Cloud-Computing-Architektur: Flexibilität, Design und Kosteneinsparungen

Im Vergleich zu einem klassischen hardwarebasierten Setup bietet eine Cloud-Computing-Architektur deutlich mehr Flexibilität, Designoptionen und Kosteneinsparungspotenzial. Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis: Eine Cloud-Plattform ist in der Regel komplexer zu verstehen und hat mehr bewegliche Teile als eine durchschnittliche on-premises physische Infrastruktur.

Dieser Artikel ist eine Einführung in die Cloud-Computing-Architektur und die Komponenten, die in einer Cloud-Umgebung zusammenwirken. Erfahren Sie, wie verschiedene Systeme im Tandem funktionieren, um eine funktionsfähige Cloud zu schaffen und Endnutzern on-demand IT-Ressourcen (Server, Apps, Datenbanken, Netzwerke etc.) bereitzustellen.

Cloud-Computing-Architektur erklärt

Cloud-Computing-Architektur bezeichnet den Mix aus Systemen und Technologien, die bei Integration eine IT-Infrastruktur schaffen, die on-demand Ressourcen über ein Netzwerk abstrahiert, poolt und teilt. Jede Cloud-Architektur hat zwei Hauptkomponenten:

• Frontend (für Endnutzer sichtbare Elemente wie Web-Apps, Browser, mobile Geräte, Benutzeroberflächen etc.)
• Backend (der „Cloud“-Bereich des Systems mit Datenspeicher, dedizierten Servern, Betriebssystemen, Sicherheitsmaßnahmen etc.)

Eine Cloud-Computing-Architektur erfordert zudem ein Netzwerk, über das Frontend und Backend kommunizieren. Die beiden Komponenten tauschen Daten meist über das Internet aus, es sei denn, ein Architekt bevorzugt ein privates Netzwerk (Standard bei Private- und Hybrid-Cloud-Architekturen).

Unabhängig vom Netzwerktyp muss die Kommunikationsebene zwischen Frontend und Backend folgende Eigenschaften aufweisen:

• Hohe Bandbreite
• Keine Latenz
• Hohe Verfügbarkeit
• Top-Netzwerksicherheit

Im Design-Kern ist Cloud-Computing-Architektur eine Mischung aus:

• Event-driven Architecture (EDA): Ein Software-Design, bei dem entkoppelte Services System-Events produzieren, erkennen und darauf reagieren
• Service-oriented Architecture (SOA): Ein System, in dem eine Reihe von Komponenten anderen Elementen über ein Kommunikationsprotokoll Services bereitstellt

Ein Unternehmen hat viele Gründe, eine Cloud-Computing-Architektur zu deployen, trotz der höheren Komplexität gegenüber On-Premises-Setups. Hauptgründe sind:

• Schnellere Time-to-Market
• Schnellere Ressourcen-Bereitstellung
• Echtzeit-Skalierbarkeit (hoch und runter)
• Nutzung cloud-nativer Lösungen (wie Kubernetes)
• Zuverlässigere Compliance durch bessere Datentransparenz
• Kosteneinsparungen (keine On-Premises-Hardware nötig, strikte Kontrolle der Ressourcennutzung)

Frontend der Cloud-Computing-Architektur

Das Frontend fungiert als Client in der Architektur und kommuniziert mit dem Backend über das Internet oder ein privates Netzwerk. Die Frontend-Komponente ist für Endnutzer sichtbar und ermöglicht den Zugriff auf die Cloud-Plattform.

Die zwei Hauptelemente des Frontends sind:

• Die App oder Software (typischerweise ein Webbrowser oder eine native App), die der Client für Zugriff und Interaktion mit der Cloud-Plattform nutzt. Die App oder der Browser hat ein dediziertes UI, das manche Cloud-Architekten als separates Frontend-Element betrachten
• Das clientseitige Gerät, über das der Nutzer sich mit Browser oder App verbindet und interagiert (Smartphone, Tablet, PC, Laptop etc.)

Frontend-Elemente sind verantwortlich für:

• Ermöglichen der Nutzerinteraktion mit der Cloud
• Senden von Anfragen an das Backend über die Middleware
• Anfordern von Services vom Backend
• Darstellen aller Cloud-bezogenen Informationen (Ressourcennutzung, Sicherheitsbedenken, Monitoring-Alerts, Nutzungsmuster etc.)

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil: Die Cloud übernimmt mehr Verarbeitung als das clientseitige Gerät – besonders nützlich für Remote-First-Teams und Unternehmen mit BYOD-Richtlinie.

Backend der Cloud-Computing-Architektur

In der Cloud-Computing-Architektur bezeichnet das Backend die Cloud selbst. Diese Komponente enthält diverse Systeme, Server und Speichereinheiten mit folgenden Schlüsselfunktionen:

• Ausführen cloud-bezogener Programme und Apps
• Bereitstellen von Funktionalität für das Frontend und Beantworten von Nutzeranfragen
• Deployen und Skalieren von Ressourcen
• Überwachen aller Operationen und Aktivitäten
• Schutz von Cloud-Daten und -Prozessen
• Verbinden aller Services und Apps
• Ausführen von Traffic-Control-Mechanismen
• Governance von Cloud-Protokollen

Der Cloud-Provider verwaltet die Backend-Komponente. Manche Unternehmen entwickeln und betreiben ihre Cloud jedoch selbst – dann wird das interne Team für Backend-Operationen verantwortlich. Ein Unternehmen kann Backend-Aufgaben auch zwischen internem und Provider-Team aufteilen (häufig in stark regulierten Unternehmen mit HIPAA- oder PCI-Compliance).

Während das Frontend nur eine UI mit Verbindung ist, verleiht das Backend der Cloud ihre primären Grundsätze:

• On-demand Ressourcen, die Nutzer ohne Provider-Hilfe konfigurieren können
• Fähigkeit für Client-Verbindung unabhängig vom Standort
• Ressourcen-Pooling für dynamische Multi-Tenant-Umgebungen
• Schnelle Elastizität für rasche Reaktion auf Verbrauchernachfrage
• Messbarer Service, der Endnutzern detailliertes Cloud-Nutzungsmonitoring ermöglicht

Das Backend hat mehr Komponenten und ist deutlich größer als das Frontend. Im Folgenden ein genauerer Blick auf jede Backend-Komponente einer Cloud-Computing-Architektur.

Application Layer

Wenn ein Endnutzer mit dem Frontend interagiert, empfängt der Application Layer des Backends die Anfrage und bearbeitet die Client-Requests. Dieser Layer hat mehrere zentrale Rollen:

• Bereitstellen von Zugriff auf Cloud-Services für Nutzer
• Verbinden von Backend und Frontend
• Beantworten von Frontend-Anfragen
• Koordinieren der Konsumentenbedürfnisse mit Backend-Ressourcen

Service Layer

Der Service Layer fügt dem Backend der Cloud-Computing-Architektur Nutzen hinzu. Diese Komponente handhabt jede Aufgabe und Anfrage über Services für Datenspeicher, App-Entwicklungsumgebungen, Web-Services etc.

Services können vielfältige Aufgaben in einer Cloud-Runtime ausführen. Die Art der nutzbaren Services hängt vom Bereitstellungsmodell ab. Es gibt drei Hauptliefermodelle:

• Infrastructure as a Service (IaaS): IaaS bietet Zugriff und Kontrolle über Cloud-Architektur-Ressourcen (Datenspeicher, Server, Netzwerkinfrastruktur, VMs etc.)
• Software as a Service (SaaS): SaaS ermöglicht Clients, Applikationssoftware in der Cloud zu hosten. Im SaaS-Modell übernimmt der Provider alle Upgrades und Entwicklung, der Vendor wartet die zugrundeliegende Infrastruktur
• Platform as a Service (PaaS): PaaS stellt Nutzern eine on-demand Plattform für Softwareentwicklung bereit. Provider hosten den kompletten Technologie-Stack und Toolset, aber der Nutzer übernimmt Softwareentwicklung, App-Management und Updates

Liefermodelle sind nicht mit Cloud-Bereitstellungsmodellen (wie Hybrid, Community oder Multi-Cloud) zu verwechseln. Während das Liefermodell die Art der nutzbaren Services bestimmt, definiert das Bereitstellungsmodell die Art der Cloud.

Middleware

Middleware bezeichnet Software-Komponenten, die vernetzten Geräten und Apps die Kommunikation ermöglichen. Diese Komponente ist verantwortlich für Verbindungen zwischen:

• Apps
• Services
• Runtime-Clouds
• Speichereinheiten
• Infrastruktur-Geräten
• Sicherheitslösungen
• Frontend

Wie in einem traditionellen Rechenzentrum verlässt sich Middleware auf Datenbanken und Kommunikations-Apps zur Koordination zwischen verschiedenen Systemen.

Cloud Storage

Storage ist der Backend-Bereich, der alle Cloud-Daten speichert. Art und Kapazität des Cloud-Speichers variieren je nach Provider und Kundenanforderungen. Dieser Cloud-Computing-Service ermöglicht Nutzern, Daten in der Cloud statt on-premises zu speichern – sicherer und bequemer.

Cloud Infrastructure

Obwohl Endnutzer die Cloud-Infrastruktur nie sehen oder direkt damit interagieren, benötigen Clouds auch Hardware. Die Cloud-Infrastruktur umfasst alle Merkmale eines Standard-Serverraums im Rechenzentrum, einschließlich:

• Server
• Central Processing Units (CPUs)
• Graphics Processing Units (GPUs)
• Mainboards
• Speichereinheiten (Festplatten und SSDs)
• Netzwerk-Hardware mit Routern und Switches
• Netzwerk- und Beschleunigerkarten
• Kühl- und Strominfrastruktur

Die Infrastructure Layer umfasst auch die Software zum Betrieb und Management aller Hardware.

Hypervisor

Ein Hypervisor ist Software, die virtuelle Maschinen erstellt und betreibt. Ein Hypervisor allokiert Ressourcen eines einzelnen Geräts (CPU, Speicher, Storage etc.) und ermöglicht mehreren VMs mit separaten Betriebssystemen, auf demselben Gerät zu laufen.

Die durch Hypervisor bereitgestellte Virtualisierung erhöht die Effizienz von Servern, Storage und Netzwerk in einer Multi-Tenant-Cloud. Allerdings kann diese Komponente die Gesamtperformance beeinträchtigen, wenn das Host-Gerät zu viele VMs hostet.

Management Software

Die Management-Software einer Cloud-Computing-Architektur stellt sicher, dass alle Operationen und Programme reibungslos und effizient laufen. Zu den Aufgaben gehören:

• Security- und Compliance-Auditing
• Performance- und Kapazitätsmonitoring
• Nutzungsverfolgung
• Deployment neuer Apps
• Datenintegration
• Disaster-Recovery-Management

Management-Software umfasst auch Programme und Tools für Automatisierung. Automatisierung ist ein Kernwert der Cloud und einer der Hauptverkaufsargumente. In der Cloud-Computing-Architektur haben Automatisierungstools drei zentrale Aufgaben:

• Hoch- oder runterskalieren je nach Nutzungs- oder Traffic-Bedarf
• Governance über die Cloud-Umgebung sicherstellen
• Auf Events reagieren gemäß vordefinierten Schwellenwerten oder Cloud-Policies

Security Layer

Der Security Layer ist ein wesentlicher Aspekt der Cloud-Architektur. Da die meisten Provider-Level-Clouds risikoreiche Multi-Tenant-Umgebungen sind, setzen Vendor typischerweise diverse Techniken für Cloud-Computing-Sicherheit ein:

• Unveränderliche, regelmäßige Datensicherungen
• Datenverschlüsselung (at-rest, in-motion, in-use)
• High-End-Debugging-Tools
• Virtuelle Firewalls (für gesamtes Setup und zwischen Tenants)
• Zero-Trust-Sicherheitsprinzipien
• Multifaktor-Authentifizierung und starke Passwörter
• Intrusion Detection Systems (IDS)
• Anti-Malware- und Virensoftware
• Ransomware-Prävention

Cloud-Computing-Architektur Best Practices

Es gibt keinen einzelnen Weg, eine effiziente Cloud-Computing-Architektur zu bauen, aber einige Richtlinien gelten für jedes Design. Hier sind Best Practices für das Design neuer oder die Anpassung bestehender Architekturen:

• Security-First-Ansatz: Ihr Security- oder SecOps-Team sollte Schutz von Anfang an in das Design einbetten. Je robuster das Sicherheitssystem am Start, desto weniger Risiken bei Datenlecks und -verletzungen beim Wachstum der Umgebung
• Für Nutzungsspitzen planen: Versuchen Sie vorherzusagen und zu verstehen, wie sich das Setup bei regulären und Peak-Workloads verhält. Stellen Sie sicher, dass die Architektur in jedem Szenario gut performt und bereiten Sie optimale Skalierungsmechanismen vor
• Keine Kompromisse bei Cybersicherheit: Neben Security-by-Design sollten Sie Ihre Architektur mit allen verfügbaren Cybersicherheitsmaßnahmen schützen. Wählen Sie einen Provider mit Datenverschlüsselung, regelmäßigem Patch-Management, Endpoint-Protection, Cloud-Disaster-Recovery und robusten Policies
• Kontinuierliches Monitoring einrichten: Laufendes Monitoring der Umgebung mit Tools wie Nagios für Performance- und Nutzungsfragen erzeugt wertvolle Muster zur Setup-Optimierung
• Optimieren und Kosten senken: Nutzen Sie automatisierte Prozesse und Nutzungstracking, um unnötige Ausgaben zu eliminieren und Überausgaben für Ressourcen zu vermeiden

Bereit, On-Premises-Hardware hinter sich zu lassen?

Das Konzept der Cloud-Computing-Architektur bleibt für viele Manager und Teams vage. Die Bereitstellung dieses Artikels für nicht-technische Mitarbeiter hilft, die Cloud zu entmystifizieren und Ihr Business einen Schritt näher an die Cloud-Migration zu bringen.