云计算原理

● 体系完整全面，脉络自上向下。

● 介绍主流技术，反映前沿进展。

● 荟萃领域精髓，精选案例习题。

● 内容图文并茂，讲解深入浅出。

云计算技术是目前计算机领域最为核心和备受关注的技术之一，庞大的商业市场驱动着技术不断创新。知名的公有云平台，如亚马逊的AWS、谷歌的GCP、微软的Azure及中国的阿里云等，都在持续地扩建或改进其数据中心，目的是在竞争激烈的市场中取得优势。大数据、人工智能、物联网和边缘计算等前沿技术都与云计算紧密集成，通过云服务模式向用户交付使用。在应用层面，开发云应用以创造商业价值已经成为业界的共识。云计算技术不仅对信息技术产业产生了重大影响，而且推动了许多传统行业，如电力、交通、制造业和农业，达到了新的发展阶段。总之，云计算堪称计算机前沿技术的集大成者，并对传统产业带来了深刻的变革。

党的二十大报告提出加快发展数字经济，促进数字经济和实体经济深度融合，打造具有国际竞争力的数字产业集群。这为云计算产业的发展提供了政策支持和发展空间。云计算作为数字经济的基石，在推进中国式现代化过程中扮演着至关重要的角色。此外，云计算在提升公共服务水平、优化社会治理体系、增强数据安全与隐私保护等方面也具有重要应用价值。

本书的独特之处体现在以下四个方面。

（1）全：体系完整全面，脉络自上向下。

云计算的内容繁多，本书将云计算的重点主题组织成一个有机整体，自上而下、由表及里讲解，可以帮助读者更好地理解云计算的各个方面，并建立一个全面的知识体系。首先，第1章全面概述云计算，探讨了其历史背景及如何与其他技术相结合。其次，第2章详细讨论了计算机科学中的关键设计原理，这些原理贯穿于本书的后续章节。随后，第3章和第4章转向了云计算的应用，从云平台与云应用两个层面展开讨论。最后，本书深入探讨了云计算的底层技术，从云操作系统、云安全及数据中心3个方面展开讨论。

（2）新：介绍主流技术，反映前沿进展。

云计算技术发展迅速，相关的概念繁多，令人眼花缭乱。本书在深入探讨的同时，力求广泛覆盖。云计算领域的重要技术和实践在本书中得到了充分展现，如AWS Lambda、DevOps、SRE、自然冷却、浸没式冷却技术、Docker/Kubernetes以及Clos网络架构等。如果深入研究一项技术是“埋头做事”，那么选择有前途的技术就是“抬头看路”。本书提供了云计算的全局视角，精心筛选有价值的主题和内容，帮助读者理解整个领域的全貌和背景，以便做出明智的学习选择，避免盲目探索。如果希望深入研究云计算的特定主题，本书提供了丰富的链接资源和参考书，这些内容就像是指南针，为深入学习提供指引。

（3）精：荟萃领域精髓，精选案例习题。

“工欲善其事，必先利其器。”本书不同于一般的概述性书籍或特定技术的操作手册，它是一本侧重于原理教学的教材。书中整合了云计算的众多主题和跨学科的核心知识点，其价值不言而喻。通过具体案例的分析，帮助读者理解并掌握云计算的基本原理（“道”），而非仅仅掌握具体的操作技巧（“术”）。理解“道”能够使读者更深入地洞察技术的本质，理解其设计原理和实现逻辑，这比仅仅掌握操作技巧更为深刻和有用。随着云计算技术的快速发展，掌握这些基本原理，读者能够与技术一同成长，勇敢地探索新领域，甚至引领未来的发展。

本书第2章汇集了计算机科学中广泛应用的设计原理，内容广泛、案例丰富且富有深度，为学习云计算构建了坚实的理论基础。要充分领略这些知识点的精妙，读者需具备一定的背景知识。如果能够将这些原理应用到其他情境中，灵活运用、触类旁通，那么对云计算的理解将会更加透彻。

尽管本书的内容覆盖广泛，但致力于直观地揭示核心概念，一针见血地展现技术本质，从而消解读者对技术的迷惑和不确定性。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”单靠理论学习是不够的，必须通过不断实践来加深对知识的理解和掌握。因此，习题部分是“试金石”。本书每章都包含一定数量的习题，其中一部分题目设计得相对复杂，强调定性分析和定量计算。

（4）易：内容图文并茂，讲解深入浅出。

尽管“大道至简”是一个普遍的理念，但是以清晰易懂的方式阐明一个抽象的概念或原理是一项颇具挑战性的任务。为了使深奥的知识点变得浅显易懂，本书采用了3种策略：隐喻、图解和名言。书中广泛运用隐喻和日常生活中的实例阐述复杂的概念和原理。一旦理解了这些隐喻，读者不仅能够以直观的方式记住它们，还能从中获得乐趣。“一图胜千言。”本书采用了不少图解来清晰地展示相关概念和工作机制，帮助读者迅速理解和掌握核心内容，实现“一目了然”的学习效果。此外，书中穿插了众多名言，不仅是为了传承先贤智者的真知灼见，使之传诸后世，同时增添了阅读的乐趣，希望读者能从中获得启发和感悟。

本书的参考学时为64学时，其中实训环节为16学时。各章的参考学时分配如下：

第1章　导论，6学时；

第2章　设计原理，8学时；

第3章　AWS云平台，16学时（含8学时的AWS云平台使用实训）；

第4章　云应用，6学时；

第5章　云计算操作系统，14学时（含8学时的Docker与Kubernetes基本使用实训）；

第6章　云安全，6学时；

第7章　数据中心，8学时。

本书由我独自撰写，尽管在编写过程中已竭尽全力地避免出现任何错误，但是书中仍然可能会有某些无法避免的错误和不足之处。如果您在阅读过程中发现任何错误或有改进建议，非常欢迎您通过电子邮件与我取得联系，我的电子邮箱：149437858@qq.com。本书并未包含习题答案，如果有需要，请与我联系。

掌握一门技术需要经过“博观而约取，厚积而薄发”的过程。编写一本我期望的高品质教科书，意味着要广泛地查阅资料、深入地学习以及通俗易懂地阐述。如果没有家人无私的支持和协助，仅凭一己之力是无法完成这项艰巨的任务。在此，我想对我的家人表达真挚的感谢。由于本书的撰写耗时较长，我在此十分感谢石永峰副编审的理解、信任和支持。

最后，我衷心感谢您选择本书来学习云计算。“好风凭借力，送我上青云”，希望本书能助您一臂之力，带您快速进入云计算领域，让您的云计算之旅充满愉悦感。“不畏浮云遮望眼，自缘身在最高层”，祝愿您学完本书后有一种“会当凌绝顶，一览众山小”的感受，愿您将会俯视而不是仰视云计算。

第1章　导论 1
1.1　简介 1
1.1.1　本地部署与云部署 4
1.1.2　集中化与规模化 5
1.1.3　云计算生态圈 7
1.1.4　云计算的部署模式 8
1.1.5　优势与劣势并存 9
1.2　一切皆服务 11
1.2.1　IaaS 11
1.2.2　PaaS 11
1.2.3　SaaS 12
1.2.4　FaaS 12
1.3　计算机发展简史 12
1.3.1　计算机的诞生 16
1.3.2　计算机制造技术 16
1.3.3　高性能计算机 17
1.3.4　大型机与小型机 17
1.3.5　个人计算机 18
1.3.6　互联网 19
1.3.7　移动计算 23
1.3.8　物联网 23
1.3.9　云计算 27
1.4　大数据与云计算 28
1.4.1　商业模式 28
1.4.2　技术生态圈 29
1.4.3　大数据简介 30
1.4.4　云端大数据 31
1.5　高性能计算与云计算 31
1.5.1　性能指标 31
1.5.2　MPI并行编程简介 33
1.5.3　高性能计算应用分类 35
1.5.4　云端的高性能计算 36
1.6　边缘计算、雾计算与云计算 37
本章小结 38
拓展阅读 39
习题 39
第2章　设计原理 41
2.1　控制复杂性 41
2.2　系统的特性 44
2.3　机制与策略分离 48
2.4　间接 49
2.5　性能 50
2.5.1　性能的定义 50
2.5.2　相对性能 51
2.5.3　均值 51
2.5.4　性价比与性能功耗比 53
2.5.5　阿姆达尔定律 54
2.5.6　利特尔定律 57
2.5.7　并行性与并发性 58
2.5.8　批量化 62
2.5.9　局部性与缓存 62
2.5.10　数据本地性 64
2.6　权衡 64
2.6.1　取舍 65
2.6.2　折中 66
2.6.3　牺牲一样，换取另一样 69
2.6.4　适可而止 70
2.7　平衡与不均衡 70
2.8　瓶颈 72
2.9　估算 75
本章小结 76
拓展阅读 76
习题 77
第3章　AWS云平台 79
3.1　背景 79
3.2　EC2 83
3.2.1　简介 83
3.2.2　使用AWS CLI管理EC2实例 85
3.2.3　定价 85
3.3　EBS 87
3.3.1　简介 87
3.3.2　使用AWS CLI操作EBS卷与快照 89
3.3.3　EBS快照的工作原理 90
3.3.4　存储的性能指标 91
3.3.5　性能模型 92
3.3.6　云存储服务的选择 95
3.4　S3 97
3.5　VPC 98
3.6　AWS Lambda 102
3.6.1　简介 102
3.6.2　入门案例 104
3.6.3　商业案例 105
3.6.4　定价 106
3.6.5　优缺点 108
本章小结 109
拓展阅读 109
习题 109
第4章　云应用 113
4.1　典型案例 113
4.1.1　大数据分析—Netflix 114
4.1.2　人工智能—图片识别 116
4.1.3　大型Web应用—在线视频 117
4.2　微服务 118
4.3　基础设施代码化 120
4.4　持续集成与持续部署 122
4.5　DevOps 125
4.6　SRE 126
4.7　混沌工程 129
4.8　云成本分析与FinOps 133
本章小结 134
拓展阅读 134
习题 134
第5章　云计算操作系统 137
5.1　LOKI 137
5.2　虚拟化 139
5.3　SDN与NFV 142
5.3.1　SDN 142
5.3.2　NVF 145
5.4　存储技术 147
5.5　OpenStack 149
5.6　Docker容器 152
5.6.1　背景 152
5.6.2　架构 153
5.6.3　案例 153
5.6.4　工作原理 156
5.6.5　容器与虚拟机 159
5.7　Kubernetes云原生操作系统 161
5.7.1　背景 161
5.7.2　架构 162
5.7.3　案例 164
5.7.4　Docker、Kubernetes及容器生态 165
5.8　云原生 167
本章小结 169
拓展阅读 169
习题 169
第6章　云安全 171
6.1　安全的基础知识 171
6.1.1　密码学 172
6.1.2　安全的目标 175
6.1.3　攻击与防御 176
6.1.4　常见的攻击类型 178
6.1.5　安全防御系统 181
6.1.6　安全的模型 184
6.2　安全的基本原则 188
6.3　Web与云安全风险 198
6.3.1　云安全事件 198
6.3.2　Web应用程序的常见风险 200
6.3.3　云计算的常见风险 201
6.4　云安全的责任模型 203
6.5　合规性 204
6.5.1　数字经济及其面临的挑战 204
6.5.2　GDPR 206
6.5.3　国内的相关法律与法规 213
6.5.4　合规性的最佳实践 218
6.6　算法歧视 219
6.6.1　常见的歧视 220
6.6.2　歧视的产生原因与应对措施 222
6.7　零信任网络架构 224
6.8　云安全的最佳实践 226
本章小结 228
拓展阅读 228
习题 229
第7章　数据中心 234
7.1　概述 235
7.1.1　传统数据中心 235
7.1.2　数据中心的选址 238
7.1.3　标准化与模块化 238
7.2　量化分析 239
7.2.1　PUE 239
7.2.2　CAPEX、OPEX与ROI 241
7.3　仓储级计算机 242
7.3.1　概念 242
7.3.2　机架规格 245
7.4　供电设施 246
7.5　制冷设施 249
7.5.1　机械制冷 249
7.5.2　自然冷却 252
7.5.3　液冷 254
7.6　网络架构 256
7.6.1　概述 256
7.6.2　传统数据中心的三层网络架构 257
7.6.3　现代数据中心的脊叶网络架构 259
7.7　服务器 260
7.7.1　服务器产业链 260
7.7.2　机架服务器与刀片服务器 262
7.8　管理 266
本章小结 267
拓展阅读 268
习题 268
参考文献 273

1. 零基础玩转国产大模型DeepSeek [徐永冰 张帅 编著]
2. 网络工程师5天修炼（适配第6版考纲） [主编　朱小平 施游]
3. 信息系统项目管理师考试32小时通关（适用第4版考纲） [薛大龙]
4. 信息系统管理工程师考试32小时通关（适配第2版考纲） [薛大龙　刘伟]
5. 土木工程材料检测实训 [洪晓江 达则晓丽 钱波]
6. 科技信息检索与论文写作实用教程 [李振华]
7. 传统山水画论解读与实践 [陈钠 著]
8. Python数据库编程 [主编 殷树友 邢 翀]
9. 计算机基础实训指导 [主编 袁春萍 朱妮]
10. 嵌入式人工智能技术应用（数字教材） [主编 胡娜 杨国勇 晏廷荣]
11. Vienna整流器技术 [桂存兵 著]
12. 变频器与伺服应用 [陈刚 叶云飞]
13. 物联网工程设计与实践 [汤琳 李敏]
14. 炉边夜话——深入浅出话AI [汪建　著]
15. 电商运营与管理 [钟肖英 陈潇]
16. Java面向对象程序设计 [主编 姜春磊 陈虹洁]
17. 信息技术基础（Windows 10+WPS Office）（微课版） [主编　石利平　田辉平　谢盛嘉]
18. 人工智能应用 [主编　陈　萍　刘培培　陈孟军]
19. 大学生职业发展与就业指导 [主编　刘志坚]
20. 高级办公应用项目教程 [主编 屈晶 赵成丽]
21. 微信小程序开发项目实战（微课版） [主编 黄龙泉 郭峰 朱倩]
22. 企业档案工作实战宝典百问百答 [华俊 卢秀英 邵甜甜 著]
23. 计算机网络原理及应用 [主编 唐继勇 叶坤 孙梦娜]
24. 大学生创业基础 [主编 王丽莉 王 杨]
25. 船舶辅机 [主编 王连海 于洋 姜淑翠]
26. 大学生就业指导 [主编 王丽莉 董宴廷]
27. 系统架构设计师章节习题与考点特训 [主编 薛大龙 邹月平]
28. 高校学生工作探索与实践 [郭亮 著]
29. 大学生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年长沙市会展业发展报告 [主编 周栋良]