前言
各種研究機(jī)構(gòu)、組織、廠商對服務(wù)器虛擬化均有自己不同的定義，然而其核心思想是一致的，即它是一種方法，能夠通過區(qū)分優(yōu)先次序并能隨時(shí)隨地將服務(wù)器資源分配給最需要它們的工作負(fù)載，來簡化管理和提高效率，從而減少為單個(gè)工作負(fù)載峰值而儲(chǔ)備的資源。服務(wù)器虛擬化是一種對服務(wù)器計(jì)算資源的抽象化，它在物理服務(wù)器的基礎(chǔ)上構(gòu)建多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬服務(wù)器，從而將CPU、內(nèi)存、vo等服務(wù)器物理資源轉(zhuǎn)化為一組統(tǒng)一管理、可靈活調(diào)度、動(dòng)態(tài)分配的邏輯資源。
不管云計(jì)算以IaaS，PaaS，SaaS的哪種業(yè)務(wù)形式出現(xiàn)，都需要基礎(chǔ)的計(jì)算能力資源。在云計(jì)算的計(jì)算能力構(gòu)建過程中，通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將服務(wù)器硬件資源虛擬成一個(gè)整體的邏輯資源池，這個(gè)邏輯資源池能配置運(yùn)行多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，而且能根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)地分配邏輯資源，這種按需分配的模式和動(dòng)態(tài)資源調(diào)整的能力能最大幅度地提高服務(wù)器資源的利用率。虛擬化技術(shù)的這種特點(diǎn)契合了云計(jì)算的本質(zhì)，因此虛擬化是云計(jì)算的重要技術(shù)要素。
云計(jì)算中不可避免地需要使用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，本文就服務(wù)器虛擬化的技術(shù)要點(diǎn)、服務(wù)器虛擬化應(yīng)具備的功能要素等方面進(jìn)行探討。
1 云計(jì)算為什么需要服務(wù)器虛擬化
IT技術(shù)的發(fā)展可以簡略地劃分為3個(gè)時(shí)代。第一代是靜態(tài)的IT，所有計(jì)算能力資源由系統(tǒng)獨(dú)享;第二代是共享的IT，主要體現(xiàn)在計(jì)算能力的共享，但計(jì)算資源不能動(dòng)態(tài)調(diào)整;第三代則是云計(jì)算，所有的信息和數(shù)據(jù)都在動(dòng)態(tài)的架構(gòu)上，不僅實(shí)現(xiàn)技術(shù)能力的共享，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的調(diào)整)。
計(jì)算資源包括服務(wù)器資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等，其中重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的虛擬化。若要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的“按需服務(wù)”，就一定要讓服務(wù)器變成動(dòng)態(tài)的，而這都要看服務(wù)器在虛擬化方面的能力，虛擬化是動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)，只有在虛擬化的環(huán)境下，云計(jì)算才有可能。
利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將現(xiàn)有服務(wù)器物理資源抽象成一個(gè)擁有巨大計(jì)算能力的“云”資源池，應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以動(dòng)態(tài)調(diào)用這個(gè)“池”中的所有資源)這樣，按照峰值設(shè)計(jì)服務(wù)器資源中浪費(fèi)掉的那部分就被充分地利用起來了，服務(wù)器資源的利用率能提高到60%-80%，這與現(xiàn)有IT系統(tǒng)評價(jià)5%-10%的資源利用率形成巨大反差，我們僅需要原來服務(wù)器大約25%的資源即可滿足信息系統(tǒng)運(yùn)行需求，節(jié)省了約75%的服務(wù)器運(yùn)營成本。
圖1是一個(gè)典型的云計(jì)算平臺(tái)邏輯層次圖。在此架構(gòu)下，由大量虛擬服務(wù)器所構(gòu)成的虛擬化的硬件平臺(tái)共同托起了全部軟件層所提供的服務(wù)。在虛擬化與云計(jì)算共同構(gòu)成的這樣一個(gè)整體的架構(gòu)中，虛擬化有效地分離了硬件與軟件，而云計(jì)算則讓人們將精力更加集中在軟件所提供的服務(wù)上。
云計(jì)算必定是虛擬化的，虛擬化給云計(jì)算提供了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。但是虛擬化的用處并不僅限于云計(jì)算，這只是它強(qiáng)大功能中的一部分。
虛擬化給云計(jì)算所帶來的好處是多方面的，主要包括以下幾點(diǎn)。
a)效率。將原本一臺(tái)服務(wù)器的資源分配給了數(shù)臺(tái)虛擬化的服務(wù)器，有效地利用了閑置資源，確保企業(yè)應(yīng)用程序發(fā)揮出最高的可用性和性能。
b)隔離。雖然虛擬機(jī)可以共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)的物理資源.但它們彼此之間仍然是完全隔離的，就像它們是不同的物理計(jì)算機(jī)一樣因此，在可用性和安全性方面，虛擬環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用程序之所以遠(yuǎn)優(yōu)于在傳統(tǒng)的非虛擬化系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用程序，隔離就是一個(gè)重要的原因。
c)可靠。虛擬服務(wù)器是獨(dú)立于硬件進(jìn)行工作的，通過改進(jìn)災(zāi)難恢復(fù)解決方案提高了業(yè)務(wù)連續(xù)性，當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)可在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)且不影響整個(gè)集群的運(yùn)作，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)高可用性。
d)成本。降低了部署成本，只需要更少的服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)需要更多服務(wù)器才能做到的事情，也問接降低了安全等其他方面的成本。
e)兼容。所有的虛擬服務(wù)器都與正常的Xg6系統(tǒng)相兼容，可部署多套不同的系統(tǒng)，將因兼容性造成問題的可能性降至最低。
f)便于管理提高了服務(wù)器/管理員比率，一個(gè)管理員可以輕松管理比以前更多的服務(wù)器而不會(huì)造成更大的負(fù)擔(dān)。
2 常見虛擬化層次
服務(wù)器虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個(gè)虛擬機(jī)在同一物理機(jī)上獨(dú)立并行運(yùn)行。每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的一套虛擬硬件(例如RAM ，CPU、網(wǎng)卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。無論實(shí)際采用了什么物理硬件組件，操作系統(tǒng)都將它們視為一組一致、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件。
虛擬化技術(shù)并非云計(jì)算時(shí)代首創(chuàng)，虛擬化的概念在20世紀(jì)60年代首次出現(xiàn)，利用它可以對屬于稀有而昂貴資源的大型機(jī)硬件進(jìn)行分區(qū)。隨著時(shí)間的推移，小型服務(wù)器和PC可更經(jīng)濟(jì)地滿足計(jì)算能力需求，因此到20世紀(jì)80年代，虛擬技術(shù)已不再廣泛使用。到了20世紀(jì)90年代，計(jì)算能力需求的激增使得研究人員開始探索如何利用虛擬化技術(shù)解決與龐大的IT系統(tǒng)相關(guān)的一些問題，例如，利用率不足、管理成本不斷攀升和易受攻擊等、現(xiàn)在.虛擬化技術(shù)處于時(shí)代前沿、
圖1云計(jì)算平臺(tái)歲輯層次
按照虛擬化實(shí)現(xiàn)的要求，虛擬化技術(shù)應(yīng)具備以下技術(shù)要點(diǎn)。
a)在一個(gè)物理系統(tǒng)中可以支持多個(gè)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。
b)可在擴(kuò)展或擴(kuò)張?bào)w系結(jié)構(gòu)中將服務(wù)器整合到虛擬機(jī)中。
c)計(jì)算資源被視為以可控方式分配給虛擬機(jī)的統(tǒng)一資源池。
d)虛擬機(jī)與主機(jī)和其他虛擬機(jī)完全隔離，如果一個(gè)虛擬機(jī)崩潰，所有其他虛擬機(jī)不會(huì)受到影響。
s)虛擬機(jī)之間不會(huì)泄露數(shù)據(jù)，而且應(yīng)用程序只能通過配置的網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通信。
f)完整的虛擬機(jī)環(huán)境保存為單個(gè)文件，便于進(jìn)行備份、移動(dòng)和復(fù)制。
g)為應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬硬件，可保證兼容性。
h)整合多余硬件和提高服務(wù)器利用率。
目前服務(wù)器虛擬化中的實(shí)現(xiàn)層次類別可以分為硬件層虛擬化、邏輯層虛擬化、軟件層虛擬化。
a)硬件層虛擬化。硬件層虛擬化指服務(wù)器硬件提供結(jié)構(gòu)支持幫助創(chuàng)建虛擬機(jī)監(jiān)視并允許客戶機(jī)操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，不需要操作系統(tǒng)支持�？芍苯訉τ布Y源進(jìn)行劃分，任一分區(qū)內(nèi)的操作系統(tǒng)和硬件故障不影響其他分區(qū)。
b)邏輯層虛擬化。邏輯虛擬化是指在系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間以軟件和固件的形式將硬件資源進(jìn)行虛擬化。不需要操作系統(tǒng)支持，任一分區(qū)的操作系統(tǒng)故障不影響其他分區(qū)。
c)軟件層虛擬化。軟件虛擬化是指在主操作系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)虛擬層軟件，可以安裝多種客戶操作系統(tǒng)，任何一個(gè)客戶系統(tǒng)的故障不影響其他用戶的操作系統(tǒng)，需要主操作系統(tǒng)支持。
目前云計(jì)算中一般采用廉價(jià)的x86服務(wù)器構(gòu)建資源池，也有部分系統(tǒng)根據(jù)其需求采用中高檔服務(wù)器構(gòu)建資源池，而軟件層虛擬化技術(shù)使用較少。
相對硬件虛擬模式而言，邏輯虛擬模式會(huì)占用一定比例的系統(tǒng)資源。目前大中型服務(wù)器采用硬件虛擬化;A1X和HP-UX上的虛擬效率在90%以上，虛擬化損耗約為5%;而x86架構(gòu)一般采用邏輯虛擬化，虛擬效率則在80%左右，虛擬化損耗大約為20%。
3 虛擬化技術(shù)探討
在云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)中，上述虛擬化技術(shù)類別均有涉及，服務(wù)器虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要是分區(qū)(包括硬分區(qū)或軟分區(qū)，也稱物理或邏輯分區(qū))和底層硬件模擬(部分模擬或完全模擬)。
3.1分區(qū)
分區(qū)是小型機(jī)中廣泛使用的一種虛擬化技術(shù)，通常由服務(wù)器的軟件層和硬件層共同實(shí)現(xiàn)，為上層操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供相互隔離的運(yùn)行環(huán)境。采用分區(qū)技術(shù)的服務(wù)器中，服務(wù)器的固件記錄分區(qū)的配置信息，用以界定每個(gè)分區(qū)能夠訪問的GPU、內(nèi)存等資源的范圍和數(shù)量。同時(shí)，服務(wù)器底層軟件可以通過對不同資源的激活和釋放等操作，實(shí)現(xiàn)資源在不同分區(qū)之間的調(diào)度。分區(qū)技術(shù)起源于大型主機(jī)，目前小型機(jī)廠家的許多虛擬化產(chǎn)品，例如HP的near ，IBM的1Par都是基于或部分基于分區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
3.2底層硬件模擬
底層硬件模擬是目前大多數(shù)虛擬化產(chǎn)品使用的虛擬化技術(shù)，它利用虛擬機(jī)監(jiān)視器(VMM，也叫虛擬機(jī)管理程序)來模擬底層硬件的功能，為上層操作系統(tǒng)提供虛擬的運(yùn)行環(huán)境。從操作系統(tǒng)的角度來看，運(yùn)行在虛擬機(jī)上與運(yùn)行在其對應(yīng)的物理服務(wù)器上幾乎沒有區(qū)別。
采用VMM實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器虛擬化通常分為2種類型。
3.2.1 Type I:裸金屬架構(gòu)
Type I虛擬化架構(gòu)(見圖2中邏輯層虛擬化部分)不需要在服務(wù)器上先安裝操作系統(tǒng)，而是直接將VMM安裝在服務(wù)器硬件設(shè)備中，本質(zhì)上Type I架構(gòu)中的VMM也可以認(rèn)為是一個(gè)操作系統(tǒng)，只不過是非常輕量級(jí)的操作系統(tǒng)(實(shí)現(xiàn)核心功能)。
圖2虛擬化技術(shù)層次
VMM實(shí)現(xiàn)從虛擬資源到物理資源的映射，當(dāng)虛擬機(jī)中的操作系統(tǒng)通過特權(quán)指令訪問關(guān)鍵系統(tǒng)資源時(shí)，VMM將接管其請求，并進(jìn)行相應(yīng)的模擬處理。為了使這種機(jī)制能夠有效地工作，每條特權(quán)指令的執(zhí)行都需要產(chǎn)生“自陷”以便VMM能夠捕獲該指令，從而使得VMM能夠模擬執(zhí)行相應(yīng)的指令。VMM通過模擬特權(quán)指令的執(zhí)行，并將處理結(jié)果返回給指定的客戶虛擬系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)了不同虛擬機(jī)的運(yùn)行上下文保護(hù)與切換，從而能夠虛擬出多個(gè)硬件系統(tǒng)，保證了各個(gè)客戶虛擬系統(tǒng)的有效隔離。
然而，x86體系結(jié)構(gòu)的處理器并不是完全支持虛擬化的，因?yàn)槟承﹛86特權(quán)指令在低特權(quán)級(jí)上下文執(zhí)行時(shí)，不能產(chǎn)生自陷，導(dǎo)致VMM無法直接捕獲特權(quán)指令的執(zhí)行。
目前，針對這一問題的解決方案主要有基于動(dòng)態(tài)指令轉(zhuǎn)換或硬件輔助的完全虛擬化技術(shù)和半虛擬化技術(shù)。
完全虛擬化是對真實(shí)物理服務(wù)器的完整模擬，在上層操作系統(tǒng)看來，虛擬機(jī)與物理平臺(tái)沒有區(qū)別。操作系統(tǒng)察覺不到是否運(yùn)行在虛擬平臺(tái)之上，也無須進(jìn)行任何更改，因此完全虛擬化具有很好的兼容性，在服務(wù)器虛擬化中得到廣泛應(yīng)用。
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來說，完全虛擬化需要VMM能夠處理虛擬機(jī)所有可能的行為。完全虛擬化的發(fā)展經(jīng)歷了基于軟件輔助和基于硬件輔助2個(gè)階段。
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本文標(biāo)題：云計(jì)算中服務(wù)器虛擬化技術(shù)探討(上)
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