雲端科技與教育應用淺談

楊政穎博士

臺北市立教育大學資訊科學系

102年元月

‧雲端概念

‧雲端發展

‧雲端運算的定義

‧雲端運算的特性

‧雲端運算的佈署

‧雲端運算的架構

‧教育雲的應用

‧雲端運算的優與憂

內容

‧雲端，無非是將資料放到遙遠的伺服器上，因為伺服器的容量相當大系統會自動備份，將所有的資料存放到硬碟裡去。(李家同)

‧「雲」即是我們最常使用的網際網路（internet）；「端」則是指使用者端（client）。

‧是一種基於網際網路的運算方式，通過這種方式，共享的軟硬體資源和信息可以按需提供給運算機和其他設備，整個運行方式很像電網。

‧『雲端運算（cloud computing）』(雲計算)，是一種基於網際網路的運算服務模式，是一種透過網際網路上異構、自治的服務為企業、組織或個人使用者提供按需即取的電腦運算能力、軟體以及虛擬硬體資源的資訊網路服務與科技趨勢。

雲端概念 (1/3)

‧雲端運算最簡單的意涵，就是將運算能力提供出來作為一種服務，其基本概念是將運算分拆成千百個較小的作業，交給遠端、多台的伺服器同時運算。

‧雲端運算並非全新的網路技術，它是一種全新的網路應用整合概念，Richard Stallman指出「在過度的包裝下，雲端根本就是將我們之前做過的所有事情包裝起來」。

‧以網際網路為中心，在網站上提供快速且安全的網路運算服務與資料儲存，讓任何一個使用網際網路的人都可以使用網路上的龐大運算資源與資料中心的想法，就是雲端運算的核心概念。

雲端概念 (2/3)

雲端概念 (3/3)

圖 1 雲端運算應用概念 (salesforce.com)

‧雲端運算的起源可先從超級電腦（super computer） 的發展與網際網路講起。1960年代，為了滿足大量運算處理的需求，需要大型伺服器提供24小時、365天全天運作的能力，以及超大的儲存空間，因此產生了超級電腦。

雲端發展(1/6)

圖 2 Cray II, 1985年至1989年時全球最快電腦

‧到了90年代陸續發展出分散式運算（distributed computing）、網格運算（grid computing）、叢集運算(cluster computing ） 和 公 用 運 算 （ utility computing）等概念。這些概念主要都是透過一台以上的主機，藉由網路的連結而整合原先各自獨立的運算資源，以加速網路服務的運作，進而提升各種工作任務的效能。

雲端發展(2/6)

圖 3 美國NASA所建置的分散式運算伺服器群集

雲端發展(3/6)

圖 4 網格運算概念圖

雲端發展(4/6)

圖 5 Google以叢集運算技術所建置的伺服器群集

‧第一代的網際網路從1960年代，由美國軍方漸次發展到科研、學術界、大型企業。1990年代後，以數據機撥接上網，網路連線速度（最高56Ｋbps）相當有限。

‧第二代的網際網路發展於1990年代到2000年初，寬頻網路發展迅速，網路連線速度提升，各種web網頁資訊與電子商務應用服務大量出現，例如eBay與Amazon等，而Yahoo!、Google、Bing與百度等入口網站與網路搜尋也因應而生。

雲端發展(5/6)

‧第三代的網際網路，大型網路服務公司為了服務激增的網路人口所建置的龐大伺服器群蘊藏了強大的運算能力與儲存資源，開始提供給一般企業、組織與民眾。只需要使用任何具備網頁瀏覽器功能的裝置就可以快速地應用，所有的軟體運算與儲存都在網路上進行，這種新型網路應用概念，就是『雲端運算』。

雲端發展(6/6)

圖 6 雲端運算概念圖

雲端運算的定義(1/2)

• 對「雲端計算」的定義 ，Gartner（2008）指出，第一種叫「雲端服務」(cloud computing services) ，專注在於藉由網路連線從遠端取得服務。第二種叫「雲端技術」(cloud computing technologies)專注在於利用虛擬化以及自動化等技術來創造和普及電腦中的各種運算資源。

• 美 國 商 業 部 NIST(National Institute of Standards and Technology) （2011）定義雲端為一個不受地限、隨需方便使用的電腦資源。其具備隨需自助服務、任何網路裝置存取、共享資源、快速重新佈署、可被監控與量測的服務等特性，具有公用雲 、私有雲 、混合雲 及社群雲等四種佈署模型，提供軟體即服務 (SaaS) 、平台即服務(PaaS)及基礎架構即服務 (IaaS)等三種服務模式。

雲端運算的定義(2/2)

廠商/研究機構

定義描述

Gartner雲端運算是一種具備大量且可擴充之IT相關能力的運算方式，透過網際網路技術並以服務的形式(provided as a service)提供給外部的使用者。

NIST

雲端運算是一個方便靈活的計算模式，它是按需求，透過網路訪問和使用的共用計算資源（例如，網路，伺服器，儲存，應用程式服務），它以用最少的管理付出，與服務供應商有最少的交互的前提下，可以達到將各種計算資源迅速的配置和推出。

IDC 雲端運算是一個具有高度彈性及延展性的運算中心，可以提供使用者所需要的應用程式，並可依據資源使用的多寡來收費。

Forrester 雲端運算是一種即時的IT能力運算網路平台，可透過網際網路被申請、供應、傳遞與消費。

Google 雲端運算即為所需要的應用軟體與資源都在網際網路中，可以透過任何裝置上的瀏覽器取得。

IBM雲端運算是一種運算方式，運算資源是動態易擴充且虛擬的，往往透過網際網路提供。使用者不需要了解雲端中基礎建設的細節，不須具備相對應的專業知識，也無需直接進行控制。

表1 運端運算的定義

雲端運算的特性(1/5)

• 所有的硬體與軟體都是資源，相互組合後可以客製化服務的方式提供給使用者（Resource Pooling) 。

• 服務的資源可以依據使用者的需求進行動態擴展和配置（on-demand services & elasticity）。

• 不論服務的資源實際來自一個地點或分散在多個不同地點，最後都彙集成單一、整體的方式供使用者在任何地點運用（ubiquitous network access）。

• 使用者依照需求使用雲端運算的服務，然後按實際使用次數、使用量，或是使用時間付費。

NIST認為雲端具有五大基礎特性

• 隨需自助服務 (On-demand self-service)• 任何網路裝置存取 (Broad network access)• 共享資源 (Resource pooling)• 快速重新佈署 (Rapid elasticity)• 可被監控與量測的服務 (Measured Service)

對使用者而言，由於虛擬化技術快速部署資源獲得服務；減少使用者終端的處理負擔；降低了對IT專業知識的依賴。

雲端運算的特性(2/5)

雲端運算的特性(3/5)

Google認為雲端運算具有以下的特性：

數據存在雲端：資料不放在單機。軟體存在雲端：軟體的提供方式改變，連上internet即可

使用，例如：Google Doc。基於公開的標準協定：open source project，例如：Linux、Ajax、LAMP。任何裝置都可以連上雲端：例如：Mobile Device, Cellular

phone、Pad、Notebook。

雲端運算服務的非常顯著特性：

‧高通用性與高延展性。

‧快速佈署靈活度與虛擬化。

‧高可靠性。

‧可衡量、可被監控、與量測、計價的隨需服務。

‧成本低廉。

‧多人共享資源池，輕鬆實現不同設備間的資料共享。

‧雲端運算對用戶端的硬體設備要求低且不限制使用地點

。

雲端運算的特性(4/5)

雲端運算的特性(5/5)

圖 7 雲端運算的特性

根據NIST的定義，如果從雲端運算服務提供者與服務使用者的角度，雲端運算有四種佈署模型：

公共雲（Public cloud)，以中小企業為主要客戶。

私有雲（Private cloud)，以大型企業為主要客戶。

混合雲（Hybrid cloud)，根據動態計算需求調用資源。

社群雲（Community cloud)，以學術服務為主。

雲端運算的佈署(1/7)

圖 8 雲端運算的四種佈署模型

以大型企業為主要客戶

Enterprise iskey market

私有雲端Private Cloud

Public Cloud公用雲端

Target Marketis S.M.B.

主要客戶為中小企業

HybridCloud

Dynamic Resource Provisioningbetween public and private cloud私有雲端動態根據計算需求

調用公用雲端的資源

Community Cloud

社群雲端

Academia 學術為主

雲端運算的佈署(2/7)

雲端運算的佈署(3/7)

公共雲（Public cloud)

公共雲或稱公有雲，是指在網際網路上將雲端服務公開給一般大眾使用的一種外部雲端（external cloud），任何有網際網路存取權的人都可使用，只要上網註冊就可以使用，屬於公開型的雲端運算服務，主要以服務中小企業或個人為主。

使用公共雲的優點：低成本（甚至免費）、容易存取。具備彈性與伸縮性，可依照需求，使用不同的應用程式。使用者僅需付出時間與少許電費成本即可獲取網路服務。

雲端運算的佈署(4/7)

私有雲（Private cloud)

私有雲是一種內部雲端服務，為單一組織所有，以大型企業為主要客戶。一般由企業自行建置於公司內部的雲端運算環境，僅提供給該企業內部使用，不對外部企業營業。廣義的私有雲服務則可以透過使用公司內部的專有網路或虛擬私人網路（VPN）的方式連接私有雲，將外部資源變成企業內部資源。

使用私有雲的優點：導入虛擬化、節省IT投資預算、環保節能實現集中化的軟硬體管理、人力雇用精簡部分開放（成為混合雲），可另闢新的商業營利機會。

雲端運算的佈署(5/7)

混合雲（Hybrid cloud)

混合雲是公共雲和私有雲的混合模式，是介於公共雲與私有雲之間的變形應用，以私有雲為主，根據動態需求調用公共雲端的資源，可以同時享有兩者的優勢、擁有更彈性的選擇。

使用混合雲的優點：降低成本、減少耗能精簡資訊科技人事可以協助企業透過靈活運用內部及外部的IT資源。

雲端運算的佈署(6/7)

社群雲（community cloud)

社群雲以社群為發展對象，由幾個組織共享的雲端基礎設施，它們支持特定的社群，有共同的關切事項，例如使命任務、安全需求、策略與法規遵循考量等。管理者可能是組織本身，也能是第三方；管理位置可能在組織內部，也可能在組織外部。目前以學術社群為主。

使用社群雲的優點：參與的組織可以擁有使用公共雲的好處，如多租戶的計費。使維持高水準的隱私，安全和政策合法性與私有雲相同。經營與維護，可由參與組織或由第三方管理商提供服務。

雲端運算的佈署(7/7)

圖 9 社群雲基礎架構

雲端運算的架構(1/6)

雲端運算概念結合了網格運算、公用運算和軟體服務等技術，技術面主要包含三個層面：

硬體層（Physical Hardware）經由虛擬化彈性、靈活的調整平台，以提高資源利用率；而雲端運算的重點在於虛擬化環境以及雲端防護和管理等兩大層面。

虛擬化環境（Virtualization Environment）虛擬環境下，運算環境可動態佈建，適應各種不同的需求。

雲端佈建和管理(cloud provisioning and management）包含自動防護、預訂和行程、變更管理、監控、效能規劃。

圖 10 雲端運算的架構

雲端運算的架構(2/6)

應 用

E n t e r p r i s e

程 式 語 言

W e b 2 . 0

控 制

Q o S C o n t r o l

虛 擬 化

V M M a n a g e m e n t , D e p l o y m e n t

硬 體 設 備

I n f r a s t r u c t u r e

U s e r - L e v e l

M i d d l e w a r e

C o r e M i d d l e w a r e

S y s t e m - L e v e l

I a a S

P a a S

S a a S

雲端三種服務模式

‧軟體即服務(Software as a Service; SaaS) ‧平台即服務(Platform as a Service; PaaS)‧基礎架構即服務(Infrastructure as a Service;IaaS)

圖 11 雲端運算的服務模式

雲端運算的架構(3/6)

軟體即服務(Software as a Service; SaaS)SaaS是一種服務觀念的基礎，軟體服務供應商，以租賃的概念提供客戶服務，而非購買，比較常見的模式是提供一組帳號密碼。該服務軟體是安裝於集中式的網絡伺服器並確保在網際網路或者區網內執行其功能。目前已有許多SaaS服務，如Google Apps與Saleforce.com。採用P2P技術的Skype、趨勢科技的雲端防毒，以及YouTube、Facebook、Twitter等 Web應用程式。在儲存方面，如Amazon CloudFront及微軟Live Mesh，皆屬於採用分散式雲端儲存技術的SaaS服務。以CRM的SAAS應用實例中，SaaS是非常有效的降低成本的solution，因為它比直接購買與安裝應用程序的成本便宜得多，SaaS的用戶可以不必擔心日後所有的安裝或升級問題。

雲端運算的架構(4/6)

例如：

Google Apps (Gmail, Google Docs, Google Calendar, Google Talk, Google Groups, Google Site, Google Video…)

Windows Azure, VMware vSphere 4, Google Chrome OS, eyeOS, Glide OS, Online Operation System, OOS, Cloudo, …

Google Merchant Center, Dropbox, …

Microsoft Office Live, Zoho, …

雲端運算的架構(4.1/6)

雲端運算的架構(4.2/6)

圖 11.1 ZeroPC

雲端運算的架構(4.2/6)

Name Browser support Developer Engine Free License 3rd party

applicationsProductivity Suite

Graphical user

interface

Downloadable to

Web server

Still

Active

appFlower

IE6/7/8,

Firefox3/4/5,

Safari, Opera,

Chrome

AppFlower ApSappFlower based

on PHP + AJAX Yes

Open

Source:

GPLv3

Yes Yes Customizable No

Yes

Feb-2012

ZeroPC

IE 8/9, Firefox

v12.0+, Chrome,

Safari

ZeroDesktop,

Inc.

HTML / HTML5,

Javascript, Java

Applet, AJAX

Yes Proprietary Yes

Thinkfree Office,

Cloud Storage

Mashup, IM

Windows-like No Yes

DesktopTwo IE7 Sapotek Flash Yes

(Beta)

Open Source

AGPL Yes OpenOffice Mac+Windows-like No No

eyeOS

IE7/8, Firefox3,

Safari, Opera,

Chrome

eyeOS Team PHP + AJAX No Proprietary Yes Yes Customizable Yes Yes

G.ho.st

IE6+, Firefox2+,

Safari. Partial:

Chrome & Opera

Ghost Inc

("G.ho.st")

Flash + AJAX

(mobile version is

WAP)

No Proprietary Yes

Yahoo! Zimbra,

Zoho, Google Docs,

ILoveIM

Windows-like No No

Glide OS IE7, Firefox 3,

Safari, Chrome TransMedia HTML5

Yes (30

GB

limit)

Proprietary From Glide

Community

Glide Write, Glide

Presenter, Glide

Crunch, Photo Editor,

Email

Mac+Windows-like No Yes

Nivio IE7, IE8, Google

Chrome, FF 4

Sachin Dev

Duggal, Saurabh

Dhoot

In development No Proprietary Yes Yes Windows No Yes

Online OS FF 1.5 and higher,

IE7

iCUBE Network

Solutions Java + Ajax Yes Proprietary Yes Yes Windows-like No Yes

Oracle Secure

Global Desktop

Any browser with a

JRE Oracle AIP No Proprietary Yes Yes Customizable No Yes

VMware ViewIE, Firefox, Safari,

Opera, Chrome VMware

PCoIP, RDP,

HTML5 No Proprietary Yes Yes Customizable No Yes

雲端運算的架構(5/6)

平台即服務(Platform as a Service; PaaS)PaaS是指提供了一個資訊開發人員的平台。終端用戶編寫自己的程式碼於PaaS的提供商上傳的介面或API服務，並在網絡上服務。如SalesForce.com的Force.com。 PaaS提供服務，測試，部署和維護應用程序的主機在相同的集成開發環境。提供了一種更快，更有效的模型的應用開發和交付。 基本上有四種類型的PaaS- 社交應用平台，原計算平台，網絡應用平台和業務應用平台。 Facebook是一個社交應用平台類型，其中第三方可以編寫新的應用程序提供給最終用戶。SalesForce.com CRM提供的業務應用平台。開發人員可以上傳和執行他們的應用程序在Amazon的基礎設施，就是一個計算平台。Google提供的API來構建 Web應用程序開發為網絡應用平台。

例如：

Google App Engine (Python and Java)

Microsoft Azure (.NET)

Salesforce force.com (Apex)

VMware OpenPaaS (Java)

VMForce

雲端運算的架構(5.1/6)

基礎架構即服務(Infrastructure as a Service;IaaS)IaaS是交付的資訊基礎設施作為一個完全外包服務，像是網站代管(Management Service Provider)的進階版。提供基礎設施服務像是Google，IBM，Amazon.com等，透過主機託管，提供IaaS的服務項目。用戶可以根據需求購買基礎設施的服務，概念上只有使用者在特定時間付費，而非購買那些基礎設施，也有可能該服務屬於短期性、暫時性。IaaS的供應商是透過虛擬化提供客戶端服務，使承載的硬體效益更高，對用戶而言，享用企業級 IT基礎設施和資源，能夠降低成本並獲得卓越的IT資源，過去有時也被稱為硬體即服務（Hardware）。對於微型或中小型企業，其中最困難的事情要做的就是控制持續性的資本性支出。透過這些服務，中小企業能夠擁有使用企業級的硬體和數據中心。

雲端運算的架構(6/6)

例如：

Google

IBM (Blue Cloud)

Microsoft (MCloud)

HP (Hybrid Delivery, 2011; ClousStart, 2010)

Hinet (Hi-Cloud, StaaS, CaaS)

天河一號(103機櫃、6144 Intel CPU & 5120 AMD CPU)

VBlock (VMware, Cisco, EMC), Oracle (Exalogic Elastic Cloud), CISCO, Silicon Graphics (ICE Cube), Dell, …

雲端運算的架構(6.1/6)

‧教育雲教育雲是一個相當籠統的泛稱，指的是以雲端平台為核心，並將雲端概念應用在教育市場中的一項概念，因為目前只是一項概念，所以各家業者都在摸所有可能的營運方向與模式。由於教育屬於政府基礎義務的一環，只要政府單位有相關政策需要落實，自然就會降低使用者接受度的門檻。不過面對各地政府有意將數位化、雲端化的學習方式導入基礎教育的核心中，也不免令部分人士擔心，教育雲的概念在興起後，是否有可能會造成進一步的資訊落差，以及有關新科技對使用者今後在社交能力上所造成的影響。

教育雲的應用 (1/7)

‧教育雲 in Taiwan「教育雲」的作法，是建立擴展性的雲端運算技術平台，亦是一個資訊共享的平台，目前仍屬於測試階段，尚未普及化，初步做法是將課程、教學和評量相關資料存放在雲端，然後透過雲端存取技術，經網路連接到教室內電腦的一套系統，藉助雲端桌面服務的方式，協助教師教學和和學生學習。(吳清山)教育雲，將是新興教育產業，透過教育雲的使用，未來逐步朝向三端發展—即遠端教學、雲端資源與尖端學習。目前包括台北市、新北市、台南、彰化等地，也都有與教育雲相關的試點運行正在進行中，如台北市（民生國中、仁愛國中) 、新北市(金山國小) 、新竹縣(雲端學園)及台南(學甲國小) 。

教育雲的應用 (2/7)

教育雲的應用 (3/7)

圖 12 台灣的k–12教育雲

‧Taiwan,經濟部2010雲端運算產業發展方案透過單一簽入(SSO)、虛擬機房、安全高速且無所不在之網路環境構築完善的雲端基礎環境；以Edu.Apps 概念推動 5i （ internet 、 interactive 、 integrate 、incentive、innovative）服務模式，達以學習者為中心之學習環境並降低成本；整合現有數位學習資源、電子書、電子書包等。國民教育預估有350萬的學生，因發展教育雲端服務，縮減城鄉數位落差。可支持教育、公益或商業用途數位內容與軟體快速流通，普及提升教育水準，更可以進一步拓展到家庭、社會等普及大眾的文化創意資訊應用，提升全民文化水準。

教育雲的應用 (4/7)

‧Taiwan,教育部2009推動電子書包計畫學生透過網路連線方式，與老師在校園內隨時移動式學習，未來的教學環境將發展成為虛擬數位化教育環境，藉由雲端科技建構一個教材共享教育平臺。

‧Taiwan,2012-2014教育雲端應用整合數位教學資源 包括：線上字典、電子郵件服務雲端

化、教育人員線上學習服務、自由軟體線上平台、數位教學元件資源服務整合縣市共構雲端服務。

提供公平學習機會 包括：偏鄉課輔教學系統。社群服務互動平臺 包括：教育wiki服務。安全上網上網安全 包括：網路守護天使系統 、縣市網路

中心全自動化防禦。

教育雲的應用 (5/7)

‧Oversea, 教育雲

美國 2010起5年內，雲端運算及協同學習環境等應用將融入課堂教學。

阿根廷 2010起導入NEC雲端運算綜合教育系統 ，提供該國教育部及各學校電子信箱、資訊入口網站、線上教育等多種應用。

韓國 2008起電子教科書計畫，提供數位內容，學生以Fujitsu摺疊式電腦（Notebook)及Galaxy 平板使用電子教科書。

日本 2010起推動「Future School」計畫，運用平板電腦、電子書、電子教科書等ICT產品輔助協同教學。

教育雲的應用 (6/7)

‧ 教育雲於教學現場之使用教學者和學習者都使用終端設備，包括教學電腦和電子書包(或如即時反饋器等的個人學習裝置)；而雲的部分則負責連結學習者於不同時間點(包括課前、課中和課後)所需的學習素材與所產生的學習紀錄，以及教學者的教學內容。

‧ 教育雲於課程進行時之使用從教學的角度來看，教育雲在課前可讓老師獲取教學所需資源，進行課程結構與教材設計並和其他教師分享，課堂上可作為師生互動的資料彙整與教學紀錄平台，課後則能診斷分析學習結果，並據以自動化提供補救學習服務。

教育雲的應用 (7/7)

雲端運算的優與憂

‧使用雲端運算的優點降低成本、高度自動化、彈性、更高的行動力、移轉注意力焦點、快速應用、高效能的資源分配、普及性、高可用性、共享性高、提升工作效率、節能減碳效益

‧使用雲端運算的隱憂安全性的隱憂、個人隱私的保全、欠缺服務轉移的彈性、難以和內部IT整合、系統相容度、穩定性、雲端服務供應商問題、速度、智財權與軟體授權問題

Q&A

Thankscyang@tmue.edu.tw