云计算原理与实践(数据科学与大数据技术专业系列规划教材)

本书系统地讲解了云计算的知识框架，包括云计算的三大认识角度（商业模式、计算范式、实现方式）、四个关键技术（计算、存储、网络、安全）、四种开发运维维度（云原生应用、云操作系统、云端软件、云运维），以及三大应用场景（云桌面、开发云、大数据与人工智能）。
本书在大部分的章中安排了一个或多个基于开源软件的实训内容，以帮助读者更有效地动手实践，包括GitHub、Hadoop、OpenStack、KVM、Docker、Ceph、Mininet、Mesos、Kubernetes等。

同济大学计算机科学与技术系副教授，博士生导师，中国计算机学会会员，中国计算机学会教育工作委员会委员、中国计算机学会大数据专委会通讯委员、中国计算机学会体系结构专委会委员、上海计算机学会体系结构专委会委员、开源社理事会成员。荣获“第 二届中国大数据创新百人”称号。
美国Wisconsin大学Madison分校作访问学者，美国Florida大学作CSC访问学者，曾挂职于上海徐汇区行政服务中心（副主任）。入选《同济大学青年人才培养行动计划》、《同济大学青年英才计划（青年教师计划）》及《同济大学青年英才计划（青年教学科研骨干计划）》。研究方向包括：云计算、大数据、时序数据分析、大规模在线学习系统

1.云计算专家，同济大学教授力作
2.华为公司提供真实企业开发案例
3.提供典型开源软件实训与案例
4.突出云计算系统内容，包括分布式计算、云计算架构、虚拟化技术及行业应用等
5.配套数字课程资源实训平台，并提供多媒体课件、案例代码等丰富的配套资源

第 1章 云计算概述 1
1．1初识云计算 1
1．1．1云计算的定义 1
1．1．2计算模式的演进过程 4
1．1．3云计算简史 10
1．1．4云计算的推动力 11
1．2云计算的公共特征与分类 13
1．2．1云计算的公共特征 13
1．2．2云计算的分类 13
1．2．3与云计算有关的技术 17
1．3云计算的三元认识论 20
1．3．1 云计算作为一种商业模式 20
1．3．2 云计算作为一种计算范式 21
1．3．3 云计算作为一种实现方式 22
1．4云计算的开源方法论 23
1．4．1开源定义和相关概念 23
1．4．2开源的价值和意义 25
1．4．3开源发展历程 26
1．4．4开源是种方法论 27
1．4．5开源对云计算人才培养带来的挑战 28
1．5实践：GitHub 30
1．5．1 GitHub简介 30
1．5．2使用GitHub 31
1．5．3 Github界面总览 37
1．6本章小结 38
第 2章 分布式计算 39
2．1分布式计算概述 39
2．1．1基本概念 39
2．1．2分布式计算的原理 40
2．2分布式计算的理论基础 41
2．2．1 ACID原则 41
2．2．2 CAP理论 41
2．2．3 BASE理论 44
2．2．4最终一致性 45
2．2．5一致性散列 46
2．3分布式系统概述 49
2．3．1分布式系统的基础知识 49
2．3．2分布式系统的特性 50
2．3．3分布式存储系统实例：Apache Hadoop 51
2．4分布式系统的进阶 53
2．4．1分布式存储系统 54
2．4．2分布式计算系统 55
2．4．3分布式资源管理系统 57
2．5典型的分布式系统 60
2．5．1网格系统 60
2．5．2 P2P系统 63
2．5．3透明计算 65
2．5．4区块链系统 68
2．6本章小结 74
第3章 云计算架构 75
3．1云计算的本质 75
3．1．1革命性概念：IT作为服务 75
3．1．2 云之道 75
3．1．3云计算系统工程 76
3．1．4云数据中心 77
3．1．5云的工作负载模式 77
3．1．6云计算的规模效应 79
3．2云计算的架构 81
3．2．1计算架构的进化 81
3．2．2一般云计算架构的二维视角 84
3．3云栈和云体 87
3．3．1云栈 87
3．3．2云体 93
3．3．3 IT作为服务 94
3．4软件定义的数据中心 95
3．4．1数据中心的历史 96
3．4．2继续发展的推动力 98
3．4．3软件定义的必要性 99
3．4．4软件定义数据中心的架构分析 100
3．4．5软件定义数据中心的发展 102
3．5实践：OpenStack 104
3．5．1 OpenStack是什么？ 104
3．5．2 OpenStack组件介绍 107
3．5．3体验使用OpenStack 108
3．6本章小结 109
第4章 虚拟化技术 110
4．1虚拟化的定义 110
4．2服务器虚拟化 111
4．2．1 x86架构对虚拟化的限制 112
4．2．2全虚拟化 113
4．2．3半虚拟化 114
4．2．4硬件辅助虚拟化 114
4．3商用虚拟机技术 115
4．4新型硬件虚拟化 117
4．4．1硬件虚拟化背景 117
4．4．2硬件虚拟化的代表 118
4．4．3硬件虚拟化的未来 119
4．5实践：Xen虚拟化技术 120
4．5．1 Xen的历史 120
4．5．2 Xen功能概览 120
4．5．3 Xen实际操作 121
4．6实践：KVM虚拟化技术 125
4．6．1 KVM简介 125
4．6．2 KVM的基本安装操作 125
4．7轻量级虚拟化 130
4．7．1容器技术简介 130
4．7．2容器与虚拟机的对比 131
4．7．3 容器背后的内核知识 132
4．8实践：Docker容器 134
4．8．1安装Docker 134
4．8．2运行第 一个Docker容器 136
4．9本章小结 137
第5章 分布式存储 138
5．1分布式存储的基础 138
5．1．1基本概念 138
5．1．2分布式存储分类 139
5．1．3分布式存储的发展历史 141
5．2文件存储 144
5．2．1单机文件系统 144
5．2．2网络文件系统 144
5．2．3并行文件系统 145
5．2．4分布式文件系统 146
5．2．5高通量文件系统 146
5．3从单机存储系统到分布式存储系统 147
5．3．1单机存储系统 147
5．3．2分布式存储系统 148
5．4实践：分布式存储系统Ceph 152
5．4．1概述 152
5．4．2设计思想 153
5．4．3整体架构 154
5．4．4集群部署 156
5．5本章小结 160
第6章 云计算网络 161
6．1基本概念 161
6．1．1计算机网络 161
6．1．2覆盖网络 162
6．1．3大二层网络 164
6．1．4租户网络 164
6．2数据中心网络：云计算的骨架 165
6．2．1数据中心网络拓扑 165
6．2．2用 Mininet 搭建数据中心仿真环境 167
6．3网络虚拟化 169
6．3．1灵活控制：软件定义网络（SDN） 170
6．3．2快速部署：网络功能虚拟化（NFV） 176
6．4租户网络管理 179
6．4．1网络功能即服务（Network Function as a Service） 180
6．4．2 OpenStack Neutron 180
6．4．3 Group-Based Policy 183
6．5实践：用Mininet搭建OpenFlow实验环境 185
6．5．1 Mininet入门 186
6．5．2 Mininet实验 187
6．6本章小结 189
第7章 云计算安全 190
7．1云安全概述 190
7．1．1云计算安全挑战 190
7．1．2云计算安全现状 193
7．1．3云计算安全技术框架 193
7．1．4云计算安全关键技术 195
7．2虚拟机安全 196
7．2．1虚拟化软件栈安全威胁 197
7．2．2虚拟化软件栈安全防御 201
7．2．3虚拟化安全总结 202
7．3云存储安全 203
7．3．1云存储的安全需求 203
7．3．2安全云存储系统概述 204
7．3．3安全云存储系统的一般架构 204
7．3．4安全云存储系统的关键技术 205
7．4云数据安全 207
7．4．1云数据面临的安全威胁 208
7．4．2云数据安全研究内容 209
7．4．3云数据安全研究进展 209
7．5实践：全同态加密算法 210
7．5．1 HElib库的调试与分析 210
7．5．2 FHE-CODE的调试与分析 212
7．5．3全同态加密方案对比与分析 213
7．6本章小结 216
第8章 云原生应用的开发 217
8．1云原生的相关概念 217
8．1．1云原生简介 217
8．1．2云原生的内容 218
8．1．3云原生应用的技术手段 222
8．2云原生应用开发实践的12要素 225
8．3云原生应用开发 234
8．3．1云原生应用开发的原则 234
8．3．2云原生的落地：Kubernetes 236
8．4实践：基于Node．js的云原生应用开发 238
8．5本章小结 245
第9章 云计算操作系统 246
9．1计算机软件与操作系统 246
9．1．1计算机软件的发展 246
9．1．2操作系统的发展简史 247
9．1．3操作系统的软件定义本质 249
9．2 UNIX类操作系统的发展 250
9．2．1 UNIX系统简介 250
9．2．2 UNIX家族的演化 251
9．2．3类UNIX系统的发展 253
9．2．4 UNIX系统的展望 254
9．3云操作系统概述 255
9．3．1基本概念 255
9．3．2云操作系统实例 256
9．3．3云操作系统的挑战 257
9．3．4新一代云操作系统的职责与功能 258
9．4云计算编程模型与环境 259
9．4．1云计算环境下的编程困惑 259
9．4．2云计算编程模型 260
9．5云操作系统的资源调度 262
9．5．1资源调度简介 263
9．5．2云操作系统下资源调度的挑战 263
9．5．3云计算资源调度的策略和算法 264
9．6实践：Mesos 266
9．6．1 Mesos架构 267
9．6．2 Mesos设计解读 269
9．6．3 在Mesos上运行Spark 270
9．6．4 Mesos实现容器编排 272
9．7本章小结 273
第 10章 云端软件 274
10．1从软件到云件 274
10．1．1云件的基本概念 274
10．1．2从软件到云件的变迁 275
10．1．3云件的关键技术 279
10．1．4云件的开发、部署和运行模式 280
10．2云件系统的架构设计与运行原理 281
10．2．1计算与存储的分离的设计理念 281
10．2．2基于微服务架构的云件模型 282
10．2．3云件的系统级架构设计 286
10．3云件的开发模式与效果 289
10．3．1云件的开发模式 289
10．3．2云件的效果展示 292
10．4云件在大规模在线实训平台中的应用 293
10．4．1实训平台提出的背景 293
10．4．2构建基于云件系统的大数据工程实训平台 294
10．5实践：云件应用开发实例 298
10．6本章小结 300
第 11章 云计算运维 301
11．1云服务环境的监控 301
11．1．1云监控概述 301
11．1．2云监控特性 302
11．1．3云监控需求 302
11．1．4云监控结构 304
11．1．5关键技术 306
11．2云监控解决方案 308
11．2．1云监控的通用技术 308
11．2．2容器的监控 310
11．3智能运维 314
11．3．1智能运维的历史 315
11．3．2智能运维的内容 316
11．3．3 AIOps的关键场景与技术 319
11．3．4智能运维的展望 326
11．4实例：智能运维在大视频运维中的应用 327
11．4．1背景介绍 327
11．4．2人工智能技术在大视频运维系统中的应用 328
11．5本章小结 333
第 12章 桌面云 334
12．1桌面云概述 334
12．1．1桌面云的发展历史 334
12．1．2什么是桌面云？ 335
12．2桌面云架构与关键技术 337
12．2．1传输协议 337
12．2．2服务层 340
12．2．3资源层 341
12．2．4安全 342
12．2．5桌面云面临的挑战 344
12．3桌面云典型应用案例 344
12．3．1桌面云在政府中的应用 345
12．3．2桌面云在运营商中的应用 346
12．3．3桌面云在教育中的应用 348
12．3．4桌面云在电力中的应用 349
12．3．5桌面云在医疗中的应用 352
12．3．6桌面云在工业中的应用 354
12．4实践：基于OpenStack的桌面云 355
12．4．1Windows镜像的制作 355
12．4．2配置SPICE实现远程访问 359
12．5本章小结 360
第 13章 软件开发云 361
13．1软件开发云的概念 361
13．1．1传统软件开发中的挑战 361
13．1．2云计算给软件开发带来的新可能 362
13．1．3云时代的软件开发 363
13．2华为软件开发云服务 364
13．2．1软件交付的趋势和挑战 364
13．2．2 DevCloud是什么 365
13．2．3 DevCloud核心理念 366
13．3DevCloud技术方案 366
13．3．1 DevCloud总体架构 366
13．3．2 DevCloud主要服务 367
13．4实践：DevCloud实战 368
13．4．1 DevCloud登录 368
13．4．2项目管理 369
13．4．3代码托管 370
13．4．4构建 373
13．4．5测试 374
13．4．6发布 375
13．4．7部署 376
13．4．8流水线 377
13．5本章小结 378
第 14章 大数据与人工智能 379
14．1什么是大数据？ 379
14．1．1大数据的发展背景 379
14．1．2大数据的定义 381
14．1．3大数据的技术 383
14．2什么是人工智能？ 385
14．2．1人工智能的历史及概念 385
14．2．2 人工智能的特征与参考框架 388
14．2．3 人工智能的发展趋势 390
14．3云计算、大数据与人工智能的关系 392
14．3．1云计算与大数据的融合 393
14．3．2云计算与人工智能的融合 394
14．4本章小结 395
参考文献 396
论文阅读 399