Leitfaden zur Cloud-Computing-Architektur

Im Vergleich zu einem klassischen hardwarebasierten Setup bietet eine Cloud-Computing-Architektur erheblich mehr Flexibilität, Gestaltungsmöglichkeiten und Möglichkeiten zur Kosteneinsparung. Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis, da eine Cloud-Plattform in der Regel komplexer zu verstehen ist und mehr bewegliche Teile aufweist als eine durchschnittliche physische Infrastruktur vor Ort.

Dieser Artikel ist eine Einführung in die Cloud-Computing-Architektur und die Komponenten, die in einer Cloud-Umgebung betrieben werden. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie verschiedene Systeme zusammenarbeiten, um eine funktionale Cloud zu erstellen und Endbenutzern bedarfsgerechte IT-Ressourcen (Server, Apps, Datenbanken, Netzwerke usw.) bereitzustellen.

Erklärung der Cloud-Computing-Architektur

Cloud-Computing-Architektur bezieht sich auf die Mischung aus Systemen und Technologien, die, wenn sie integriert sind, eine IT-Infrastruktur schaffen, die On-Demand-Ressourcen über ein Netzwerk abstrahiert, bündelt und gemeinsam nutzt. Jede Cloud-Architektur besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Frontend (Elemente, die für den Endbenutzer sichtbar sind, wie Web-Apps und Browser, Mobilgeräte, Benutzeroberfläche usw.).
• Back-End (der "Cloud"-Abschnitt des Systems mit Datenspeicherung, dedizierten Servern, Betriebssystemen, Sicherheitsmaßnahmen usw.).

Eine Cloud-Computing-Architektur erfordert auch ein Netzwerk, über das Front- und Backend kommunizieren. Die beiden Komponenten tauschen Daten normalerweise über das Internet aus, es sei denn, ein Architekt bevorzugt ein privates Netzwerk (die bevorzugte Option in privaten und hybriden Cloud-Architekturen).

Unabhängig von der Art des Netzwerks muss die Kommunikationsschicht zwischen Front- und Backend Folgendes aufweisen:

• Hohe Bandbreite.
• Keine Latenz.
• Hohe Verfügbarkeit
• Höchste Netzwerksicherheit.

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

• Ereignisgesteuerte Architektur (EDA): Ein Softwaredesign, bei dem entkoppelte Dienste Systemereignisse erzeugen, erkennen und darauf reagieren.
• Dienstorientierte Architektur (SOA): Ein System, in dem eine Reihe von Komponenten über ein Kommunikationsprotokoll Dienste für andere Elemente bereitstellt.

Ein Unternehmen hat viele Gründe, eine Cloud-Computing-Architektur bereitzustellen, obwohl diese Systeme komplexer sind als eine Einrichtung vor Ort. Einige der Hauptgründe sind:

• Schnellere Time-to-Market.
• Schnellere Bereitstellung von Ressourcen.
• Echtzeit-Skalierbarkeit (nach oben und unten).
• Die Fähigkeit, Cloud-native Lösungen (wie Kubernetes) zu verwenden.
• Zuverlässigere Compliance durch bessere Datentransparenz.
• Kosteneinsparungen (keine Notwendigkeit für lokale Hardware und strenge Kontrolle über die Ressourcennutzung).

Front-End der Cloud-Computing-Architektur

Das Front-End fungiert in der Architektur als Client und kann über das Internet oder ein privates Netzwerk mit dem Back-End kommunizieren. Die Front-End-Komponente ist für den Endbenutzer sichtbar und ermöglicht den Zugriff auf die Cloud-Plattform.

Die zwei Hauptelemente des Frontends sind:

• Die App oder Software (normalerweise ein Webbrowser oder eine native App), die der Client verwendet, um auf die Cloud-Plattform zuzugreifen und mit ihr zu interagieren. Die App oder der Browser hat eine dedizierte Benutzeroberfläche, die einige Cloud-Architekten als separate Front-End-Komponente betrachten.
• Das clientseitige Gerät, über das sich der Benutzer mit dem Browser oder der App verbindet und mit ihm interagiert (Mobiltelefon, Tablet, PC, Laptop usw.).

Elemente des Frontends sind verantwortlich für:

• Dem Benutzer ermöglichen, mit der Cloud zu interagieren.
• Senden von Abfragen an das Back-End über die Middleware.
• Dienste vom Back-End anfordern.
• Präsentation aller Cloud-bezogenen Informationen (Ressourcennutzung, Sicherheitsbedenken, Überwachungswarnungen, Nutzungsmuster usw.).

Die Cloud verarbeitet mehr Verarbeitung als das clientseitige Gerät, was ein weiterer bemerkenswerter Vorteil von Cloud Computing ist, der besonders für Remote-First-Teams und Unternehmen mit einer BYOD-Richtlinie nützlich ist.

Back-End der Cloud-Computing-Architektur

In einer Cloud-Computing-Architektur bezieht sich das Backend auf die Cloud selbst. Diese Komponente enthält verschiedene Systeme, Server und Speichereinheiten, die mehrere Schlüsselrollen haben:

• Cloud-bezogene Programme und Apps ausführen.
• Geben Sie dem Frontend Funktionalität und antworten Sie auf jede Anfrage, die der Benutzer sendet.
• Ressourcen bereitstellen und skalieren.
• Überwachen Sie alle Vorgänge und Aktivitäten.
• Halten Sie die Cloud-Daten und -Prozesse sicher.
• Alle Dienste und Apps verbinden.
• Verkehrskontrollmechanismen ausführen.
• Cloud-Protokolle verwalten.

Der Cloud-Anbieter ist derjenige, der die Backend-Komponente verwaltet. Einige Unternehmen entscheiden sich jedoch dafür, ihre Cloud zu entwickeln und zu warten. In diesem Fall wird das interne Team für den Back-End-Betrieb verantwortlich. Ein Unternehmen kann die Back-End-Aufgaben auch zwischen dem internen und dem Team des Anbieters aufteilen (eine gängige Wahl in stark regulierten Unternehmen, die HIPAA oder PCI einhalten müssen).

Während das Front-End nur eine Benutzeroberfläche mit einer Verbindung ist, gibt das Back-End der Cloud ihre wichtigsten Grundsätze:

• On-Demand-Ressourcen, die ein Benutzer ohne die Hilfe eines Dienstanbieters konfigurieren kann.
• Die Möglichkeit für einen Client, sich unabhängig vom Standort zu verbinden.
• Ressourcenpooling, das es dem Anbieter ermöglicht, Ressourcen zu bündeln und mehrere Benutzer in einer dynamischen Multi-Tenant-Umgebung zu bedienen.
• Schnelle Elastizität für schnelle Reaktionen auf die Verbrauchernachfrage.
• Gemessener Dienst, der es dem Endbenutzer ermöglicht, die Nutzung der Cloud im Detail zu überwachen.

Das hintere Ende hat mehr Komponenten und ist deutlich größer als sein vorderes Gegenstück. Unten finden Sie einen genaueren Blick auf jede Back-End-Komponente, die in einer Cloud-Computing-Architektur vorhanden sein kann.

Anwendungsschicht

Wenn ein Endbenutzer mit dem Frontend interagiert, empfängt die App-Schicht des Backends die Abfrage und verarbeitet die Anforderungen des Clients. Diese Schicht hat mehrere wichtige Rollen:

• Geben Sie Benutzern Zugriff auf Cloud-Dienste.
• Verbinden Sie das hintere und das vordere Ende.
• Auf Front-End-Anfragen antworten.
• Koordinieren Sie die Bedürfnisse des Verbrauchers mit Ressourcen im Backend.

Dienstebene

Die Dienstschicht fügt dem Back-End der Cloud-Computing-Architektur Nutzen hinzu. Diese Komponente erledigt alle Aufgaben und Anfragen über Dienste für Datenspeicherung, App-Entwicklungsumgebungen, Webdienste usw.

Dienste können eine Vielzahl von Aufgaben und Funktionen in einer Cloud-Laufzeit ausführen. Die Art der Dienste, die ein Client verwenden kann, hängt vom Bereitstellungsmodell ab. Es gibt drei Cloud-basierte Bereitstellungsmethoden:

• Infrastruktur als Service (IaaS): IaaS bietet Zugriff und Kontrolle über die Ressourcen der Cloud-Computing-Architektur (Datenspeicherung, Server, Netzwerkinfrastruktur, VMs usw.).
• Software als Service (SaaS): SaaS ermöglicht es einem Client, Anwendungssoftware in der Cloud zu hosten. Bei einem SaaS-Modell übernimmt der Anbieter alle Upgrades und Entwicklungen, und der Anbieter verwaltet die zugrunde liegende Infrastruktur.
• Plattform als Service (PaaS): Das PaaS-Modell bietet Benutzern eine On-Demand-Plattform für die Softwareentwicklung. Anbieter hosten den vollständigen Technologie-Stack und das Toolset, aber der Benutzer kümmert sich um die Softwareentwicklung, App-Verwaltung und Updates.

Bereitstellungsmodelle sind keine Cloud-Bereitstellungsmodelle (z. B. Hybrid-, Community- oder Multi-Cloud). Während das Bereitstellungsmodell die Art der Dienste bestimmt, auf die Benutzer Zugriff haben, definiert das Bereitstellungsmodell den betreffenden Cloud-Typ.

Middleware

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

• Apps.
• Dienste.
• Laufzeitwolken.
• Speichereinheiten.
• Infrastrukturgeräte.
• Sicherheitslösungen.
• Das Frontend.

Wie in einem traditionellen Rechenzentrum stützt sich Middleware auf Datenbanken und Kommunikations-Apps, um die Koordination zwischen verschiedenen Systemen herzustellen.

Cloud-Speicher

Speicher ist der Abschnitt des Backends, der alle Cloud-Daten speichert. Art und Kapazität des Cloud-Speichers variieren je nach Cloud-Anbieter und den Anforderungen des Kunden. Dieser Cloud-Computing-Dienst ermöglicht es dem Benutzer, Daten in der Cloud statt vor Ort zu speichern, was sowohl eine sicherere als auch bequemere Option ist.

Cloud-Infrastruktur

Obwohl der Endbenutzer die Cloud-Infrastruktur nie sieht oder mit ihr interagiert, benötigen Clouds auch Hardware. Die Cloud-Infrastruktur umfasst alle Funktionen eines Standard-Serverraums in einem Rechenzentrum, einschließlich:

• Server.
• Zentraleinheiten (CPUs).
• Grafikprozessoren (GPUs).
• Hauptplatinen.
• Speichereinheiten (Festplatten und SSDs).
• Netzwerkausrüstung mit Routern und Switches.
• Netzwerk- und Beschleunigerkarten.
• Kühl- und Strominfrastruktur.

Die Infrastrukturebene umfasst auch die Software, die zum Ausführen und Verwalten der gesamten Hardware erforderlich ist.

Hypervisor

Ein Hypervisor ist eine Software, die virtuelle Maschinen erstellt und ausführt. Ein Hypervisor weist Ressourcen eines einzelnen Geräts (CPU, Arbeitsspeicher, Speicher usw.) zu und ermöglicht die Ausführung mehrerer virtueller Maschinen mit separaten Betriebssystemen auf demselben Gerät.

Die durch einen Hypervisor bereitgestellte Virtualisierung erhöht die Effizienz von Servern, Speichern und Netzwerken in einer mandantenfähigen Cloud. Diese Komponente kann sich jedoch auf die Gesamtleistung auswirken, wenn das Hostgerät über zu viele VMs verfügt.

Verwaltungssoftware

Die Verwaltungssoftware einer Cloud-Computing-Architektur sorgt dafür, dass alle Operationen und Programme reibungslos und effizient laufen. Einige der Aufgaben, die diese Systeme ausführen, sind:

• Sicherheits- und Compliance-Audit.
• Leistungs- und Kapazitätsüberwachung.
• Nutzungsverfolgung.
• Bereitstellung neuer Apps.
• Datenintegration.
• Disaster-Recovery-Management.

Verwaltungssoftware umfasst auch Programme und Tools für die Automatisierung. Automatisierung ist ein Kernwert der Cloud und eines der wichtigsten Verkaufsargumente der Technologie. In einer Cloud-Computing-Architektur haben Automatisierungstools drei wesentliche Aufgaben:

• Nach oben oder unten skalieren, um die Nutzungs- oder Verkehrsanforderungen zu erfüllen.
• Gewährleistung der Governance in der gesamten Cloud-Umgebung.
• Reagieren Sie auf Ereignisse gemäß den Anweisungen eines vordefinierten Schwellenwerts oder einer Cloud-Richtlinie.

Sicherheitsebene

Die Sicherheitsebene ist ein wesentlicher Aspekt der Cloud-Architektur. Da die meisten Clouds auf Anbieterebene eine Umgebung mit hohem Risiko und mehreren Mandanten sind, verlassen sich Anbieter normalerweise auf verschiedene Techniken, um die Sicherheit des Cloud-Computing zu gewährleisten, wie z. B.:

• Unveränderliche, regelmäßige Datensicherung.
• Datenverschlüsselung (at-rest, in-motion und in-use)
• High-End-Debugging-Tools.
• Virtuelle Firewalls (sowohl für die gesamte Einrichtung als auch zwischen Mandanten).
• Zero-Trust-Sicherheitsprinzipien.
• Multifaktor-Authentifizierung und starke Passwörter.
• Intrusion Detection Systems (IDS).
• Anti-Malware- und Virensoftware.
• Ransomware-Prävention.

Best Practices für Cloud-Computing-Architekturen

Es gibt keinen einheitlichen Weg, um eine effiziente Cloud-Computing-Architektur aufzubauen, aber einige Richtlinien gelten für jedes Design. Hier sind die Best Practices, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie eine neue Architektur entwerfen oder eine vorhandene Architektur anpassen:

• Verwenden Sie einen sicherheitsorientierten Ansatz: Beim Erstellen einer Architektur sollte Ihr Sicherheits- oder SecOps-Team den Schutz von Anfang an in das Design einbetten. Je robuster das Sicherheitssystem zu Beginn ist, desto weniger Risiken gehen Sie mit Datenlecks und -verletzungen ein, wenn Sie die Umgebung erweitern.
• Planen Sie Nutzungsspitzen ein: Versuchen Sie vorherzusagen und zu verstehen, wie sich das Setup während normaler und Spitzenlasten verhalten wird. Stellen Sie sicher, dass die Architektur in jedem Szenario gut funktioniert, und bereiten Sie optimale Mechanismen für die Skalierung vor.
• Gehen Sie bei der Cybersicherheit kein Risiko ein: Neben der Planung der Sicherheit von Anfang an sollten Sie Ihre Architektur auch mit allen verfügbaren Cybersicherheitsmaßnahmen schützen. Finden Sie einen Anbieter, der Datenverschlüsselung, regelmäßiges Patch-Management, Endpunktschutz, Cloud-Disaster-Recovery und zuverlässige Richtlinien anbietet.
• Kontinuierliche Überwachung einrichten: Die kontinuierliche Überwachung der Umgebung mit einem Tool wie Nagios auf Leistungs- und Nutzungsprobleme schafft aufschlussreiche Muster, die zur Optimierung der Einrichtung beitragen.
• Kosten optimieren und senken: Profitieren Sie von automatisierten Prozessen und Nutzungsverfolgung, um unnötige Ausgaben zu vermeiden und sicherzustellen, dass Sie nicht zu viel für Ressourcen ausgeben.

Bereit zur Abkehr von On-Prem-Hardware?

Das Konzept der Cloud-Computing-Architektur bleibt vielen Managern und Teams vage. Wenn Sie diesen Artikel auch nicht-technischen Mitarbeitern zur Verfügung stellen, wird dies dazu beitragen, die Cloud zu entmystifizieren und Ihr Unternehmen der Cloud-Migration einen Schritt näher zu bringen.