Learning Objectives
- 說出雲端運算的意思，以及 NIST 定義的五個基本特性
- 說明虛擬化怎麼把一台實體主機分給很多使用者，分辨虛擬機與容器
- 分辨 IaaS、PaaS、SaaS：各自由誰管理哪一層
- 分辨公有雲、私有雲、混合雲與社群雲
- 解釋彈性擴展（水平與垂直）與「用多少付多少」的計價方式，以及使用雲端要注意的事
選課那天系統為什麼會塞爆
選課開放的那一刻，幾千人同時按下「加選」，系統變得很慢甚至打不開；過了幾天，同一套系統幾乎沒人用。 如果學校為了那幾個小時買足夠多的伺服器，一年裡大部分時間它們都閒著；買得不夠，選課當天就會出問題。
雲端運算（cloud computing）的想法是：運算資源不一定要自己買、自己顧，可以向別人租，需要多少就租多少，用完就還。 你的照片自動備份、線上文件、影音串流，背後都是這樣運作的。
美國國家標準與技術研究院（NIST）在 2011 年的文件 SP 800-145 裡，給了雲端運算一個常被引用的定義，包含五個基本特性：
| 基本特性 | 意思 | 生活化的說法 |
|---|---|---|
| 隨選自助服務（on-demand self-service） | 自己在網頁上點一點就能開機器，不必找業務人員 | 像自助點餐 |
| 廣泛的網路存取（broad network access） | 透過網路、用各種裝置都能使用 | 手機、筆電都連得上 |
| 資源共享（resource pooling） | 服務商的大量硬體由很多客戶共用，動態分配 | 同一棟機房裡，你的虛擬機旁邊可能是別家公司的 |
| 快速彈性（rapid elasticity） | 資源可以快速增加或減少 | 選課當天加機器，隔天減回來 |
| 可量測的服務（measured service） | 用了多少都被計量，可以依用量計費 | 像水電費 |
這一課要回答：一台實體主機怎麼分給很多人用、租的時候「你管什麼、服務商管什麼」、雲有哪幾種部署方式，以及彈性擴展與計價怎麼運作。
虛擬化：一台實體主機切成很多台
雲端能「出租」運算資源，靠的是虛擬化（virtualization）：用軟體把一台實體主機的 CPU、記憶體、儲存空間切開， 讓好幾個彼此隔離的環境同時在上面執行。
- 虛擬機（virtual machine，VM）：由虛擬化管理程式（hypervisor）模擬出一台完整的電腦，每台虛擬機都有自己的作業系統。 你在雲端租一台 Ubuntu 主機，拿到的通常就是一台虛擬機。
- 容器（container）：多個應用程式共用主機的作業系統核心，每個容器只帶自己需要的程式與函式庫，所以更輕、啟動更快；但隔離程度不如虛擬機。
| 由下往上 | 虛擬機 | 容器 |
|---|---|---|
| 最底層 | 實體主機 | 實體主機 |
| 第二層 | 虛擬化管理程式（hypervisor） | 主機作業系統（所有容器共用核心） |
| 第三層 | 每台虛擬機各有一份作業系統 | 容器引擎（例如 Docker） |
| 最上層 | 每台虛擬機裡的函式庫＋應用程式 | 每個容器裡的函式庫＋應用程式 |
虛擬化讓服務商可以把很多客戶放在同一批硬體上（資源共享），也可以在幾分鐘內幫你開出新機器（隨選、快速彈性）。
服務模型：IaaS、PaaS、SaaS
向雲端租資源，可以租到不同的「高度」。從下往上，一台能執行網站的電腦有這些層：
資料與帳號權限
應用程式（你的網站、程式）
執行環境（Python、資料庫軟體）
作業系統
虛擬化
實體硬體、網路、機房
租的層次越高，你要管的越少，能自訂的也越少：
| 服務模型 | 服務商提供 | 你要管 | 例子 |
|---|---|---|---|
| IaaS（基礎設施即服務） | 機房、硬體、網路、虛擬化 | 作業系統以上：安裝更新、防火牆、軟體、程式、資料 | 租一台雲端虛擬機，自己裝 Ubuntu 與網頁伺服器 |
| PaaS（平台即服務） | 再加上作業系統與執行環境 | 自己的程式與資料 | 把寫好的程式上傳到應用程式平台，平台幫你執行、擴展 |
| SaaS（軟體即服務） | 整套軟體 | 自己的資料與帳號權限 | 線上文件、雲端信箱、線上試算表、學校的學習平台 |
自己買伺服器放在自己的機房，叫地端（on-premises），全部都要自己管。
不管是哪一種模型，資料與帳號權限永遠是你的責任：服務商顧好機房與系統，但把檔案設成「任何人都能看」、密碼外洩，仍然是使用者這一端的問題。 這種「各管一部分」的分工常被稱為責任共擔（shared responsibility）。
部署模型：公有雲、私有雲、混合雲
「雲」不一定在別人的機房。依照誰可以使用、設備屬於誰，NIST 分成四種部署模型：
| 部署模型 | 誰可以使用 | 例子 |
|---|---|---|
| 公有雲（public cloud） | 開放給任何付費客戶，大家共用服務商的設備 | 大型雲端服務商提供的虛擬機、儲存、資料庫服務 |
| 私有雲（private cloud） | 只給單一組織使用，可以自建，也可以委託別人代管 | 學校或醫院在自己的機房，用虛擬化平台提供校內單位自助開機 |
| 社群雲（community cloud） | 幾個需求相近的組織共同使用 | 數個研究機構共用一套運算平台 |
| 混合雲（hybrid cloud） | 兩種以上組合起來，資料與工作可以在之間移動 | 敏感的個人資料留在私有雲，對外的網站放在公有雲，尖峰時把運算移到公有雲 |
選擇時常考慮的因素：
- 資料放在哪裡：個人資料、病歷、研究資料可能有法規或合約限制，要知道資料存放在哪一個國家或地區
- 成本與彈性：公有雲不必先買設備、可以隨時增減；用量長期穩定且很大時，自建不一定比較貴
- 控制權：私有雲可以自己決定硬體與安全設定，但也要自己顧
想一想：服務模型與部署模型
一門課的同學要一起編輯同一份線上試算表，打開瀏覽器就能用，不必安裝也不必管伺服器。這屬於哪一種服務模型？
你在雲端租了一台虛擬機，自己安裝 Ubuntu 與網頁伺服器。作業系統的安全性更新應該由誰負責？
一家醫院把病歷資料庫放在自己機房的虛擬化平台，對外的掛號網站放在公有雲。這是哪一種部署模型？
彈性擴展：流量來了加機器，走了減機器
伺服器忙不過來時，有兩種擴展方式：
| 方式 | 做法 | 特點 |
|---|---|---|
| 垂直擴展（scale up） | 換一台更強的機器：更多 CPU、更多記憶體 | 程式不用改；但單台機器有上限，換機器時常要停機 |
| 水平擴展（scale out） | 多開幾台一樣的機器，前面放負載平衡器分配請求 | 幾乎可以一直加；程式要設計成多台一起跑也沒問題 |
雲端最常用的是自動擴展（auto scaling）：設定一條規則，例如「平均 CPU 使用率連續一段時間超過 70% 就加一台，低於 30% 就減一台」， 由系統依實際流量自動增減。尖峰時多開幾台撐住，離峰時減少台數，不必一直為了最忙的那幾個小時付錢。
用多少付多少：計價方式與要注意的事
雲端的計價方式像水電費：依用量計算（可量測的服務）。常見的計價單位：
| 資源 | 怎麼計 |
|---|---|
| 虛擬機 | 依規格（CPU 核心數、記憶體）× 開機的時間；關機通常就不計運算費用，但磁碟仍持續計費 |
| 儲存空間 | 依存放的容量 × 時間 |
| 網路流量 | 常常是傳出雲端的流量另外計費 |
| 按次計價（無伺服器） | 不必開一台一直待命的機器，依請求次數與實際執行時間計費；沒人使用時幾乎不花錢 |
好處是不必先花一大筆錢買設備，也不必猜未來的用量；但也有要注意的地方：
- 開著就計費：做完實驗忘了關機、忘了刪除不用的磁碟，月底會收到意外的帳單。多數服務商可以設定預算提醒。
- 費用不容易預估：流量暴增時費用也跟著增加；長期穩定的大量使用，租用不一定比自建便宜。
- 廠商綁定（vendor lock-in）：用了某家服務商特有的功能，日後要搬到別家就比較麻煩。
- 依賴網路與服務商：網路斷了、服務商出問題時，服務也跟著停；重要的系統會分散在多個區域備援。
價格會依服務商、區域、方案而不同，也常常調整，要以官方的計價頁面為準；學生方案與免費額度也常有變動。
想一想：擴展與計價
選課系統在選課當天多開了 5 台一樣的伺服器，由負載平衡器分配請求；選課結束後再減回來。這是哪一種做法？
同學在雲端開了一台虛擬機做期末專題，報告完一直沒關機也沒刪除。最可能發生什麼事？
重點整理
- 雲端運算是透過網路，依需要租用運算資源；NIST SP 800-145（2011）列出五個基本特性：隨選自助、廣泛網路存取、資源共享、快速彈性、可量測的服務。
- 虛擬化把一台實體主機切成多個隔離的環境：虛擬機各有作業系統，容器共用主機核心、更輕更快。
- 服務模型：IaaS 租到虛擬機（作業系統以上自己管）、PaaS 只管程式與資料、SaaS 直接用軟體；資料與帳號權限永遠是使用者的責任。
- 部署模型：公有雲、私有雲、社群雲、混合雲；選擇時考慮資料存放地點、成本、彈性與控制權。
- 擴展：垂直擴展換更強的機器，水平擴展多開幾台；自動擴展依流量自動增減。
- 計價：用多少付多少，開著就計費；注意意外帳單、費用預估、廠商綁定與對網路的依賴。
下一課：系統放上網路之後，要怎麼保護它？我們來看資訊安全：惡意程式、常見的攻擊、加密、雜湊與數位簽章。
想實際在雲端開一台虛擬機、把網站部署上線，可以接著上雲端軌；想學把程式打包成容器，可以接著上 Docker 軌。