第二章 信息技术发展

  信息技术是在信息科学的基本原理和方法下，获取信息、处理信息、传输信息和使用信息的应用技术总称。从信息技术的发展过程来看，信息技术在传感器技术、通信技术和计算机技术的基础上，融合创新和持续发展，孕育和产生了物联网、云计算、大数据、区块链、人工智能和虚拟现实等新一代信息技术，成为支撑当今经济活动和社会生活的基石，代表着当今先进生产力的发展方向。

  从宏观上讲，信息技术与信息化、信息系统密不可分。信息技术是实现信息化的手段，是信息系统建设的基础。信息化的需求驱动信息技术高速发展，信息系统的广泛应用促进了信息技术的迭代创新。近年来，随着新一代信息技术的发展，信息及其相关的数据成为重要生产要素和战略资源、使得人们能更高效地进行资源优化配置，持续推动传统产业不断升级、社会劳动生产率的不断提升，从而带动全球信息化发展和数字化转型，新一代信息技术已成为世界各国投资和重点发展的战略性产业。

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2.2 新一代信息技术及应用

  信息技术在智能化、系统化、微型化、云端化的基础上不断融合创新，促进了物联网、云计算、大数据、区块链、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术的诞生。新一代信息技术与信息资源充分开发利用形成的新模式、新业态等，是信息化发展的主要趋势，也是信息系统集成领域未来的重要业务范畴。

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2.2.2 云计算

  云计算(Cloud Computing)是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后通过由多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。在云计算早期，就是简单的分布式计算，进行任务分发并对计算结果进行合并。当前的云计算已经不单单是一种分布式计算，而是分布式计算、效用计算、负载均衡、并行计算、网络存储、热备份冗余和虚拟化等计算机技术混合演进并跃升的结果。

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1.技术基础

  云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式将网络上配置为共享的软件资源、计算资源、存储资源和信息资源，按需求提供给网上的终端设备和终端用户。云计算也可以理解为向用户屏蔽底层差异的分布式处理架构。在云计算环境中，用户与实际服务提供的计算资源相分离，云端集合了大量计算设备和资源。

  当使用云计算服务时，用户不需要安排专门的维护人员，云计算服务的提供商会为数据和服务器的安全做出相对较高水平的保护。由于云计算将数据存储在云端（分布式的云计算设备中承担计算和存储功能的部分)，业务逻辑和相关计算都在云端完成，因此，终端只需要一个能够满足基础应用的普通设备即可。

  云计算实现了“快速、按需、弹性”的服务，用户可以随时通过宽带网络接入“云”并获得服务，按照实际需求获取或释放资源，根据需求对资源进行动态扩展。

  按照云计算服务提供的资源层次，可以分为基础设施即服务(Infrastructure as a Service,
IaaS)、平台即服务(Platform as a Service,PaaS)和软件即服务(Software as a Service,SaaS)三种服务类型。

  IaaS向用户提供计算机能力、存储空间等基础设施方面的服务。这种服务模式需要较大的基础设施投入和长期运营管理经验，其单纯出租资源的盈利能力有限。

  PaaS向用户提供虚拟的操作系统、数据库管理系统、Web应用等平台化的服务。PaaS服务的重点不在于直接的经济效益，而更注重构建和形成紧密的产业生态。

  SaaS向用户提供应用软件（如CRM、办公软件等）、组件、工作流等虚拟化软件的服务，SaaS一般采用Web技术和SOA架构，通过Internet向用户提供多租户、可定制的应用能力，大大缩短了软件产业的渠道链条，减少了软件升级、定制和运行维护的复杂程度，并使软件提供商从软件产品的生产者转变为应用服务的运营者。

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2.关键技术

  云计算的关键技术主要涉及虚拟化技术、云存储技术、多租户和访问控制管理、云安全技术等。

  1）虚拟化技术

  虚拟化是一个广义术语，在计算机领域通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可
以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相
互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

  虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都
有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者虚拟主机上。超线程技术只是单
CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。

  容器(Container)技术是一种全新意义上的虚拟化技术，属于操作系统虚拟化的范畴，也就是由操作系统提供虚拟化的支持。目前最受欢迎的容器环境是Docker。容器技术将单个操作系统的资源划分到孤立的组中，以便更好地在孤立的组之间平衡有冲突的资源使用需求。例如：用户创建一个应用，传统方式需要虚拟机，但虚拟机本身就占用了更多的系统资源。又如，应用需要在开发和运维之间转移、协作，当开发和运维的操作环境不同时，也会影响结果。使用容器技术可将应用隔离在一个独立的运行环境中，该独立环境称之为容器，可以减少运行程序带来的额外消耗，并可以在几乎任何地方以相同的方式运行。

  2）云存储技术

  云存储技术是基于传统媒体系统发展而来的一种全新信息存储管理方式，该方式整合应用了计算机系统的软硬件优势，可较为快速、高效地对海量数据进行在线处理，通过多种云技术平台的应用，实现了数据的深度挖掘和安全管理。

  分布式文件系统作为云存储技术中的重要组成部分，在维持兼容性的基础上，对系统复制和容错功能进行提升。同时，通过云集群管理实现云存储的可拓展性，借助模块之间的合理搭配，完成解决方案拟定解决的网络存储问题、联合存储问题、多节点存储问题、备份处理、负载均衡等。云储存的实现过程中，结合分布式的文件结构，在硬件支撑的基础上，对硬件运行环境进行优化，确保数据传输的完整性和容错性：结合成本低廉的硬件的扩展，大大降低了存储的成本。

  在分布式文件系统的支撑下，实现了通过云存储资源的拓展，辅助高吞吐量数据的分析，使得用户可以更加充分、全面地进行数据管理，实现用户上传信息的优化管理，满足了不同平台信息获取需要。另一方面，通过加强对云存储技术中相关数据的安全防护，实现信息存储过程中的病毒防护和安全监控，确保信息存储应用的安全性。

  3）多租户和访问控制管理

  云计算环境下访问控制的研究是伴随着云计算的发展而开始的，访问控制管理是云计算应用的核心问题之一。云计算访问控制的研究主要集中在云计算访问控制模型、基于ABE密码体
制的云计算访问控制、云中多租户及虚拟化访问控制研究。

  云计算访问控制模型就是按照特定的访问策略来描述安全系统，建立安全模型的一种方法。用户（租户）可以通过访问控制模型得到一定的权限，进而对云中的数据进行访问，所以访问控制模型多用于静态分配用户的权限。云计算中的访问控制模型都是以传统的访问控制模型为基础，在传统的访问控制模型上进行改进，使其更适用于云计算的环境。根据访问控制模型功能的不同，研究的内容和方法也不同，常见的有基于任务的访问控制模型、基于属性模型的云计算访问控制、基于UCON模型的云计算访问控制、基于BLP模型的云计算访问控制等。

  基于ABE密码机制的云计算访问控制包括4个参与方：数据提供者、可信第三方授权中
心、云存储服务器和用户。首先，可信授权中心生成主密钥和公开参数，将系统公钥传给数据提供者，数据提供者收到系统公钥之后，用策略树和系统公钥对文件加密，将密文和策略树上传到云服务器：然后，当一个新用户加入系统后，将自己的属性集上传给可信授权中心并提交私钥申请请求，可信授权中心针对用户提交的属性集和主密钥计算生成私钥，传给用户；最后，用户下载感兴趣的数据。如果其属性集合满足密文数据的策略树结构，则可以解密密文；否则，访问数据失败。

  云中多租户及虚拟化访问控制是云计算的典型特征。由于租户间共享物理资源，并且其可信度不容易得到，所以租户之间就可以通过侧通道攻击来从底层的物理资源中获得有用的信息。此外，由于在虚拟机上要部署访问控制策略可能会带来多个租户访问资源的冲突，导致物理主机上出现没有认证的或者权限分配错误的信息流。这就要求在云环境下，租户之间的通信应该由访问控制来保证，并且每个租户都有自己的访问控制策略，使得整个云平台的访问控制变得复杂。目前，对多租户访问控制的研究主要集中在对多租户的隔离和虚拟机的访问控制方面。

  4）云安全技术

  云安全研究主要包含两个方面的内容，一是云计算技术本身的安全保护工作，涉及相应的数据完整性及可用性、隐私保护性以及服务可用性等方面的内容：二是借助于云服务的方式来保障客户端用户的安全防护需求，通过云计算技术来实现互联网安全，涉及基于云计算的病毒防治、木马检测技术等。

  在云安全技术的研究方面，主要包含：

●云计算安全性：主要是对于云自身以及所涉及的应用服务内容进行分析，重点探讨其相应的安全性问题，这里主要涉及如何有效实现安全隔离，保障互联网用户数据的安全性，如何有效防护恶意网络攻击，提升云计算平台的系统安全性，以及用户接入认证以及相应的信息传输审计、安全等方面的工作。
●保障云基础设施的安全性：主要就是如何利用相应的互联网安全基础设备的相应资源，有效实现云服务的优化，从而保障满足预期的安全防护的要求。
●云安全技术服务：重点集中于如何保障实现互联网终端用户的安全服务要求，能有效实现客户端的计算机病毒防治等相关服务工作。从云安全架构的发展情况来看，如果云计算服务商的安全等级不高，会造成服务用户需要具备更强的安全能力、承担更多管理职责。

  为了提升云安全体系的能力，保障其具有较强的可靠性，云安全技术要从开放性、安全保障、体系结构的角度考虑。①云安全系统具有一定的开放性，要保障开放环境下可信认证：②在云安全系统方面，要积极采用先进的网络技术和病毒防护技术：③在云安全体系构建过程中，要保证其稳定性，以满足海量数据动态变化的需求。

  综上所述，云安全技术是新一代互联网中安全技术构架的核心内容，体现了当前快速发展的云计算的先进性，是未来的信息安全技术发展的必然趋势。随着云计算应用领域的拓展，云安全技术也必然会越来越成熟，能有效全方位保障广大互联网用户的数据应用安全性，对于云计算的进一步推广与应用具有至关重要的作用。

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3.应用和发展

  云计算经历十余年的发展，已逐步进入成熟期，在众多领域正发挥着越来越大的作用，“上云”将成为各类组织加快数字化转型、鼓励技术创新和促进业务增长的第一选择，甚至是必备的前提条件。

  云计算将进一步成为创新技术和最佳工程实践的重要载体和试验场。从AI与机器学习、
IoT与边缘计算、区块链到工程实践领域的DevOps、云原生和Service Mesh,都有云计算厂商积极参与、投入和推广的身影。以人工智能为例，从前面提到的IaaS中GPU计算资源的提供，到面向特定领域成熟模型能力开放（如各类自然语言处理、图像识别、语言合成的API)，再到帮助打造定制化AI模型的机器学习平台，云计算实际上已成为AI相关技术的基础。

  云计算将顺应产业互联网大潮，下沉行业场景，向垂直化、产业化纵深发展。随着通用类架构与功能的不断完善和对行业客户的不断深耕，云计算自然渗透进入更多垂直领域，成为提供更贴近行业业务与典型场景的基础能力。以金融云为例，云计算可针对金融保险机构特殊的合规和安全需要，提供物理隔离的基础设施，还可提供支付、结算、风控、审计等业务组件。

  多云和混合云将成为大中型组织的刚需，得到更多重视与发展。当组织大量的工作负载部署在云端，新的问题则会显现：①虽然云端已经能提供相当高的可用性，但为了避免单一供应商出现故障时的风险，关键应用仍须架设必要的技术冗余：②当业务规模较大时，从商业策略角度看，也需要避免过于紧密的厂商绑定，以寻求某种层面的商业制衡和主动权。

  云的生态建设重要性不断凸显，成为影响云间竞争的关键因素。当某个云发展到一定规模和阶段，就不能仅仅考虑技术和产品，需要站在长远发展的角度，建立和培养具有生命力的繁荣生态和社区。另外，云生态需要关注面向广大开发者、架构师和运维工程师的持续输出、培养和影响。只有赢得广大技术人员的关注和喜爱，才能赢得未来的云计算市场。

  综上所述，“创新、垂直、混合、生态”这四大趋势伴随云计算快速发展。云计算对IT硬
件资源与软件组件进行了标准化、抽象化和规模化，某种意义上颠覆和重构了T业界的供应链，是当前新一代信息技术发展的巨大的革新与进步。