مجازی­سازی: یکی از ویژگی­های حیاتی در محاسبات ابری بوده و به معنای آن است که تمام امکانات یک ماشین فیزیکی شامل سخت­افزار، سیستم­عامل، منابع ذخیره­سازی و منابع شبکه توسط چندین ماشین مجازی قابل استفاده هستند. مجازی­سازی، پیچیدگی­های تکنولوژیکی را از کاربر نهایی پنهان می­سازد، بنابراین می ­تواند استقلال سرویس­های ابری را بهبود بخشد، بازیابی سریع و تحمل خطا را امکان­ پذیر سازد و منابع فیزیکی می­توانند به صورت مؤثری پیکربندی شده و بکار گرفته شوند. تکنولوژی­ مجازی­سازی ویژگی­هایی مثل انزوای ابزارهای کاربردی و کیفیت سرویس را فراهم می­ کند.

امنیت: به منظور فراهم کردن محیطی قابل اعتماد برای کلاینت­ها، فراهم­کنندگان باید برای امنیت تضمین­هایی ایجاد کنند. وقتی داده ­ها توزیع­شده ­اند و به وسیله کاربران غیر مرتبط به هم، به­اشتراک گذاشته می­شوند مسائل امنیتی اهمیت بیشتری پیدا می­ کنند.
دیدگاه کیفیتی: در این دیدگاه بر ویژگی­های کیفیتی مثل قابلیت در دسترس بودن و قابلیت اطمینان در محاسبات ابری تأکید شده است. برخی از این ویژگی­ها در ادامه مطرح شده ­اند.
قابلیت در دسترس بودن: امکانات بیشماری از طریق اینترنت در هر زمان و هر مکانی در دسترس قرار می­گیرند.
قابلیت اطمینان: ارائه­دهنده­ توانایی برای تضمین عملیات سیستم بدون وقفه است. قابلیت اطمینان یکی از نیازهای کیفیت سرویس است که بر جلوگیری از، از دست دادن داده تمرکز دارد.
چابکی^[۶]: فراهم­کنندگان ابر قادر به واکنش در برابر تغییر در تقاضای منبع و شرایط محیط هستند. چابکی نیاز دارد تا هر دو طرف (فروشنده و مشتری) قابلیت ­های مدیریت خودگردان را فراهم کنند.
دیدگاه اقتصادی: ویژگی­های اقتصادی، محاسبات ابری را در مقایسه با دیگر مفاهیم محاسباتی منحصر به فرد می­ کند. برخی از این ویژگی­ها در ادامه معرفی شده ­اند.
پرداخت در ازای استفاده: در محاسبات ابری، کاربران تنها برای آنچه استفاده می­ کنند هزینه پرداخت می کنند.
کاهش هزینه­ های عملیاتی:کاربران می­توانند به ­راحتی وارد جهان محاسبات شوند و می­توانند زیرساخت را برای وظایف محاسباتی غیر متناوب اجاره کنند. حداقل مهارت­ های فنی برای پیاده­سازی نیاز است و در نتیجه هزینه عملیاتی کاهش می­یابد.
صرفه­جویی از نظر میزان مصرف انرژی: محاسبات ابری مصرف منابع غیر قابل استفاده را کاهش می­دهد، به عبارت دیگر به دلیل مدیریت متمرکز، هزینه­ های اضافی برای مصرف انرژی و انتشار کربن، می ­تواند بهتر کنترل شود.
۲-۳ عناصر محاسبات ابری
محیط­های محاسبات ابری از چهار عنصر اصلی مجازی­سازی، پردازش شبکه­ ای، web 2.0 و معماری مبتنی بر سرویس^[۷] تشکیل شده ­اند که در ادامه به معرفی و توضیح آنها پرداخته شده است.
مجازی­سازی: یکی از بزرگترین مشکلاتی که مدیران فناوری اطلاعات با آن مواجه هستند تعداد زیاد سخت­افزارهای سرویس­دهنده تک کاره^۲ است. مهمترین علت افزایش تعداد این سخت­افزارها، ناسازگاری بین برنامه ­های کاربردی است. این موضوع باعث می­ شود مدیران ترجیح دهند برنامه ­های کاربردی مختلف را بر روی سرورهای مجزا اجرا کنند. هزینه­ های سخت­افزاری، برق مصرفی سرورها، تجهیزات خنک­کننده مرکز داده ­ها و کارشناسانی که وظیفه مدیریت سخت­افزاری و نرم­افزاری این سیستم­ها را بر عهده دارند مدیران را مجاب می­ کنند تا تلفیق سرویس­دهنده­ها را به عنوان یک اصل بپذیرند. بهترین روش برای تلفیق سرویس­دهنده­ها استفاده از تکنولوژی مجازی­سازی است. مجازی­سازی به معنای آن است که تمام امکانات یک ماشین فیزیکی شامل سخت­افزار، سیستم­عامل، منابع ذخیره­سازی و منابع شبکه توسط چندین ماشین مجازی قابل استفاده شود. هر ماشین مجازی می ­تواند سیستم عامل خود را داشته باشد، به این ترتیب می­توان بر روی یک سرور و در یک زمان چندین سیستم­عامل متفاوت و یا حتی ناسازگار با هم را راه ­اندازی کرد و هر سیستم عاملی برنامه ­های کاربردی مختلفی را اجرا کند. شکل ۲-۱ تلفیق سرویس­دهنده­ها با بهره گرفتن از تکنولوژی مجازی­سازی را نشان می­دهد.
پردازش شبکه­ ای: پردازش شبکه­ ای عبارت است از شبکه گسترده­ای با توان محاسباتی بالا که امکان اتصال به اینترنت را هم داراست. شبکه از رایانه­های همگن اختصاصی تشکیل نمی­ شود، بلکه مجموعه ­ای از رایانه­های توزیع­شده در سطح اینترنت و اینترانت­های متعددی است که به صورت غیراختصاصی از طریق پروتکل­های ارتباطی با یکدیگر در ارتباط هستند. در پردازش شبکه­ ای انواع مختلفی از رایانه ­ها با توانایی­ها و قابلیت ­های مختلف وجود دارند. این رایانه ­ها غیراختصاصی بوده و تنها در صورتی­که کاربر از توان محاسباتی رایانه به طور کامل استفاده نکند در اختیار پردازش شبکه­ ای قرار می­گیرند.
Web 2.0: با افزایش کاربردهای وب، طراحان وب روش­های جدیدی را در ایجاد وب­سایت­ها به کار گرفتند که باعث راحت­تر شدن دسترسی به داده ­ها برای کاربر و مشارکت کاربر در ایجاد داده ­ها شدند. به عنوان نمونه می­توان ویکی­پدیاها را معرفی کرد که توسط کاربران گسترش می­یابند و مدیران این سایت­ها فقط محیطی را برای استفاده از توانایی­های کاربران فراهم می­ کنند. یکی از مهم­ترین اصول Web 2.0، نگاه کردن به وب بعنوان یک بستر است. بر اساس تحقیقات یک شرکت آمریکایی، بیش از یک میلیارد کاربر در سراسر جهان هستند که رایانه شخصی ندارند، اما کاربر اینترنت هستند. Web 2.0 به نیازهای این افراد پاسخ داده است. سرویس­هایی مانند Google Docs و Zoho.com امکان داشتن نرم­افزار آنلاین را فراهم کرده ­اند، سایت­های بسیار زیادی برای نگهداری فایل­ها تحت وب وجود دارند که نیاز این افراد را به هارد شخصی برطرف کرده است و سایت­های بسیاری امکان ویرایش عکس بر روی اینترنت را بوجود آورده­اند که این افراد را از داشتن یک نرم­افزار ویرایشگر عکس مانند فتوشاپ بی­نیاز می­ کنند. Web 2.0 باعث بی­نیاز شدن بسیاری از کاربران از داشتن سیستم عامل شخصی شده است. اینجا بود که مفهومی به نام سیستم عامل جهانی شکل گرفت، بدین معنا که کاربران با داشتن یک مرورگر روی هر دستگاهی و با اتصال به اینترنت امکان استفاده از همه سرویس­های لازم جهت کارهای روزمره خود را بدست آوردند. یکی از پیامدهای سیستم­ عامل جهانی، پایان چرخه سنتی تولید و عرضه نرم­افزار است، مثلا نرم‌افزارهایی مانند آفیس هر چند سال یکبار نسخه جدیدی را منتشر می­ کنند و کاربران باید آنها را خریداری کنند تا از مزایای نسخه جدید بهره­مند شوند، اما برنامه ­های تحت وب هر ماه و گاهی هر روز بروزرسانی می­شوند و سریعا در دسترس همگان قرار می­گیرند

شکل ۲-۱: نصب چند سیستم ­عامل بر روی یک سرور با بهره گرفتن از تکنولوژی مجازی­سازی ]۴[.
.
معماری سرویس­گرا (SOA): سیستم­های اطلاعاتی به سرعت در حال رشد هستند. سازمان­ها نیازمند پاسخگویی سریع به نیازمندی­های جدید کسب­و­کارها هستند. این در حالی است که معماری­های نرم­افزاری موجود به حد نهایی قابلیت ­های خود رسیده ­اند. معماری مبتنی بر سرویس قدم تکاملی بعدی برای کمک به سازمان­ها جهت مدیریت چالش­های پیچیده است. معماری مبتنی بر سرویس حالت بلوغ­یافته معماری مبتنی بر اجزا، طراحی مبتنی بر واسطه (شی­گرا) و سیستم­های توزیع شده است. در معماری مبتنی بر اجزا عملکرد کلی به کارهای کوچک­تری تقسیم شده و هر کار در یک جزء بسته­بندی می­ شود. یک سیستم توزیع­شده، تعمیمی از معماری مبتنی بر اجزا^[۸] است که به اجزایی که در موقعیت­های فیزیکی مختلف وجود دارند اشاره می­ کند. مهم­ترین مزیت معماری مبتنی بر اجزا سهولت استفاده مجدد و نگهداری سیستم است. استفاده مجدد و تغییر هدف معمولاً مهم­ترین پیشران­های کسب­و­کارها جهت استفاده از این نوع معماری در دهه ۹۰ میلادی بوده است.
بر اساس منطق معماری مبتنی بر سرویس، سیستم­های نرم­افزاری بزرگ می­توانند از جمع­آوری مجموعه­هایی از عملکردهای مستقل و قابل استفاده مجدد تشکیل گردند. برخی از این عملیات­ها می­توانند از طریق سیستم­های موجود و یا سیستم­های دیگر فراهم گردند، اما سایر عملیات لازم باید پیاده­سازی شوند. هر سرویس امکان دسترسی به مجموعه خوش­تعریفی از عملیات را می­دهد. سیستم به عنوان یک کل، به صورت مجموعه ­ای از تعاملات بین این سرویس­ها طراحی می­ شود. معماری مبتنی بر سرویس، سرویس­هایی را که سیستم از آنها تشکیل شده را تعریف و تعاملات لازم بین سرویس­ها جهت ارائه رفتار مشخص را توصیف می­ کند و در نهایت سرویس­ها را به یک یا چند پیاده­سازی در تکنولوژی­های خاص تصویر می­ کند. معماری سرویس­گرا مبتنی بر استفاده از اشیاء و اجزای توزیع شده است و قدم تکاملی بعدی در محیط­های محاسبه­ای است ]۴[.
۲-۴ معماری ابر
شکل ۲-۲ نشان­دهنده یک مدل مرجع برای محاسبات ابری است. همانطور که در شکل مشاهده می­ شود چهار لایه در این مدل وجود دارد که در ادامه توضیح داده شده ­اند.
در پایین­ترین سطح، منابع فیزیکی مثل کلاسترها، مرکز داده ­ها و منابع ذخیره­سازی قرار دارند.
در بالای این سطح، زیرساخت فناوری اطلاعات مستقر شده و مدیریت می­ شود. زیرساخت فیزیکی به ­وسیله میان­افزار هسته­ای که هدفش فراهم کردن یک محیط با زمان اجرای مناسب برای ابزارها و به­کار­گیری مناسب منابع فیزیکی است مدیریت می­ شود. زیرساخت فیزیکی و میان­افزار هسته ارائه­دهنده بستری هستند که ابزارهای کاربردی در آن مستقر می­شوند.
بستر فراهم شده در لایه دوم از طریق یک میان­افزار سطح کاربر در دسترس قرار می­گیرد. میان­افزار سطح کاربر مثل Web2.0 محیط­ها و ابزارهایی برای ساده­سازی استقرار و توسعه ابزارهای کاربردی در را ابر فراهم می­ کنند.
در بالاترین سطح، ابزارهای کاربردی قرار دارند که کاربران از طریق آنها با ابر در تعاملند.
۲-۵ مدل­های سرویس­دهی در ابر
اصطلاح سرویس در محاسبات ابری به معنای توانایی استفاده از مؤلفه ­هایی با قابلیت استفاده مجدد از طریق شبکه فروشنده است. در محاسبات ابری این اصطلاح به صورت “به عنوان سرویس^[۹]” شناخته شده است. در ابر سه مدل سرویس­دهی وجود دارد که در ادامه شرح داده شده ­اند.
نرم­افزار به عنوان سرویس^۲: در این مدل یک ابزار­کاربردی کامل به عنوان یک سرویس و بر حسب تقاضا به مشتری تحویل داده می­ شود، به عبارت دیگر یک نمونه از ابزارکاربردی روی سرور اجرا شده و چندین کاربر سرویس­دهی می­شوند. بنابراین مشتری­ها نیاز به سرمایه ­گذاری اولیه برای سرورها و نیز دریافت مجوز نرم­افزار ندارند و برای فراهم­کنندگان نیز هزینه کاهش می­یابد، چرا که فقط نیاز به نصب و نگهداری یک ابزار دارند. Zoho و Gmail نمونه­هایی از SaaS هستند.
بستر به عنوان سرویس۳: در اینجا یک لایه از نرم­­افزار یا محیط توسعه کپسوله شده و به عنوان یک سرویس تحویل داده می­ شود. مشتری می ­تواند ابزارهای کاربردی خودش را ایجاد کند و آنرا روی بستر فراهم­کننده اجرا کند. به منظور برطرف کردن نیازهای قابلیت مدیریت و قابلیت مقیاس­­پذیری ابزارهای کاربردی، فراهم­کنندگان PaaS ترکیبی از پیش­تعریف شده از سیستم­عامل و سرورها را پیشنهاد می­ دهند، مثل بستر LAMP که ترکیبی از PHP، MySQL، Apache و Linux است. در این نوع خدمات برای مشتری این امکان که بتواند برنامه ­های کاربردی ساخته شده یا خریداری شده توسط خود را بر روی بستر ابر قرار دهد فراهم شده است. مشتری بر روی ابزار­ کاربردی خودش کنترل دارد، اما روی شبکه، سرورها و منابع ذخیره­سازی کنترلی ندارد. Azure و Googlemap نمونه­هایی از PaaS هستند.
شکل ۲-۲: مدل معماری مرجع محاسبات ابری ]۳[.
زیرساخت به عنوان سرویس (سخت­افزار به عنوان سرویس^[۱۰]): زیرساخت به عنوان سرویس منابع ذخیره­سازی و قابلیت ­های محاسباتی را به عنوان سرویس­های استاندارد شده از طریق شبکه تحویل می­دهد. سرورها، سیستم­های ذخیره­سازی، تجهیزات شبکه و فضای مرکز داده مجتمع شده و برای مدیریت بارکاری در دسترس قرار می­گیرند. مشتری نرم­افزار خودش را روی زیر ساخت مستقر می­ کند و در این حالت می ­تواند علاوه بر ابزار خودش بر روی شبکه و منبع ذخیره­سازی کنترل و مدیریت داشته باشد. GridGo و TERA نمونه­هایی از IaaS هستند.
۲-۶ انواع ابرها
سازمان­ها و بنگاه­ها می­توانند ابرهای خصوصی^۲، عمومی^۳ و یا ترکیبی^۴ را برای استقرار ابزارهای کاربردی­شان انتخاب کنند. در ادامه این ابرها معرفی شده ­اند.
ابر عمومی: ابرهای عمومی تحت مالکیت شخص ثالث هستند و به ­وسیله آنها اجرا می­شوند، به عبارت دیگر همه مشتریان یک زیرساخت مشابه را با پیکر­بندی محدود، حمایت­های امنیتی و قابلیت دسترسی به اشتراک می­گذارند. تمام این متغیرها توسط فراهم­کنندگان مدیریت و حمایت می­شوند. یکی از مزایای ابرهای عمومی این است که ممکن است این ابرها از ابر یک بنگاه بزرگتر باشند، بنابراین توانایی فراهم کردن مقیاس­پذیری بر حسب تقاضا را دارند.
ابر خصوصی: ابر خصوصی به صورت انحصاری برای یک سازمان یا بنگاه ساخته می­ شود و بنابراین امنیت و کنترل بیشتری را نسبت به ابر عمومی فراهم می­ کند. دو نوع ابر خصوصی وجود دارد: ۱- ابر خصوصی داخلی^۵: در مرکز داده خود سازمان میزبانی می­ شود. این مدل فرایند استاندارد شده و امنیت بیشتری را فراهم می­ کند، اما از نظر سایز و مقیاس­پذیری محدودیت دارد و بخش فناوری اطلاعات سازمان باید هزینه­ های عملیاتی و هزینه­ های اولیه منابع فیزیکی را متقبل شود. این نوع ابر برای ابزارهای کاربردی که نیاز به کنترل و قابلیت پیکربندی کامل زیرساخت و امنیت دارند مناسب است. ۲- ابر خصوصی خارجی^۶: در این مدل، ابر خصوصی توسط یک فراهم­کننده به صورت خارجی میزبانی می­ شود، به­گونه ­ای که فراهم­کننده یک محیط ابری انحصاری را با تضمین “حفظ حریم شخصی” ایجاد می­ کند. این مدل برای بنگاه­هایی که نمی­خواهند یک ابر عمومی داشته باشند مناسب است.
ابرترکیبی: ترکیبی از حداقل یک ابر عمومی با حداقل یک ابر خصوصی را گویند. این ابرها دارای توانایی تکمیل و تقویت مزایای هر دو نوع ابر می­باشند، مثل تقویت منابع ابر خصوصی با منابع ابر عمومی برای مدیریت بارکاری غیر منتظره، افزایش مقیاس­پذیری ابر خصوصی و یا افزایش امنیت ابر عمومی.
۲-۷ مزایای محاسبات ابری
محاسبات ابری به عنوان یک پارادیم محاسباتی است که پس از محاسبات سودمند و محاسبات گریدی ظهور کرده است و دارای مزایایی است که به برخی از آنها در ادامه اشاره شده است.
روشی سریع­تر، آسان­تر و ارزان­تر برای استفاده و دسترسی به داده ­ها، ابزارهای کاربردی، بسترها و زیرساخت­ها.
کاهش هزینه: همانطور که گفته شد این مدل مبتنی بر “پرداخت در ازای استفاده” است و کاربران تنها در ازای منابعی که استفاده می­ کنند هزینه پرداخت می­ کنند، از ­اینرو نیاز به پرداخت هزینه اولیه و سرمایه ­گذاری برای نرم­افزار و سخت­افزار نمی ­باشد و کاربران نیازی به پیگیری به­روزرسانی نرم­افزارها، تهیه مجوز برای آنها و هزینه­ های نصب و نگهداری ندارند.
انعطاف­پذیری: سرعت تحویل سرویس­ها و محصولات برای بنگاه­ها بسیار مهم است، از اینرو باید به سرعت با تغییر شرایط کاری سازگار شوند. محاسبات ابری می ­تواند ابزارهای کاربردی مورد نیاز را به بنگاه­ها تحویل دهد و این نیاز آنها را برطرف کند.
امکان بدست­آوردن مشتریان جدید برای سرویس­های مختلف ارائه شده توسط فروشندگان (مزیتی برای فروشندگان).
ظرفیت ذخیره­سازی نامحدود: مرکزداده­ها و منابع ذخیره­سازی با حجم بسیار بالایی در اختیار کاربران قرار دارند.
افزایش قدرت محاسباتی: هنگامی که کاربری وارد یک محیط محاسبات ابری می­ شود صاحب قدرت همه ابر شده و به قدرت یک رایانه شخصی و یا شبکه سازمان محدود نمی­ شود و می ­تواند وظیفه­ها و محاسبات بسیار بزرگی را انجام دهد.
دسترسی جهانی به اسناد: با محاسبات ابری مجموعه کاری هر شخص همواره همراهش است و در ابر موجود است و فقط کافی است از طریق اینترنت به ابر متصل شود.
با محاسبات ابری فراهم­کنندگان سرویس­ها از آسان­شدن نصب، نگهداری و کنترل متمرکز نسخه­های مختلف نرم­افزارها بهره­مند می­شوند و کاربران می­توانند در هر زمان و هر مکان به داده ­ها و سرویس­ها دسترسی داشته باشند، داده ­ها را به اشتراک بگذارند و آنها را به صورت امن­تری در زیرساخت ذخیره کنند. هدف ابر این است که مرکز داده ­های نسل بعد را به عنوان شبکه­ ای از سرویس­های مجازی­شده معماری و طراحی کند تا کاربران بتوانند ابزارها را مستقر کرده و به آنها از هر مکانی و در هر زمانی دسترسی یابند. محاسبات ابری باعث می­ شود شرکت­های فناوری اطلاعات به جای تمرکز بر روی خرید وتنظیم سخت­افزار، نرم­افزار، بستر و زیرساخت مورد نیاز بر روی اهداف استراتژیکشان تمرکز کنند.
۲-۸ نقاط ضعف محاسبات ابری
محیط­های محاسبات ابری دارای مزایای بسیاری هستند که به برخی از آنها اشاره شد، اما هنوز هم موضوعاتی وجود دارد که مانع از پذیرش گسترده آن شده است. به برخی از نقاط ضعف این محیط­ها در ادامه اشاره شده است.
امنیت داده: بسیاری مشتریان تمایلی به قرار دادن داده­هایشان در ابر ندارند و ترجیح می­ دهند داده ­ها به صورت محلی ذخیره شوند، از اینرو باید از نظر امنیت تضمین­هایی از سوی فراهم­کنندگان ابر به آنها داده شود.
تأخیر: از آنجاییکه از طریق اینترنت با ابر ارتباط برقرار می­ شود باید لینک­های ارتباطی بسیار قوی و بدون تاخیر فراهم شوند. این موضوع به خصوص برای ابزارهای کاربردی بلادرنگ بسیار مهم است.