论虚拟化在云计算中的应用

虚拟化在云计算中的应用

1 什么是虚拟化技术

迄今为止，虚拟化在业界还没有一个公认的定义。实际上，虚拟化涉及的范围很广，包括网络虚拟化、存储虚拟化、服务器虚拟化、桌面虚拟化、应用程序虚拟化、表示层虚拟化等。本文所说的虚拟化主要指服务器虚拟化。一般来讲，虚拟化是一个抽象层，它将物理硬件与操作系统分开，从而提供更高的IT 资源利用率和灵活性。处理器、内存、存储和网络等硬件资源被抽象成标准化的虚拟硬件，与包括操作系统和应用程序在内的完整运行环境一起封装在独立于硬件的虚拟机中，而虚拟机以文件形式保存，因此可以快速对其进行保存、复制和部署。服务器虚拟化技术原理如图1所示。

2 虚拟化技术的发展过程和

现状

2.1 虚拟机演进路径

虚拟化技术源于大型机。早在

上世纪60年代，IBM公司就发

明了一种操作系统虚拟机技

术，允许在一台主机上运行多

个操作系统，让用户尽可能地

充分利用昂贵的大型机资源。

随着技术发展和市场竞争的

需要，大型机上的技术开始向小型机或UNIX服务器移植。IBM、HP和Sun后来都将虚拟化技术引入各自高端RISC服务器系统中。

经过40多年的发展，虚拟化技术获得了长足的进步，服务器虚拟化技术也随着应用的普及日臻完善。随着X86服务器性能的提升和应用普及，大量的X86服务器已经慢慢成为IT管理的难点，虚拟化技术也开始逐渐在x86架构上流行起来，以控制服务器的无度增长以及提高服务器资源的利用率。

2.2 虚拟化技术的现状

目前有4种类型的虚拟化技术：

(1) 完全虚拟化

目前最主要的虚拟化方法，使用名为hypervisor的一种软件，在虚拟服务器和底层硬件之间建立一个抽象层。hypervisor可以捕获CPU指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。在完全虚拟化的环境下，hypervisor运行在裸硬件上，充当主机操作系统，而由hypervisor管理的虚拟服务器运行客户端操作系统(guest OS)。完全虚拟化技术的优点是操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上；主要缺点是，hypervisor给处理器带来开销。VMware和微软的Virtual PC是该方法的两个代表性商用产品，而基于核心的虚拟机(KVM)是面向Linux系统的开源产品。

(2) 准虚拟化

准虚拟化(para-virtualization)减轻了处理器的负担，客户操作系统需要在核心层面进行改动，能够与

hypervisor协同工作。准虚拟化技术的优点是性能高，经过准虚拟化处理的服务器可与hypervisor协同工作，其响应能力几乎不亚于未经过虚拟化处理的服务器；缺点是只适用于BSD、Linux、Solaris等某些开源操作系统，不适用于Windows

等专有操作系统。Xen是开源准虚拟化技术

的一个例子。

(3) 操作系统层虚拟化

操作系统层虚拟化没有独立的hypervisor层，主机操作系统本身负责在多个虚拟服务器之间分配硬件资源，并且让这些服务器彼此独立。操作系统层虚拟化的缺点是所有虚拟服务器必须运行同一操作系统(不过每个实例有各自的应用程序和用户账户)，灵活性比较差；优点是本机速度性能比较高，由于架构在所有虚拟服务器上使用单一、标准的操作系统，管理起来比异构环境要容易。Solaris Container就是这方面的一个例子，Virtuozzo/OpenVZ是面向Linux的软件方案。

(4) 硬件虚拟化

除了软件外，虚拟化也从纯软件逐渐深入到处理器级虚拟化和输入/输出级虚拟化，AMD和英特尔提供的最新一代芯片在设计时都考虑到了硬件虚拟化功能。英特尔的虚拟化技术（VT）和AMD的虚拟化技术（AMD-V）把虚拟硬件仿真方面的部分繁重任务从软件转移到了硬件，并且把某些内存管理功能转移到了用软件处理的CPU微代码里面。这些努力使得x86平台的CPU更适合处理虚拟服务器带来的特有工作负载。

3 虚拟化技术特性

综合虚拟化技术的发展过程和现状，结合其实现原理，可以总结出虚拟化技术的6大特性：

(1) 软件实现。以软件的方式模拟硬件，通过软件的方式逻辑切分服务器资源，形成统一的虚拟资源池，创建虚拟机运行的独立环境。

(2) 隔离运行。运行在同一物理服务器上的多个虚拟机之间相互隔离，虚拟机与虚拟机之间互不影响。包括：计算隔离、数据隔离、存储隔离、网络隔离、访问隔离，虚拟机之间不会泄露数据，应用程序只能通过配置的网络连接进行通信。

(3) 封装抽象。操作系统和应用被封装成虚拟机，封

装是虚拟机具有自由迁移能力的前提。真实硬件被封装成标准化的虚拟硬件，整个虚拟机以文件形式保存，便于进行备份、移动和复制。

(4) 硬件独立。服务器虚拟化带来了虚拟机和硬件相互依赖性的剥离，为虚拟机的自由移动提供了良好的平台。

(5) 广泛兼容。兼容多种硬件平台，支持多种操作系统平台。

(6) 标准接口。虚拟硬件遵循业界标准化接口，以保证兼容性。

4 IDC目前的现状及发展瓶颈

IDC（网络数据中心）是一种拥有完善的设备（包括高速互联网接入带宽、高性能局域网络、安全可靠的机房环境等）、专业化的管理、完善的应用级服务的服务平台。在这个平台基础上，IDC服务商为企业和ISP、ICP、ASP等客户提供互联网基础平台服务以及各种增值服务。经营IDC业务的公司中，主机托管和整机租赁、虚拟主机等业务是IDC 的主要支柱业务，此外，还衍生出一些增值业务，域名注册、企业邮局、网站建设、网站加速服务以及VPN 服务，网络安全服务、代维服务和数据存储等增

值服务。

目前，IDC在规模不断发展的同时，其成本也在不断上升，遇到了发展的瓶颈：比如电力、机房的面积和带宽不可能随着规模扩大而快速地扩展；同时，IDC90%的服务器，90%的时间，CPU占有率低于10%，意味着资源有很大的浪费；IDC 的管理和维护成本随着规模的扩大也在不断上升。IDC需要有新的技术手段，充