。“云操作系統(tǒng)”的概念現(xiàn)在用得比較多，但均未達(dá)到預(yù)期的操作系統(tǒng)形態(tài)和能力。什么是操作系統(tǒng)?簡(jiǎn)單而言就是向下管理資源，向上提供服務(wù)。例如單機(jī)操作系統(tǒng)，其基本由兩大功能構(gòu)成：管理資源和管理作業(yè)。目前云管理系統(tǒng)主要作用是管理云的資源，以支撐各種應(yīng)用的運(yùn)行;未來(lái)，其還要管理云上各種各樣的作業(yè)，這一理念和單機(jī)操作系統(tǒng)相似，是系統(tǒng)平臺(tái)化之路共性不斷凝練和沉淀的結(jié)果。

云管理系統(tǒng)的共性理念是什么?我們的理解是：其應(yīng)包含云操作系統(tǒng)、單機(jī)操作系統(tǒng)、各種各樣的應(yīng)用容器和中間件，以支撐各類云服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)真正意義上的云操作系統(tǒng)，需要向下管理所有云端和終端的資源，向上則對(duì)多樣化的資源應(yīng)用需求提供相應(yīng)的API服務(wù)。

云操作系統(tǒng)的發(fā)展面臨著哪些挑戰(zhàn)?在現(xiàn)階段，需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的應(yīng)用需求，將傳統(tǒng)應(yīng)用無(wú)縫云化，需要支持基于互聯(lián)網(wǎng)的多終端一體交互方式，以及云內(nèi)海量異構(gòu)資源的有效管理等;更進(jìn)一步則需要向上更好地支撐應(yīng)用，探索原生云應(yīng)用的運(yùn)行與構(gòu)造技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)新型程序設(shè)計(jì)模型和相關(guān)的編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)云作業(yè)的統(tǒng)一調(diào)度和管理機(jī)制，進(jìn)行跨云和云際資源的按需整合，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的自主協(xié)同等。

在整個(gè)云資源的管理與定制方面，軟件定義是一個(gè)重要途徑，通過(guò)軟件定義方式可以完成深度定制，以管理各種各樣的資源，包括分布式資源的高效融合、巨量資源彈性調(diào)配、極端硬件特性和移動(dòng)硬件特性的虛擬化、集約化的資源便捷共享、可定制化的系統(tǒng)軟件棧，以及終端和云端的融合協(xié)作等，為從微型虛擬機(jī)、小型虛擬機(jī)到滿足更大需要的巨型虛擬機(jī)提供寬譜系的管理支撐。

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服務(wù)質(zhì)量的提升

服務(wù)質(zhì)量的提升可以用3個(gè)詞概括——更高、更快、更強(qiáng)壯。其中，“高”意味著支持高吞吐，這需要聚合大規(guī)模資源、提供海量數(shù)據(jù)的處理能力，以及實(shí)現(xiàn)高吞吐并發(fā)訪問(wèn)。支持高吞吐是很多云應(yīng)用的需求，例如阿里巴巴每年“雙十一”的巨量交易、12306網(wǎng)站高峰時(shí)的巨量訪問(wèn)，以及其它各種各樣面向大規(guī)模社交圈數(shù)據(jù)的跨地域分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)等，都對(duì)高吞吐具有很大的需求。

在高吞吐的前提下還要實(shí)現(xiàn)“快”響應(yīng)，也就是在提供高吞吐的同時(shí)顯著降低請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間，提升用戶體驗(yàn)與服務(wù)質(zhì)量。這方面的需求在現(xiàn)實(shí)中也有很多，據(jù)Amazon統(tǒng)計(jì)，每降低100毫秒延遲可以換來(lái)1%銷售額的提高;Akamai的研究指出：網(wǎng)頁(yè)加載延遲1秒將導(dǎo)致平均7%客戶流失、減少11%網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)量和16%客戶滿意度;增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)需要在1毫秒內(nèi)完成場(chǎng)景的構(gòu)建，等等。

基于云的大量應(yīng)用形態(tài)能否獲得成功或提供高的使用質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)快響應(yīng)就是其中的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)快響應(yīng)，云架構(gòu)和軟件棧的低延遲設(shè)計(jì)就尤為重要。云計(jì)算應(yīng)用的延遲主要包括兩個(gè)方面：一是網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的延遲，二是云中心帶來(lái)的延遲。按當(dāng)前統(tǒng)計(jì)來(lái)看，二者大約各占50%。

應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的延遲涉及到帶寬的提升，也需要數(shù)據(jù)中心合理的分布，以便用戶可以盡可能訪問(wèn)就近的數(shù)據(jù)中心;應(yīng)對(duì)云中心帶來(lái)的延遲則需要對(duì)基于分層的云計(jì)算軟件棧進(jìn)行垂直整合，當(dāng)前云軟件棧主要面對(duì)高吞吐設(shè)計(jì)，在低延遲尤其是尾部延遲方面有明顯不足，因此技術(shù)上還有很大發(fā)展空間。

更“強(qiáng)壯”則體現(xiàn)在更好的可靠和可用性保障。云計(jì)算的規(guī)模和復(fù)雜度的快速增長(zhǎng)要求更為全面的質(zhì)量保證：

• 首先，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增長(zhǎng)，規(guī)模部署成為事實(shí)，高度集成的云計(jì)算環(huán)境故障越來(lái)越多，故障帶來(lái)的損失也越來(lái)越大;
• 其次，虛擬化構(gòu)成的彈性資源池快速增長(zhǎng)且組織復(fù)雜，增加了管理的復(fù)雜度;
• ***，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)計(jì)劃采用云計(jì)算平臺(tái)，持續(xù)發(fā)展的業(yè)務(wù)種類導(dǎo)致了需求多樣性。

在這種情況下，如何實(shí)現(xiàn)高可靠和高可用的云計(jì)算系統(tǒng)成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)，當(dāng)前已有各種技術(shù)研發(fā)和嘗試，諸如采用非易失性內(nèi)存來(lái)提升內(nèi)存計(jì)算中數(shù)據(jù)的可靠性和可用性、使用分布式UPS替代傳統(tǒng)集中式UPS以保證電源供給、在系統(tǒng)級(jí)支持虛擬機(jī)/容器的狀態(tài)同步和動(dòng)態(tài)遷移，以及在應(yīng)用層次上的數(shù)據(jù)并行計(jì)算和圖并行計(jì)算系統(tǒng)和機(jī)制等。

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互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐步演化成一個(gè)全球泛在的計(jì)算平臺(tái)，其開(kāi)放、動(dòng)態(tài)和難控的特性對(duì)軟件技術(shù)提出了一系列重大挑戰(zhàn)。我國(guó)學(xué)者從軟件角度探討互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算，提出了一種互聯(lián)網(wǎng)軟件新范型——網(wǎng)構(gòu)軟件(Internetware)。近幾年，北大軟件團(tuán)隊(duì)基于網(wǎng)構(gòu)軟件模式已經(jīng)在混合云管理、數(shù)據(jù)互操作平臺(tái)和基于云的大數(shù)據(jù)處理方面開(kāi)展了一些前沿性的研究工作。