主流虛擬化技術基礎知識及發(fā)展趨勢

實用標準文檔實用標準文檔文案大全文案大全一、背景知識云計算平臺需要有資源池為其提供能力輸出，這種能力包括計算能力、存儲能力和網(wǎng)絡能力，為了將這些能力調(diào)度到其所需要的地方，云計算平臺還需要對能力進行調(diào)度管理，這些能力均是由虛擬化資源池提供的。云計算離不開底層的虛擬化技術支持。維基百科列舉的虛擬化技術有超過0種，基于 體系的超過0種，也有基于體系的，其中有種虛擬化技術是當前最為成熟而且應用最為廣泛的，分別是： 的、微軟的、開源的和。云計算平臺選用何種虛擬化技術將是云計算建設所要面臨的問題，文章就4種主流虛擬化技術的架構層面進行了對比分析。形成資源池計算能力的物理設備，大概有兩種，一種是基于 的大小型機，另一種是基于的 服務器。大小型機通常意味著高性能、高可靠性和高價格，而 服務器與之相比有些差距，但隨著 和 等處理器廠商技術的不斷發(fā)展，原本只在小型機上才有的技術已經(jīng)出現(xiàn)在了處理器上，如位技術、虛擬化技術、多核心技術等等，使得服務器在性能上突飛猛進。通過組織在年月份所公布的單機計算機性能排名中可以看出，路核的 服務器性能已經(jīng)位列前名，更重要的是 服務器的性價比相對小型機有約倍的優(yōu)勢。因此，選擇 服務器作為云計算資源池，更能凸顯出云計算的低成本優(yōu)勢。由于單機計算機的處理能力越來越大，以單機資源為調(diào)度單位的顆粒度就太大了，因此需要有一種技術讓資源的調(diào)度顆粒更細小，使資源得到更有效和充分的利用，這就引入了虛擬化技術。當前虛擬化技術中主流和成熟的有4種：的、微軟的 、開源的和V二、虛擬化架構分析從虛擬化的實現(xiàn)方式來看，虛擬化架構主要有兩種形式：宿主架構和裸金屬架構。在宿主架構中的虛擬機作為主機操作系統(tǒng)的一個進程來調(diào)度和管理，裸金屬架構下則不存在主機操作系統(tǒng)，它是以 直接運行在物理硬件之上，即使是有類似主機操作系統(tǒng)的父分區(qū)或 ，也是作為裸金屬架構下的虛擬機存在的。宿主架構通常用于個人上的虛擬化，如 i, i等，而裸金屬架構通常用于服務器的虛擬化，如文中提及的4種虛擬化技術。的虛擬化架構是一個“虛擬”軟件公司。它的產(chǎn)品可以使你在一臺機器上同時運行二個或更多 d、 系統(tǒng)。與“多啟動”系統(tǒng)相比， 采用了完全不同的概念。多啟動系統(tǒng)在一個時刻只能運行一個系統(tǒng)，在系統(tǒng)切換時需要重新啟動機器。 是真正“同時”運行，多個操作系統(tǒng)在主系統(tǒng)的平臺上，就象標準 應用程序那樣切換。而且每個操作系統(tǒng)你都可以進行虛擬的分區(qū)、配置而不影響真實硬盤的數(shù)據(jù)，你甚至可以通過網(wǎng)卡將幾臺虛擬機用網(wǎng)卡連接為一個局域網(wǎng)，極其方便。安裝在 操作系統(tǒng)性能上比直接安裝在硬盤上的系統(tǒng)低不少，因此，比較適合學習和測試。服務器啟動時，首先啟動 ，通過這個操作系統(tǒng)加載虛擬化組件，最重要的是 的 組件，稱之為 , 會從完全接管對硬件的控制權，而該 作為 的首個虛擬機，用于承載 的 ，實現(xiàn)本地的一些管理功能。負責為所承載的虛擬機調(diào)度所有的硬件資源，但不同類型的硬件會有些區(qū)別。虛擬機對于 和內(nèi)存資源是通過 直接訪問，最大程度地減少了開銷， 的直接訪問得益于 硬件輔助虛擬化 和 ，第一代虛擬化技術，內(nèi)存的直接訪問得益于 內(nèi)存管理單元，屬于 中的一項特征硬件輔助虛擬化 和 ，第二代虛擬化技術）虛擬機對于 設備的訪問則有多種方式，以網(wǎng)卡為例，有兩種方式可供選擇：一是利用 硬件輔助虛擬化 和的/使得虛擬機可以直接訪問硬件設備，從而減少對的開銷；二是利用半虛擬化的設備 ，網(wǎng)卡的物理驅(qū)動在 中，在虛擬機中裝載網(wǎng)卡的虛擬驅(qū)動，通過這二者的配對來訪問網(wǎng)卡，與仿真式網(wǎng)卡 相比有著較高的效率。半虛擬化設備的安裝是由虛擬機中 來實現(xiàn)的，可以在 虛擬機的右下角找到它。網(wǎng)卡的這兩種方式，前者有著顯著的先進性，但后者用得更為普遍，因為 與虛擬化的一些核心功能不兼容，如：熱遷移、快照、容錯、內(nèi)存過量使用等。的物理驅(qū)動是內(nèi)置在 中，所有設備驅(qū)動均是由預植人的。因此，對硬件有嚴格的兼容性列表，不在列表中的硬件，將拒絕在其上面安裝。的虛擬化架構是微軟新一代的服務器虛擬化技術，首個版本于 年月發(fā)布，目前最新版本是 年月發(fā)布版， 有兩種發(fā)布版本：一是獨立版，如 ，以命令行界面實現(xiàn)操作控制，是一個免費的版本；二是內(nèi)嵌版，如 ， 作為一個可選開啟的角色。對于一臺沒有開啟 角色的 來說，這個操作系統(tǒng)將直接操作硬件設備，一旦在其中開啟了 角色，系統(tǒng)會要求重新啟動服務器。雖然重啟后的系統(tǒng)在表面看來沒什么區(qū)別，但從體系架構上看則與之前的完全不同了。在這次重啟動過程中， 的 接管了硬件設備的控制權，先前的 則成為 的首個虛擬機，稱之為父分區(qū)，負責其他虛擬機稱為子分區(qū)以及設備的管理。 要求必須具備硬件輔助虛擬化，但對 硬件輔助虛擬化則是一個增強選項。其實 僅實現(xiàn)了 的調(diào)度和內(nèi)存的分配，而父分區(qū)控制著設備，它通過物理驅(qū)動直接訪問網(wǎng)卡、存儲等。子分區(qū)要訪問 設備需要通過子分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)的 虛擬化服務客戶端，對 的請求由 虛擬機總線傳遞到父分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)的 虛擬化服務提供者，再由 重定向到父分區(qū)內(nèi)的物理驅(qū)動，每種 設備均有各自的 和配對，如存儲、網(wǎng)絡、視頻和輸入設備等，整個 設備訪問過程對于子分區(qū)的操作系統(tǒng)是透明的。其實在子分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)， 和 就是作為 設備的虛擬驅(qū)動，它是子分區(qū)操作系統(tǒng)首次啟動時由 提供的集成服務包安裝，這也算是一種半虛擬化的設備，使得虛擬機與物理 設備無關。如果子分區(qū)的操作系統(tǒng)沒有安裝 集成服務包或者不支持 集成服務包對于這種操作系統(tǒng)，微軟稱之為 t如未經(jīng)認證支持的 版本和舊的 版本），則這個子分區(qū)只能運行在仿真狀態(tài)。其實微軟所宣稱的啟蒙式操作系統(tǒng)，就是支持半虛擬化驅(qū)動的操作系統(tǒng)。的 是一個非常精簡的軟件層，不包含任何物理驅(qū)動，物理服務器的設備驅(qū)動均是駐留在父分區(qū)的 中，驅(qū)動程序的安裝和加載方式與傳統(tǒng) 系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。因此，只要是支持的硬件，也都能被 所兼容。的虛擬化架構最初是劍橋大學 的一個開源研究項目， 年月發(fā)布了首個版本 ，年 被 公司收購，開源轉(zhuǎn)由繼續(xù)推進，該組織成員包括個人和公（口 、 等）的缺點是操作系統(tǒng)必須進行顯式地修改“移植”）以在上運行（但是提供對用戶應用的兼容性），所以比較麻煩。使得無需特殊硬件支持，就能達到高性能的虛擬化。 的官方內(nèi)核在較早之前已經(jīng)去掉了對的支持。。相對于和 來說， 支持更廣泛的 架構，前兩者只支持的 架構， 除此之外還支持 架構，如6等。的 是服務器經(jīng)過啟動之后載入的首個程序，然后啟動一個具有特定權限的虛擬機，稱之為 簡稱。 的操作系統(tǒng)可以是 或， 實現(xiàn)對 控制和管理功能。在所承載的虛擬機中， 是唯一可以直接訪問物理硬件如存儲和網(wǎng)卡的虛擬機，它通過本身加載的物理驅(qū)動，為其它虛擬機 ，簡稱提供訪問存儲和網(wǎng)卡的橋梁。支持兩種類型的虛擬機，一類是半虛擬化， ，另一類是全虛擬化稱其為， 、半虛擬化需要特定內(nèi)核的操作系統(tǒng)，如基于 內(nèi)核的一套編譯選項框架的內(nèi)核，而 操作系統(tǒng)由于其封閉性則不能被的半虛擬化所支持，的半虛擬化有個特別之處就是不要求具備硬件輔助虛擬化，這非常適用于200年7之前的舊服務器虛擬化改造。全虛擬化支持原生的操作系統(tǒng)，特別是針對 這類操作系統(tǒng)， 的全虛擬化要求 具備硬件輔助虛擬化，它修改的 仿真所有硬件，包括： 、控制器、顯示卡、 控制器和網(wǎng)卡等。為了提升 性能，全虛擬化特別針對磁盤和網(wǎng)卡采用半虛擬化設備來代替仿真設備，這些設備驅(qū)動稱之為 ，為了使有最佳性能。應具備硬件輔助虛擬化。的 層非常薄，少于萬行的代碼量，不包含任何物理設備驅(qū)動，這一點與 是非常類似的，物理設備的驅(qū)動均是駐留在 中，可以重用現(xiàn)有的 設備驅(qū)動程序。因此，對硬件兼容性也是非常廣泛的，支持的，它就支持。的虛擬化架構的全稱是 ，字面意思是基于內(nèi)核虛擬機。其最初是由 公司開發(fā)的一個開源項目， 年月首次被整合到核心中； 年， 被 所收購，但 本身仍是一個開源項目，由、等廠商支持。作為 內(nèi)核中的一個模塊，與內(nèi)核一起發(fā)布。 是指基于 內(nèi)核（ ）的虛擬機（）i 最大的好處就在于它是與 內(nèi)核集成的，所以速度很快。的宿主操作系統(tǒng)必須是 ，支持的客戶機操作系統(tǒng)包括 、 、和，運行在支持虛擬化擴展的 和 硬件架構上，這意味著不能運行在老式 上，新如果不支持虛擬化擴展也不能運行（如英特爾的 處理器）。。與類似， 支持廣泛的 架構，除了 架構之外，還將會支持大型機 、小型機 、及等。充分利用了的硬件輔助虛擬化能力，并重用了 內(nèi)核的諸多功能，使得本身是非常瘦小的，的創(chuàng)始者 聲稱模塊僅有約 行代碼，但我們不能認為的 就是這個代碼量，因為從嚴格意義來說，本身并不是 ，它僅是 內(nèi)核中的一個可裝載模塊，其功能是將內(nèi)核轉(zhuǎn)換成一個裸金屬的 v這相對于其它裸金屬架構來說，它是非常特別的，有些類似于宿主架構，業(yè)界甚至有人稱其是半裸金屬架構。通過模塊的加載將 內(nèi)核轉(zhuǎn)變成 ，在內(nèi)核的用戶 模式和內(nèi)核 模式基礎上增加了客戶模式。本身運行于內(nèi)核模式，主機進程運行于用戶模式，虛擬機則運行于客戶模式，使得轉(zhuǎn)變后的 內(nèi)核可以將主機進程和虛擬機進行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，這也是名稱的由來。利用修改的提供、顯卡、網(wǎng)絡、磁盤控制器等的仿真，但對于設備主要指網(wǎng)卡和磁盤控制器來說，則必然帶來性能低下的問題。因此， 也引入了半虛擬化的設備驅(qū)動，通過虛擬機操作系統(tǒng)中的虛擬驅(qū)動與主機 內(nèi)核中的物理驅(qū)動相配合，提供近似原生設備的性能。從此可以看出，支持的物理設備也即是 所支持的物理設備。本文所討論的4種虛擬化技術都用到了半虛擬化驅(qū)動，若要在不同虛擬化架構之間遷移虛擬機，這些半虛擬化驅(qū)動將必然帶來兼容性問題。因此， 和聯(lián)合 社區(qū)推出 半虛擬化驅(qū)動開發(fā)標準，基于 的半虛擬化驅(qū)動獨立于 ，跨平臺遷移時半虛擬化驅(qū)動仍可重用，使得不同虛擬化架構之間更容易實現(xiàn)互操作。2.5架構分析總結目前，傳統(tǒng)概念下的半虛擬化和全虛擬化的界線越來越模糊了，而且半虛擬化和全虛擬化得到了有機的整合，如半虛擬化的設備驅(qū)動和全虛擬化的虛擬機在上述四種虛擬化架構中得到了統(tǒng)一，很多虛擬化廠商也不再明確自己的虛擬化產(chǎn)品歸類如 和微軟。隨著 硬件輔助虛擬化技術發(fā)展到了二代，而且新版的操作系統(tǒng)對虛擬化技術的原生支持如 的 ，的內(nèi)核選項，以及 對虛擬機的 調(diào)度和內(nèi)存管理越來越少的干預。則軟件做得越少而硬件做得越多，如虛擬機之間內(nèi)存管理所需用到的地址翻譯由軟件的影式分頁 轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎布铀俚那短追猪搃各種虛擬化技術既有全虛擬化技術對操作系統(tǒng)的兼容性，又有半虛擬化技術所帶來的性能優(yōu)勢。從架構上來看，各種虛擬化技術沒有明顯的性能差距，穩(wěn)定性也在逐漸逼近中，各自有著自身的優(yōu)勢場景和市場群體。因此，我們在進行虛擬化技術選型時，不應局限于某一種虛擬化技術，而應該有一套綜合管理平臺實現(xiàn)對各種虛擬化技術的兼容并蓄，實現(xiàn)不同技術架構的統(tǒng)一管理及跨技術架構的資源調(diào)度，最終達到云計算可運營的目。三、綜合對比的對比如下表所示。名稱是否開源是否免費性能優(yōu)點缺點是是高是內(nèi)核本身的一部分，因此可以利用內(nèi)核的優(yōu)化和改進高性能穩(wěn)定無需修改客戶機系統(tǒng)開源、免費運行在內(nèi)核之上的寄居式虛擬化架構，會消耗比較多的計算資源是是高性能較好開源、免費操作復雜，維護成本較高，否否一般比較成熟的商業(yè)軟件，市場占有率較大不開源，需要付費否否一般比較成熟的商業(yè)軟件，微軟服務器操作系統(tǒng)在中小企業(yè)有一定的占有率產(chǎn)品組件注由于 獨特的虛擬化架構會消耗比較多的計算資源，不過針對這一點，t已經(jīng)在處理器設計上有專門的和擴展，這種特性在每次硬件更新的時候也會更新，往往每次更新后都對虛擬化性能和速度上有明顯的提升，所以長遠來看，也不是什么大問題。四、技術發(fā)展趨勢 ？下面這些觀點來自于 哪個更好？？現(xiàn)階段在穩(wěn)定和功能上略勝一籌（因 被思杰收購后不再開源）。獲得的社區(qū)支持更多。被商業(yè)公司收購之后， 會在各方面有所改變。雖然現(xiàn)在還無法和相比，但是其植入 內(nèi)核，以及被社區(qū)支持，大家更看好它的未來。開源社區(qū)拋棄，就像拋棄 一樣。如果要發(fā)展可能來自的支持。在開源社區(qū) 的式微是不可避免。 ， ，已經(jīng)處于轉(zhuǎn)換中。丟棄用， 丟棄用。就更不用說了，當然支持自家的。完全開源，而只有核才開源。 指望及外圍工具掙錢呢。最大的優(yōu)勢是：隨著 的更新: