何謂雲端運算

原文發表於 寫點科普,請給指教 ,INSIDE 獲授權轉載。原文標題為: 一場改變全球十億人口資訊服務的革命!Google、微軟爭相佈局的雲端運算服務。

本篇是《機器學習專題》的第一篇文,帶大家建立基礎的雲端服務概念。

今年 5 月 17 日,Microsoft 在自家的開發者大會上(Build 2017)喊出口號,視人工智慧與雲端運算為下一世代的重點戰略發展方向。

現在的 Google 無疑是一家數位廣告公司;但在未來或許不再是如此。Google 技術基礎架構資深副總裁霍爾澤(Urs Hölzle)說:「2020 年時,Google 將會成為一家雲端公司。」

今年 5 月,NVIDIA 也推出 GPU 雲端平台,幫助客戶簡化人工智慧的開發。

隨著大數據與機器學習熱潮興起,我們不能不瞭解最基礎的雲端運算服務。但到底什麼是雲(Cloud)?什麼又是雲端運算(Cloud Computing)?

講到雲端運算,常常會聽到的 IaaS、PaaS 與 SaaS 雲端運算三種層次,到底這些名詞是什麼意思?

Amazon、IBM、Google 和 Microsoft 等企業,在雲端產業的佈局上、又各自有哪些角力呢?

雲端運算對於使用者的使用體驗,與現今產業與社會又有什麼樣的衝擊與改變?

今天,就讓我們來聊聊雲端運算,看完本文、保證全部解答完上述困惑。

 

什麼是雲端運算?

事實上,所謂的雲端運算、雲計算(Cloud Computing)指的,就是網路運算(Internet Computing)。

我們已經在《21 世紀新人類必知—什麼是網路?》一文中為大家介紹過,網路是透過電纜、將用戶端的個人電腦與遠端伺服器連結在一起。伺服器可以一次執行多位使用者的指令,比如線上遊戲(Online Games)的伺服器可以應付多位玩家。

在這個流程中,人們通常用雲狀圖來表達網路連結,才會把網路運算又稱作雲端運算。(這個做法雖然幽默趣味,卻容易讓不知情的一般人不得其解…)

只要使用者能透過網路、由用戶端登入遠端伺服器進行操作,就可以稱為雲端運算。

講白點,就跟畫愛心 ❤ 一樣,雲朵只是被拿來表達網路的表情符號而已啊!

傳統上人們是怎麼經營企業的呢?

為了要儲存企業營運資料,並進行庫存管理、採購進貨管理、配銷管理、財務管理、人資管理、生產管理與決策支援管理等系統… 一般電腦主機的運算能力絕對無法支援這樣的企業需求,所以你需要一台運算能力強悍的大型電腦──伺服器。

對於大企業而言,一台伺服器顯然還是不夠,比如 Google 最少有一百萬台伺服器。因此,你得建一個資料中心(Data Center),也叫伺服器農場(Server Farm)。 養了好多的伺服器在裡頭啊!

歐洲核子研究組織(CERN)的資料中心。

要養多台伺服器不是一件容易的事情,資料中心是一項相當高耗能的建設,大型資料中心消耗的電力幾乎等同於一座小型城市。

以機房至少 15 年壽命來看,將會有 75% 的營運支出用在電費上,為當初投資成本的 3 到 5 倍。由於將大量的伺服器與儲存設備集中放置會產生大量的熱能,為了降低溫度,最常見的方法就是「吹冷氣」。根據統計,資料中心有 45% 的電力是花費在空調設備上;也有一些資料中心會利用水冷式設計降溫。

非常大的資料中心可以使用貨櫃來安置,每個貨櫃可放置約莫 1000 個或更多的伺服器,網路、儲存、冷卻、電源等基本要素則以模組的方式配置在固定尺寸的貨櫃中;每一個貨櫃也可以彼此串連起來,隨著需求的擴大增加貨櫃的數量。

有了基礎硬體設備後,企業還需要伺服器專用作業系統、應用軟體、企業資源規劃系統(ERP)。IBM、甲骨文、SAP、微軟… 等企業級資料庫管理系統,也意味著 $$$$$。每出一個新版本,企業就得要花大錢,重新買一套的防毒軟體光碟、安裝、適應新的作業系統。

價格高昂的企業級資料庫管理系統。

要開一家公司,卻得花錢建資料中心、買伺服器、買頻寬、買空調降溫防火設備、買企業級資料庫軟體… 還得請一票的 IT 人員進行維護管理。

「天啊!」你可能正在想:「一家小公司哪承受得起?」

事實上,當前企業砸大錢蓋機房架構 IT 設備,平均使用率卻不到 15%。換句話說,有將近 85% 的資源是浪費的。如果能將機房設備維護、網路管理與軟體升級通通交給專人處理,改以本身需求量向人租借空間與服務,不是節省了許多麻煩嗎?

雲端運算的願景,便是要讓資訊服務如同水電等公共服務一般,隨時都能供應。

在 19 世紀工業時代初期,工廠得自己蓋發電廠確保穩定供電。隨著技術提升,發電廠可以提供更大的電力,也發展出更健全的電力網路、供電範圍更普及、供電品質更穩定,電力的供應就成為是一種穩定的服務了,也就沒有人會為了要使用電力而自己蓋發電廠。

要使用電力,只要插上插頭就行了。自來水、瓦斯等公共系統,也都是歷經相同的演變,而成為人們日常生活中可以依賴的服務。

當人們日常生活中對於資訊科技的依賴日益增加,資訊科技自然會朝向公共服務的型式發展,而這就是雲端運算的終極目標:

只要有可連結網路的設備,使用者透過網路就能使用運算資源,並依照最終使用量付費。

如此願景便須仰賴雲端運算技術,也衍生出了雲端服務的三種層次──「硬體」(IaaS)、「軟體」(SaaS)與「平台」(PaaS)

INFRASTRUCTURE AS A SERVICE:IAAS,基礎架構即服務

IaaS 服務是將主機、網路設備租借出去,讓使用者在業務初期可以依據需求租用、不必花大錢建置硬體;待業務量成長時可再租用新的空間隨時擴充、業務低時亦可降低租用量,彈性更高。

Amazon 的 EC2 和中華電信的 HiCloud 即屬於 IaaS 服務。

在從前,透過網際網路租用他人的伺服器是件很不合理的事情,第一是網速慢、第二是成本高──有多少個用戶、就得買多少台伺服器,「房東」比起「房客」自己買便宜不了多少。

現今技術的提升,比如硬體的多核,讓一台伺服器的運算能力可能大到一個用戶根本用不了那麼多的處理能力。再來是虛擬化技術,可以將一台主機切割成多個虛擬器(Virtual Machine),相當於變成多台電腦、給多人共用,這樣每個使用者只需按使用量付費。

SOFTWARE AS A SERVICE:SAAS,軟體即服務

SaaS 意指讓使用者不須下載軟體到本機上、不占用硬體資源的情況下,透過瀏覽器直接使用線上軟體。比如不用再事先安裝 Office Outlook 軟體,直接上線登入 Gmail 便能收發信件;或 Office Word 改以 Google Doc 方式。

不只是電腦,不同的行動裝置也可以登入同一個服務,資料永遠是即時同步的。

這類服務有針對一般使用者,比如 Google Calendar 與 Google 的線上文件協作服務;也有以企業用戶為導向的流程管理、人力資源管理、客服管理等系統,比如 IBM SmartCloud、Salesforce.com 或 SugarCRM。

SaaS 提供的應用程式減少了客戶安裝和維護軟體的時間與成本、降低硬體資源消耗。使用者也不需再擔心軟體的安裝和升級,更不必一次買下軟體授權,而能根據服務的使用量付費、或根本免費(軟體供應商透過廣告方式營利)。

另一方面,由於資源都放在雲端上,對於軟體開發者也可以很方便地進行軟體布署、甚至是一天升級多次,產品生命週期不再切得那麼分明,透明的作業讓使用者可以很明顯感受到品質越趨完善的服務。

PLATFORM AS A SERVICE:PAAS,平台即服務

PaaS 是在 SaaS、也就是線上軟體之後興起的一種新的架構,主要針對軟體開發者提供完整的雲端開發環境。

有了 PaaS,軟體開發商或獨立開發者無須在本機安裝開發工具,而能透過供應商支援的程式語言與開發工具,利用瀏覽器、遠端控制台等技術,直接在遠端進行開發。在開發完成後,開發者能將開發好的軟體直接布署到雲端運算環境中進行測試、同時提供支援程式運作的一些中介軟體與設計介面。

PaaS 提供了簡單易用的開發平台,讓開發者能用更低的成本、在更短的時間內開發完畢並上線。由於軟體的開發和運行都是基於同樣的平台,相容性高,開發者也無需考慮擴充性或服務容量等問題,交由平台供應商協助進行監控和維護管理。

目前有能力提供 PaaS 平台的廠商並不多,主要有 IBM 的 Rational、Salesforce 的 Force.com 和 Google 的 Google App Engine

雲端運算的終極目標就是讓資訊服務成為大眾系統、使用者付費機制。

有了雲端運算技術,讓資訊服務與水電瓦斯等基礎設施一樣,能靈活動態的依據需求量調整資源佈署、按使用量計費,裨益更廣大的群眾與激發更多的商業發展。

雲端運算的發展

人類對於資訊服務的需求日漸增大,但為什麼遲至 2007 年「IT 能以公共服務的方式提供」這個概念才開始興盛呢?

雲端運算之熱不是憑空出現,其實是多種技術與商業應用的的成熟,使得雲端運算從炒作轉為實際,可以說是發展之必然結果。最重要的,莫過於「連網服務」與「線上軟體」。

這邊,我們要來講講先驅者甲骨文(Oracle)公司的故事。

甲骨文(Oracle)創立於 1977 年, 是繼微軟後,全球收入第二多的軟體公司。而作為世界第二大的軟體公司,甲骨文擁有伺服器端最重要的軟體:資料庫系統。

根據 Google 研究院院長諾維格(Norvig)博士所提出的諾維格定律(Norvig’s Law):「當一家公司的市占率大於 50% 時,便不會再翻倍了。」

這表面上是一句廢話… 實際上卻意味著市占率大於 50% 即等於安逸衰敗的開始,這在 IT 產業歷史上屢見不鮮。是以,就算一家企業早已在一個市場上占據主導地位,仍必須不斷開拓新財源才能長盛不衰。

因此就算原先甲骨文和掌控使用者端的微軟互相不干涉,在雙方業務不斷擴展的情況下,終有一天也會廝殺在一塊。

事實上,甲骨文創辦人兼執行長賴瑞·埃里森(Larry Ellison)始終活在蓋茲的陰影下、尤其甲骨文和微軟在 1986 年 3 月在納斯達克掛牌上市只隔了一天。彼時比爾·蓋茲簡直是 IT 界的搖滾新星、如同今日 Facebook 的 Mark Zuckerberg,讓埃里森相形黯然失色也氣得牙癢癢。

當微軟推出的 SQL Server 資料庫搶佔了一些高檔軟體市場,同時間的 Windows 95 也大受歡迎時,埃里森終於發作了。他想到了一記妙招──1995 年, 埃里森宣布個人電腦(PC)已死,取而代之的將會是網路電腦(Network Computer,NC),同時在甲骨文底下成立了一家名為「網路電腦」(Network Computer Inc.)的子公司。

始終活在 Gates 陰影下的 Larry Elison 宣布網路電腦時代來臨。

網路電腦沒有硬碟、記憶體也比一般電腦少了一半;使用者不須下載安裝,所有的軟體都將在網路上操作運行。價格也相當便宜──當時的個人電腦一台約 1500 美元,網路電腦的售價僅 500 美元、足足少了 2/3 的價格。

最重要的是,網路電腦不需要作業系統;或者更精確的說、不需要微軟的作業系統。網路電腦的背後就是強大的伺服器,所有資料和應用程式都將存儲在伺服器的資料庫中,而甲骨文的資料庫技術將使網路電腦非常容易操作管理。甲骨文也一併聯合了 IBM、昇陽、Apple 和網景等同樣討厭微軟的公司,在 1996 年制定了網路電腦的標準。

埃里森一言既出、不但舉座譁然、引起媒體報紙爭相播報,也讓人們看到網際網路發展的巨大潛力。可惜概念雖破格超前(埃里森差一點就能成為 PC 界的賈伯斯了呢!),卻敗在尚不成熟的技術環境與埃里森的急於躁進。

由於個人電腦業者:康柏、戴爾、惠普、IBM 等廠商積極降價,以至網路電腦的價格優勢不再那麼明顯。而當時上網採用撥接連線,不但網速緩慢、費用高,在沒有 WiFi 的情況下只有住家和辦公室可以連上網,相當不便。

最重要地,雲端上並沒有提供相應於本地端的軟體服務,比如 Microsoft Office 或 Adobe 系列。

網路電腦經過兩年的試驗後,最終宣告失敗。隨後,便爆發了第一次的網際網路(DOT-COM)泡沫,讓市場有很長一段時間不再相信雲端應用的可能性。

雲端運算之所以能重回人們的視野,主要仰賴了三家公司的不可忽視的力量──Amazon、IBM 和 Google。2006 年左右,它們各自提出了對於雲端運算應用的認知。

AMAZON:電子商務公司轉型為「IT 基礎服務提供商」

Amazon 由網路書店起家,消費者多達 1500 萬名、遍布全球 160 個國家、商品超過 500 萬種。為了要處理龐大的商品與客戶資料,Amazon 建置了相當龐大的資料中心。但銷售存在著旺季與淡季,中間多餘的設備便白白空閒著。

Amazon 絞盡腦汁、希望能降低這筆龐大的資源浪費,最後發現可以將多餘的空間出租出去,這便是 2006 年所推出的 EC2(Elastic Compute Cloud)服務開端。

另一方面,Amazon 早期除了賣書外,也提供小型商家或個人戶在其交易平台上販售商品。後來 Amazon 乾脆為小商家們提供了網站代管(Web Hosting)服務、幫忙線上商店的管理,又因此建立了更多的資料中心。

到現在,只要有網站建立需求的任何公司或個人,都可以租用 Amazon 的託管服務。

IBM:硬體大廠轉型為「企業級的軟硬體整合方案」。

IBM 雖然是第一個研發出個人電腦的企業,卻也因為客戶以政府部門、軍隊、大型企業與金融業為主,基因中帶著保守穩健的作風…導致在微軟的纏鬥中敗下陣來、失去了終端使用者的市場,在 1980 年代差點面臨倒閉的危機。

直到在 1993 年宣布轉型以來,IBM 逐漸從硬體製造商轉變為企業級的軟硬體整合解決方案(Total Solution Provider)。也因此 IBM 在看到雲端運算興起、而微軟掌控的本地端用戶市場將有可能吃鱉時興奮地拍手叫好,一舉踏入了雲端運算市場爭奪戰。

它的銷售對象仍是企業級客戶,旗下擁有相當全面的雲端運算產品線──涵蓋伺服器、管理軟體、中介軟體和應用軟體,雲端運算的三個層次——IaaS、SaaS 和 PaaS,全部都能在 IBM Cloud 上面找到相應的解決方案。

2007 年,IBM 推出 Blue Cloud 服務,是 IBM 最早推出、也最成熟的雲端運算解決方案。Blue Cloud 吸取了 IBM 多年來管理大規模企業級資料中心的經驗,在市場上獲得了很大的成功;該方案的功能和特性也被應用在隨後的系列產品中,如 CloudBurst 和 Tivoli Service Automation Manager。

GOOGLE:搜尋引擎公司轉型為「線上應用軟體提供商」。

Google 是最早提出雲端運算概念的公司。

最初 Google 開發雲端運算平台是為了能把大量廉價的伺服器集成起來、以支援自身龐大的搜尋服務。

然而就如同我們先前所提到的諾維格定律,當微軟和 Google 在各自的市場達到壟斷時,必然得尋求新的進入市場、也必然碰撞在一塊。

2003 年微軟宣布進軍網際網路的搜尋市場時,Google 積極打造了超級資料中心,並開始將微軟在本機端的軟體服務搬到了線上、搶奪微軟的終端使用者市場。從日曆(Calendar)、電子郵件(Outlook)到 Office 文書處理系列,Google 分別推出了 Google Calendar、Gmail 和 Google Docs 等服務打對臺。

不但成功向微軟示威,也鞏固了以使用者為中心、以收取廣告費的商業模式。

Google 更吸取了甲骨文曾經的 Network Computer 概念,在多年後推出了 Chromebook──搭載 Chrome OS 作業系統,以雲端服務代替的桌面程式。只要一個 Google 帳號,就可以使用所有相關的服務:儲存空間有 Google Drive、文件編輯有 Google Docs、不能用 Skype 但有 Google Hangouts、看影片有 Google Play 電影或 YouTube…

Chromebook 雖然尚非筆電的主流,卻是硬生生打了微軟一個響亮的巴掌。

三家市場先進廠商中,有強調企業級客戶的、有強調終端使用者的…各自對於雲端運算的認知因企業利益取向而有所不同,但綜合起來卻是雲端運算發展到目前最為普遍的幾種商業模式。

說了這麼多,讀者可以發現──

微軟身為 IT 產業界的不衰霸主,正由於它牢牢掌控了本機端用戶的作業系統和桌面應用程式、又四處野心勃勃地搶佔資料庫、搜尋引擎等領域的地盤,才刺激了其他家廠商積極發展與之相抗的線上服務。

(甲骨文、IBM 和 Google 表示:有微軟在, 我們壓力很大(´_ゝ`))

在挪威,鮮活的沙丁魚比急凍的要貴好幾倍;為了成功運送活沙丁魚、船長將一條鯰魚放進魚籠,沙丁魚只能不停游動以求保命,終得以存活下來。

這個故事叫做「Catfish Effect」。微軟根本是 IT 界的鯰魚,專門作為促使其他人發展的原動力。

可能也有讀者正好奇,那麼微軟是如何因應來勢洶洶的雲端化浪潮呢?

MICROSOFT:從「個人用戶+本地端」轉型往「企業用戶+雲端」服務

因應著時代潮流,2008 年微軟在自家的開發者大會上發布了一個全新的雲端運算平台──Azure Service Platform。這是一個基於微軟資料中心的 PaaS 平台,提供了 Windows 系統的線上開發、儲存和服務代管的開發環境,對於使用 C# 和 SQL Server 的開發者來說非常親民。

同時微軟也提供了一套基於 Visual Studio 的 Azure 工具,可供開發者在個人電腦上開發和測試 Azure 平台上的應用程式。

事實上,微軟對於雲端運算的態度一直以來都有些說不清、道不明…如果未來電腦的運算能力和軟體全都集中在雲端,那麼用戶端的電腦就不須很強的處理能力了;微軟的作業系統和軟體將受到很大的衝擊。

因此微軟始終強調:網路頻寬、儲存、運算等服務不會是免費的。微軟宣稱,頻寬的限制始終存在,因此唯有搭配本機端的運算能力、才能帶給使用者真正良好的體驗與強大的應用程式。

然而,這個態度正在悄悄地轉變。

先前微軟發布了截至今年 3 月 31 日為止的 2017 年第三季(財報季與年度季並不相同)財報中,微軟將自身營收分為三大類別:

1.「生產力與業務流程」(Productivity and Business Processes): 包括 Office 與 Dynamics。季營收 80 億美元,成長 22%。

2.「智慧雲端」(Intelligent Cloud): 包括 Azure 在內的所有雲端服務。季營收為 68 億美元,成長 11%。

3.「更多個人運算部門」(More Personal Computing): 包括 Windows 作業系統和 Surface、Xbox 等硬體產品。季營收為 88 億美元,下滑 7%。

從財報狀況中可以發現,「更多個人運算部門」雖然擁有 Windows 作業系統這項老牌商品,而佔有最大的營收,營收成長卻是在下滑的狀態。而各種雲端服務卻是表現最亮眼的部分──「智慧雲端部門」與「生產力與業務流程部門」都在不斷地成長。

微軟的各大產品與服務中,成長最快的第一名是 Azure 、營收成長了 93%,第二名 Dynamics 365 成長 81%,第三名 Office 365 commercial 營收成長 45%。下滑最多的產品則是 Surface,營收跌幅為 26%。

無疑地,雖然個人用戶端仍為微軟現在的主要金牛,但這個市場正因個人電腦的萎縮與飽和、正在悄然下滑。未來轉向「企業用戶端 + 雲端服務」可以說是確定的發展道路。

仰賴用戶端起家、並因此打敗巨人 IBM 的微軟,如今正逐漸不敵 Google 在用戶端的鯨吞蠶食、慢慢轉往企業級的雲端服務。2016 年 6 月初以 262 億美元收購 LinkedIn,也是其中一步重大的布局。

微軟新任總裁納德拉(Satya Nadella)在 2014 年上任以後,轉型的企圖和作為越來越明顯。

納德拉掌舵之前的微軟,一切產品核心都圍繞著 Windows 作業系統和 Office 文書軟體。Windows 系統掌握全球大部分的電腦,並創造了微軟 75% 的利潤,微軟有意問世的新產品都需先確定,不會削弱 Windows 系統的效率。

納德拉接任執行長後,致力移除 Windows 不可侵犯的神聖地位,將微軟發展中心轉向 Azure 雲端系統。納德拉明確點出,微軟正在被「基於雲端運算的人工智慧業務」引領著,走向新時代。上任三年來,更讓微軟的股價累計上漲了 80%。

截至 2015 年的全球雲端平台服務提供商的市佔率(資料來源:Statista)

本篇文中,我們談及了雲端運算的最終目標是如同基礎設施一般、讓使用者透過網路就能使用運算資源,並依照使用量付費。

並介紹雲端運算的三種服務層次——IaaS(基礎架構即服務)、PaaS(平台即服務)與 SaaS(軟體即服務)。

我們也談到了幾家知名大廠,包括 Oracle、Amazon、IBM、Google 和 Microsoft 在雲端運算市場上,是如何進行驚心動魄的擠兌廝殺,才出現了如今幾種常見的雲端運算商業應用。

大家對於雲端趨勢有什麼看法呢?都歡迎提出分享喔!

也請期待《機器學習專題》的下一集:大數據到底是什麼意思?事實上,它是一種精神!

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