引言
隨著企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化、IT基礎(chǔ)設(shè)施的增加，促使硬件和軟件系統(tǒng)的功能不斷強(qiáng)大，現(xiàn)有信息系統(tǒng)不得不面對大量出現(xiàn)的新問題。今天，復(fù)雜的數(shù)據(jù)以幾何級數(shù)增長，給企業(yè)留下了大量難以應(yīng)對的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。管理這些數(shù)據(jù)，不僅成本過高，而且難以達(dá)到理想的效果，難以實(shí)現(xiàn)更好的投資回報(bào)(ROI)。老化的軟硬件和不良的運(yùn)行環(huán)境，都會導(dǎo)致服務(wù)器性能和效益的降低。通過虛擬化技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部更有效地利用計(jì)算機(jī)資源，靈活更新軟件、數(shù)據(jù)和硬件操作平臺。在虛擬化技術(shù)的幫助下，一臺服務(wù)器可以被分割成數(shù)臺“虛擬”的機(jī)器，每臺都能獨(dú)立運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)，從而避免了“一臺服務(wù)器、一種應(yīng)用”的孤島模式。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在孤島模式下，計(jì)算機(jī)資源的使用率只有不到25%。有了虛擬化技術(shù)，企業(yè)可以構(gòu)建一個完全不同的基礎(chǔ)環(huán)境，更有效地管理服務(wù)器。在同一服務(wù)器上運(yùn)行不同操作系統(tǒng)和軟件的功能，可以讓企業(yè)協(xié)調(diào)服務(wù)器的工作負(fù)擔(dān)：如果一個虛擬系統(tǒng)有問題，另一臺能立即替補(bǔ)，繼續(xù)完成同一任務(wù)。虛擬化在企業(yè)的應(yīng)用勢在必行!
正文
虛擬化技術(shù)(Virtualization Technology，簡稱VT技術(shù))最早起源于20世紀(jì)70年代IBM研究中心在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的主機(jī)鏡像，在隨后的20多年時(shí)間里，該技術(shù)主要部署在巨型、大型和中型計(jì)算機(jī)中，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是基于x86CPU(硬件輔助虛擬化)的微型計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)正在從日趨成熟的主流的服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化技術(shù)蔓延到網(wǎng)絡(luò)的各個角落，作為一種高速發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，虛擬化試圖從根本上改變電腦的傳統(tǒng)計(jì)算方式，在同一臺物理機(jī)上運(yùn)行多個虛擬機(jī)，以便在多個系統(tǒng)環(huán)境之間共享這一臺計(jì)算機(jī)的物理資源，從而擴(kuò)大硬件的“容量”，簡化軟件的重新配置過程。虛擬化正在“顛覆”傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，對于企業(yè)而言應(yīng)用虛擬化技術(shù)必然會給企業(yè)帶來前所未有的廣闊前景!
所謂虛擬化技術(shù)，是指將一臺物理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境分割為多個獨(dú)立分區(qū)，每個分區(qū)均可以按照需求模擬出一臺完整計(jì)算機(jī)的技術(shù)。模擬出來的計(jì)算機(jī)稱為虛擬機(jī)(VirtualMachine，簡稱VM)。虛擬化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過中間層次實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的管理和再分配，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，虛擬化分區(qū)帶來的最大好處是使同一物理平臺能夠同時(shí)運(yùn)行多個同類或不同類型的操作系統(tǒng)，以分別作為不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用的支撐平臺。
本文通過對虛擬化技術(shù)的全面分析從而進(jìn)一步闡述虛擬化在企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
今天，企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的問題包括單應(yīng)用程序服務(wù)器的激增，導(dǎo)致某些設(shè)備被過度使用，與此同時(shí)，另一些設(shè)備卻沒有得到有效利用，應(yīng)用程序服務(wù)器不能實(shí)現(xiàn)完整的復(fù)制，由此產(chǎn)生的失調(diào)和一連串低效率，自然導(dǎo)致成本增加，反饋速度降低，以及更繁雜的硬件維修。網(wǎng)絡(luò)管理已經(jīng)成為一項(xiàng)開銷浩大而又繁重的工作，虛擬化技術(shù)可以輕松恢復(fù)原有的平衡。根據(jù)實(shí)例證實(shí)，虛擬化應(yīng)用能夠讓基本IT運(yùn)營費(fèi)用降低5％到15％，收益增長50％到70％。以往沒有虛擬化技術(shù)，企業(yè)難以完整保存原有的應(yīng)用系統(tǒng)，因?yàn)橄嚓P(guān)的硬件和操作系統(tǒng)的支持和維護(hù)費(fèi)用太高。有了虛擬化，企業(yè)也就有了更多的選擇權(quán)，可以根據(jù)實(shí)際需要，決定是否有必要把現(xiàn)有的應(yīng)用程序，遷移到最新的硬件和操作系統(tǒng)上。虛擬化的另一個優(yōu)勢是簡化和加速軟件和系統(tǒng)的配置，用戶可以在虛擬機(jī)上運(yùn)行各種版本的軟件及系統(tǒng)。
l 硬件輔助虛擬化技術(shù)的發(fā)展為企業(yè)建立虛擬化提供了良好的基礎(chǔ)
硬件輔助虛擬化技術(shù)最早起源于2005年8月Intel公布的VandERPool技術(shù)，同年11月更名為VT技術(shù)，2006年2月進(jìn)入測試階段，同年3月發(fā)布了一套新的VT技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)規(guī)范應(yīng)用于PC和服務(wù)器系統(tǒng)，包括處理器VT技術(shù)和IO虛擬分配技術(shù)(Intel VT-d)。Intel和AMD公司在最近幾年發(fā)布的CPU產(chǎn)品中都集成了VT技術(shù)，為進(jìn)一步推動和發(fā)展虛擬化環(huán)境提供了硬件支持。
1．1所謂硬件輔助虛擬化，就是從硬件層面增加純軟件虛擬化解決方案的可靠性、安全性和靈活性的一種方式，它比純軟件虛擬化方式更高效、更可靠。通過在硅芯片層面采用硬件輔助虛擬化技術(shù)，可大大降低純軟件虛擬化方式在系統(tǒng)方面的開銷，增強(qiáng)兼容性，有助于提高企業(yè)用戶的虛擬化方案的性能。硬件輔助虛擬化包括三個層次：
1.1.1最底層是支持VT技術(shù)的硬件層(包括處理器VT技術(shù)和IO虛擬分配技術(shù)Intel VT-d)，而純軟件虛擬化的計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)中硬件層是不支持VT技術(shù)的：
1.1.2最底層外面去掉HOST OS層改用V刪層來代替，刪是Virtual Machine Monitor的縮寫，稱為虛擬機(jī)監(jiān)視器，它的功能是直接管理和控制諸如處理器、存儲系統(tǒng)、芯片組、IO設(shè)備等計(jì)算機(jī)硬件資源的同時(shí)為應(yīng)用提供虛擬環(huán)境；
1.1.3VMM層外面是VM(Virtual Machine)層，該層同純軟件虛擬化的VM類似為企業(yè)的應(yīng)用需求提供虛擬化環(huán)境，企業(yè)在VM上可以完成一臺物理計(jì)算機(jī)的全部功能。
1.2虛擬化技術(shù)起源于軟件，但更需要底層硬件的強(qiáng)力支持。由于虛擬化硬件可提供全新的架構(gòu)，在硬件層和刪之間省掉了宿主操作系統(tǒng)(HosT OS)，直接支持操作系統(tǒng)在刪上面運(yùn)行，從而無須進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，減少了相關(guān)的硬件開銷，極大地簡化了刪設(shè)計(jì)，進(jìn)而使VMM能夠按通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，計(jì)算機(jī)性能得到了更大的提高。
1.3 Intel、AMD分別推出了硬件虛擬化方案。Intel推出了CPU(Vt-x或Vt-i)、芯片組(Vt-d)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(Vt-c)三套相輔相成的硬件輔助虛擬化技術(shù)；AMD推出的AMD-V硬件輔助虛擬化技術(shù)。其目的都是為了提升服務(wù)器性能、降低系統(tǒng)購置成本、降低能源消耗、增加虛擬機(jī)數(shù)量有效方法。
1.4硬件輔助虛擬化技術(shù)支持硬件級的動態(tài)遷移技術(shù)，即可在不關(guān)機(jī)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不同物理主機(jī)的虛擬機(jī)之間遷移，以保證業(yè)務(wù)的不中斷。
1.5硬件輔助虛擬化為實(shí)現(xiàn)軟件虛擬化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可充分發(fā)揮軟件虛擬化的運(yùn)行效率，提高I/0性能。其優(yōu)勢是：
1.5.1簡化了軟件虛擬化的設(shè)計(jì)；
1.5.2減少了軟件虛擬機(jī)相關(guān)的性能開銷；
1.5.3支持更廣泛的操作系統(tǒng)。
2 軟件虛擬化技術(shù)為企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境構(gòu)建虛擬化平臺提供了實(shí)現(xiàn)方法
2.1軟件虛擬化按照領(lǐng)域的劃分可分為服務(wù)器虛擬化、內(nèi)存虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、系統(tǒng)虛擬化、文件虛擬化、桌面虛擬化、存儲虛擬化、數(shù)據(jù)中心虛擬化等。
2.2軟件虛擬化技術(shù)目前主要應(yīng)用于服務(wù)器的虛擬化。服務(wù)器虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為未來計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。依據(jù)虛擬化軟件對服務(wù)器的硬件支持狀況分為全虛擬化和半虛擬化。前者是在當(dāng)前物理機(jī)上直接安裝虛擬化軟件，代替操作系統(tǒng)管理硬件。其優(yōu)勢是I/O性能好，缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)硬件兼容問題。后者是在“宿主”操作系統(tǒng)環(huán)境上安裝的虛擬化軟件。其優(yōu)缺點(diǎn)與前者相反。目前主流的全虛擬化軟件有Microsoft Hyper-v Server 2008、VMWARE ESX SERVER 3.5、XenServer 5.0，半虛擬化軟件軟件有Windows server 2008Hyper-v2.0、VMWARE SERVERV 1-08、Virtual-box 2.1.4。
2.3軟件虛擬化是云計(jì)算的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。應(yīng)用程序虛擬化是云計(jì)算的一種發(fā)展方向．即在服務(wù)器中心添加各種應(yīng)用程序而在客戶端利用客戶端軟件連接服務(wù)器使用服務(wù)器上的程序，其操作方式類似于無盤工作站。應(yīng)用程序虛擬化的常見方式是桌面虛擬化。桌面虛擬化不依賴操作系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)硬件直接與服務(wù)器連接，使用服務(wù)器的桌面從而運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序。
2.4軟件虛擬化目的是為解決企業(yè)的管理難題，并降低運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)按需接入，快捷、方便、靈活的虛擬化，其優(yōu)勢是：
2.4.1有效的降低運(yùn)營成本：
可以在一臺物理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)多臺服務(wù)器的整合：可以在單臺服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)群集；可以對一些比較“古老”的系統(tǒng)及程序提供支持等。
2.4.2提高服務(wù)器的安全性、管理更便捷：
除了提高服務(wù)器的利用率外，虛擬化技術(shù)還有一個更重要的應(yīng)用就是數(shù)據(jù)災(zāi)難恢復(fù)，即當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，可以在應(yīng)用不中斷的情況下，自動把執(zhí)行的應(yīng)用從一臺物理服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺物理服務(wù)器上。服務(wù)器虛擬化不但為服務(wù)器管理提供了強(qiáng)人的靈活性還為服務(wù)器提高了安全性。服務(wù)器內(nèi)虛擬主機(jī)之間互相隔離。
3 虛擬化技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
3.1采用支持硬件虛擬化技術(shù)的服務(wù)器作為構(gòu)建虛擬化的基礎(chǔ)。Intel VT硬件輔助虛擬化技術(shù)是目前最為完善的虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了處理器(VT-X或V-I)、芯片組(VT-D)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(VT-O的硬件虛擬化。
3.1.1處理器的虛擬化主要是為了提高虛擬化軟件的效率、實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的無縫遷移。VT-X版主要對32位處理器平臺，如至強(qiáng)；vT-I版主要對64位處理器平臺，如安騰。處理器虛擬化其中提供了FlexMigration虛擬化技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器之間的無縫遷移。
3.1.2芯片組虛擬化主要是為了提高虛擬化環(huán)境北橋芯片的I/O性能。通過在北橋芯片中內(nèi)置提供DMA(直接內(nèi)存訪問)虛擬化和IRQ虛擬化硬件，實(shí)現(xiàn)新型的I/O虛擬化方式。
3.1.3網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要是為了提高虛擬系統(tǒng)的性能與網(wǎng)絡(luò)處理能力。服務(wù)器網(wǎng)卡是服務(wù)器中最重要的配件之一，Intel推出的VT-c虛擬化技術(shù)是一種主要針對服務(wù)器網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)連接及接口的技術(shù)。
3.2部署windows server 2008 r2系統(tǒng)構(gòu)建Hyper-v2.0硬件虛擬化平臺。硬件輔助虛擬化技術(shù)的迅速發(fā)展，促使企業(yè)部署軟件虛擬化提供了可靠的保證，同時(shí)考慮目前的生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)境都是基于WINDOWS平臺，為了保障現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境的無縫移植，所以采用半虛擬化技術(shù)是企業(yè)構(gòu)建虛擬化平臺的首選方案。
3.2.1在服務(wù)器上部署WINDOWS Server 2008 r2系統(tǒng)主要是充分考慮硬件的兼容性，同時(shí)也是為了保證企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)境的順利升級。目前船研所民品設(shè)計(jì)網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器都是采用的是Windows Server平臺，部署Windows Server 2008 R2系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大化的軟、硬件的兼容性。
3.2.2在Windows Server 2008 R2系統(tǒng)上部署Hyper-v2.0構(gòu)建硬件虛擬化平臺。利用Operations Manager和Virtual Machine Manager提供的統(tǒng)一中央控制臺，允許從單點(diǎn)創(chuàng)建、管理多個虛擬機(jī)，檢查一個虛擬機(jī)的狀態(tài)，將虛擬機(jī)從一臺物理服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺物理服務(wù)器，從而達(dá)到可有效地監(jiān)控物理及虛擬服務(wù)器及其上運(yùn)行的軟件的狀態(tài)，以方便網(wǎng)絡(luò)管理員制定相應(yīng)的維護(hù)策略，確保生產(chǎn)環(huán)境的可靠運(yùn)行。在生產(chǎn)環(huán)境的服務(wù)器上部署相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，始終保持其穩(wěn)定無中斷運(yùn)行，這需要強(qiáng)大軟件管理配置工具的支持。Configuration Manager可有效管理虛擬服務(wù)器上的軟件配置。根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)際情況，TRIBON服務(wù)器、SQL數(shù)據(jù)庫、文件存儲服務(wù)器、域控制器是當(dāng)前環(huán)境最為重要的關(guān)鍵服務(wù)器，維護(hù)這些關(guān)鍵服務(wù)器的正常運(yùn)行是確保生產(chǎn)設(shè)計(jì)順利進(jìn)行的前提條件。通過在物理服務(wù)器上部署硬件虛擬化平臺，同時(shí)利用以上虛擬化管理工具，可有效的利用硬件資源，協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在不同物理服務(wù)器上的使用。
3.3部署虛擬存儲系統(tǒng)，作為虛擬化服務(wù)器的存儲中心。
要確保虛擬化環(huán)境的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定無中斷運(yùn)行還必須提供可靠共享存儲系統(tǒng)。通常共享存儲系統(tǒng)可通過SAN存儲系統(tǒng)、ISCSI存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其前者是利用FC(光纖)而后者是利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的虛擬存儲系統(tǒng)。虛擬存儲系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)存儲系統(tǒng)的集中管理提供了可能。
3.4利用動態(tài)遷移(Live Migration)、群集技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬化容災(zāi)系統(tǒng)。
動態(tài)遷移技術(shù)是促使虛擬化在企業(yè)得以廣泛應(yīng)用的最主要的原因之一。使用動態(tài)遷移技術(shù)可以構(gòu)建虛擬化服務(wù)器的容災(zāi)系統(tǒng)，使得虛擬化服務(wù)器遷移所帶來的宕機(jī)時(shí)間基本上為零，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層的不中斷應(yīng)用。群集技術(shù)是建立在系統(tǒng)應(yīng)用層之上的高可用技術(shù)，利用群集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的高可用性、冗余性。
3.5在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)用虛擬化技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
3.5.1減少服務(wù)器的數(shù)量，提供一種服務(wù)器整合的方法，減少初期硬件采購成本；
3.5.2簡化服務(wù)器的部署、管理和維護(hù)工作，降低管理費(fèi)用；
3.5.3提高服務(wù)器資源的利用率，提高服務(wù)器計(jì)算能力；
3.5.4通過降低空間、散熱以及電力消耗等途徑壓縮數(shù)據(jù)中心成本；
3.5.5通過動態(tài)遷移、故障自動隔離、動態(tài)資源配置，提高業(yè)務(wù)的靈活適應(yīng)能力、高可用性；
3.5.6支持異構(gòu)操作系統(tǒng)的整合，支持舊應(yīng)用的持續(xù)運(yùn)行：
3.5.7快速構(gòu)建開發(fā)和測試環(huán)境；
雖然虛擬化技術(shù)有著種種的優(yōu)點(diǎn)，但并不表示它就是十全十美了。服務(wù)器虛擬化同樣有一些先天的技術(shù)限制，如不適合運(yùn)算量較大、持續(xù)運(yùn)行或是I/0的程序。從技術(shù)上講負(fù)載均衡是解決服務(wù)器虛擬化這一問題的有效方法。另外服務(wù)器虛擬化還面臨著另外一個問題，當(dāng)虛擬機(jī)數(shù)量增加后，若一個虛擬機(jī)必須要求物理服務(wù)器重啟，就會導(dǎo)致其他虛擬機(jī)的不可用。當(dāng)然以上問題通過合理規(guī)劃服務(wù)器，建立可靠的容災(zāi)系統(tǒng)，可以有效的規(guī)避這些不足。服務(wù)器虛擬化作為虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，未來必然會擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，最終實(shí)現(xiàn)虛擬化在各個領(lǐng)域的全面應(yīng)用。
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本文標(biāo)題：虛擬化在企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用
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