《KVM虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐》課件1第一章

虛擬化與云計(jì)算虛擬化概述虛擬化概念分類主流虛擬化產(chǎn)品概述1第1章虛擬化與云計(jì)算1.1虛擬化概述1.1.1云計(jì)算概念及其體系結(jié)構(gòu)1、云計(jì)算的概念狹義的云計(jì)算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的IT基礎(chǔ)設(shè)施。云計(jì)算廠商通過(guò)分布式計(jì)算和虛擬化技術(shù)搭建數(shù)據(jù)中心或超級(jí)計(jì)算機(jī)，以免費(fèi)或按需租用的方式向技術(shù)開(kāi)發(fā)者或者企業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析以及科學(xué)計(jì)算等服務(wù)。廣義的云計(jì)算是指服務(wù)的交付和使用模式，指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)。這種服務(wù)可以是與IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是任意其他的服務(wù)，它具有超大規(guī)模、虛擬化、可靠安全等特性。廠商通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集群，向各種類型的客戶提供在線軟件服務(wù)、軟件租借、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析等不同類型的服務(wù)。第1章虛擬化與云計(jì)算2、云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)按照下面的幾種方式介紹一下云計(jì)算的類別。第一種，IaaS。IaaS通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供了數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)架構(gòu)硬件和軟件資源。IaaS可以提供服務(wù)器、操作系統(tǒng)、磁盤(pán)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)和信息資源。

第二種，PaaS。PaaS提供了基礎(chǔ)架構(gòu)，軟件開(kāi)發(fā)者可以在這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)之上建設(shè)新的應(yīng)用，或者擴(kuò)展已有的應(yīng)用，同時(shí)卻不必購(gòu)買開(kāi)發(fā)、質(zhì)量控制或生產(chǎn)服務(wù)器。第1章虛擬化與云計(jì)算

第三種，SaaS。SaaS是最為成熟、最出名，也是得到最廣泛應(yīng)用的一種云計(jì)算。大家可以將它理解為一種軟件分布模式，在這種模式下，應(yīng)用軟件安裝在廠商或者服務(wù)供應(yīng)商那里，用戶可以通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)使用這些軟件，通常使用的網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)。IaaS、PaaS和SaaS之間的區(qū)別并不是那么重要，因?yàn)檫@三種模式都是采用外包的方式來(lái)減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)，降低管理、維護(hù)服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)硬件、基礎(chǔ)架構(gòu)軟件或應(yīng)用軟件的人力成本的。第1章虛擬化與云計(jì)算

云計(jì)算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)分為4層：物理資源層、資源池層、管理中間件層和SOA(Service-OrientedArchitecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))構(gòu)建層，如圖1-1所示。

物理資源層包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件等。

資源池層是將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源池，如計(jì)算資源池、數(shù)據(jù)資源池等。第1章虛擬化與云計(jì)算

管理中間件層負(fù)責(zé)對(duì)云計(jì)算的資源進(jìn)行管理，包括資源管理、任務(wù)管理、用戶管理和安全管理等工作，并對(duì)眾多應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使資源能夠高效、安全地為應(yīng)用提供服務(wù)。SOA構(gòu)建層將云計(jì)算能力封裝成標(biāo)準(zhǔn)的WebServices服務(wù)，并納入到SOA體系進(jìn)行管理和使用，包括服務(wù)注冊(cè)、查找、訪問(wèn)和構(gòu)建服務(wù)工作流等。管理中間件和資源池層是云計(jì)算技術(shù)的最關(guān)鍵部分，SOA構(gòu)建層的功能更多依靠外部設(shè)施提供。第1章虛擬化與云計(jì)算圖1-1云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)第1章虛擬化與云計(jì)算1.1.2虛擬化的基本概念

虛擬化是對(duì)資源的邏輯抽象、隔離、再分配、管理的一個(gè)過(guò)程，通常對(duì)虛擬化的理解有廣義與狹義兩種。廣義的虛擬化意味著將不存在的事物或現(xiàn)象“虛擬”成為存在的事物或現(xiàn)象的方法，計(jì)算機(jī)科學(xué)中的虛擬化包括平臺(tái)虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、設(shè)備虛擬化等。狹義的虛擬化專指在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)。第1章虛擬化與云計(jì)算一般的虛擬化的定義包括以下幾個(gè)方面：(1)虛擬的內(nèi)容是資源(包括CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等)；(2)虛擬出的物理資源有著統(tǒng)一的邏輯表示，而且這種邏輯表示能夠提供給用戶與被虛擬的物理資源大部分相同或完全相同的功能；(3)經(jīng)過(guò)一系列的虛擬化過(guò)程，使得資源不受物理資源的限制和約束，由此可以帶給我們與傳統(tǒng)IT相比更多的優(yōu)勢(shì)，包括資源整合、提高資源利用率、動(dòng)態(tài)IT等。第1章虛擬化與云計(jì)算從計(jì)算機(jī)的不同層次觸發(fā)的虛擬化定義：圖1-2計(jì)算機(jī)的服務(wù)層級(jí)第1章虛擬化與云計(jì)算

硬件部分，硬件廠家雖然可以用各式各樣的新技術(shù)來(lái)制作先進(jìn)的產(chǎn)品，但還是得考慮到產(chǎn)品的通用性。以CPU為例，雖然各種CPU廠家都以高速低耗電為主要設(shè)計(jì)原則，但從信息行業(yè)來(lái)說(shuō)，還是有幾個(gè)必須遵守的架構(gòu)，如Intel架構(gòu)、PowerPC架構(gòu)等。這也是硬件廠家在設(shè)計(jì)時(shí)的較少制約。第1章虛擬化與云計(jì)算

操作系統(tǒng)的功能很復(fù)雜，主要是硬件與上層用戶的溝通。舉例來(lái)說(shuō)，如果你買了一塊新的顯示適配器想要玩三維游戲，必須先安裝驅(qū)動(dòng)程序才能發(fā)揮硬件的功能及效能。這時(shí)操作系統(tǒng)的用處，就是提供游戲和硬件之間溝通的管道(驅(qū)動(dòng)程序)，因此沒(méi)有操作系統(tǒng)的話，硬件和用戶之間是被隔離的。

第1章虛擬化與云計(jì)算

對(duì)于框架庫(kù)而言，大家都有使用IE瀏覽器的經(jīng)驗(yàn)，如果你在使用IE時(shí)，只將“C:\ProgramFiles\InternetExplorer\iexplore.exe”克隆出來(lái)，再拿到另一臺(tái)電腦使用，這個(gè)IE是無(wú)法運(yùn)行的。原因是這個(gè)IE在運(yùn)行時(shí)，雖然有運(yùn)行文件了，但還需要底層的框架提供各種功能。這些框架就是所謂的底層架構(gòu)(Framework)。這么做的好處是讓程序開(kāi)發(fā)人員有一個(gè)共通的平臺(tái)，并且也能確保開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件能在任何安裝Framework的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

第1章虛擬化與云計(jì)算

應(yīng)用程序就是我們所看到的單獨(dú)的軟件，如Chrome、Word等。當(dāng)我們要使用軟件時(shí)，只要運(yùn)行該軟件的可執(zhí)行文件就可以。計(jì)算機(jī)中軟件的單位都是可執(zhí)行文件，再大的軟件都有一個(gè)代表性的可執(zhí)行文件。

軟件呈現(xiàn)出來(lái)的功能稱為服務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)現(xiàn)代的軟件服務(wù)包括了物理數(shù)據(jù)(放在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中)、業(yè)務(wù)邏輯以及界面(Interface)。

第1章虛擬化與云計(jì)算1.1.3虛擬化的目的虛擬化主要針對(duì)的問(wèn)題就是硬件資源效率的低落。在計(jì)算機(jī)CPU和內(nèi)存的效能及數(shù)量以摩爾定律倍數(shù)成長(zhǎng)的同時(shí)，CPU和內(nèi)存在操作系統(tǒng)中的使用效率低落的情況反而加重。所謂的效率低落，就是無(wú)法完全發(fā)揮CPU的完整性能。虛擬化的主要目的是對(duì)IT基礎(chǔ)設(shè)施和資源管理方式的簡(jiǎn)化，以幫助企業(yè)減少IT資源的開(kāi)銷，整合資源，節(jié)約成本。

第1章虛擬化與云計(jì)算虛擬化主要解決的問(wèn)題，則體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：(1)可以在一個(gè)特定的軟硬件環(huán)境中虛擬另一個(gè)不同的軟硬件環(huán)境，并且可以打破層級(jí)依賴的現(xiàn)狀。(2)提高計(jì)算機(jī)設(shè)備的利用率。可以在一臺(tái)物理服務(wù)器上同時(shí)安裝并運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，從而提高物理設(shè)備的使用率。(3)在不同的物理服務(wù)器之間會(huì)存在兼容性的問(wèn)題。為使不同品牌、不同硬件兼容，虛擬化可以統(tǒng)一虛擬硬件而達(dá)到使其相互融合的目的。第1章虛擬化與云計(jì)算(4)虛擬化可節(jié)約潛在成本。在硬件采購(gòu)、操作系統(tǒng)許可、電力消耗、機(jī)房溫度控制和服務(wù)器機(jī)房空間等方面都可體現(xiàn)節(jié)約成本的效果，如表1-1所示。表1-1虛擬化可節(jié)約的潛在成本第1章虛擬化與云計(jì)算虛擬化在解決的問(wèn)題的同時(shí)，帶來(lái)的好處包括：(1)降低成本。將硬件資源虛擬化之后，可以有效提高已有硬件的使用率，減少浪費(fèi)，從而降低硬件的采購(gòu)成本與運(yùn)行時(shí)的能耗、管理成本。(2)增加可用性。虛擬化之前，一旦某個(gè)硬件設(shè)備崩潰或者損壞，對(duì)所提供的IT服務(wù)的影響是巨大的。(3)增加可擴(kuò)展性。應(yīng)用程序?qū)τ谟?jì)算資源以及存儲(chǔ)資源的需求存在著一定的波動(dòng)，將硬件進(jìn)行虛擬化后可以做到“物盡其用”，均衡各個(gè)服務(wù)器之間的負(fù)載。(4)方便管理。在將各個(gè)服務(wù)器統(tǒng)一到虛擬化平臺(tái)后，可以有效地提高管理效率，便于發(fā)現(xiàn)IT服務(wù)中的問(wèn)題和瓶頸。第1章虛擬化與云計(jì)算1.1.4虛擬化與云計(jì)算的關(guān)系

云計(jì)算其實(shí)是包含了許多核心技術(shù)的概念，比如虛擬化、并行計(jì)算、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式存儲(chǔ)等。其中虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的基石，是云計(jì)算服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵的技術(shù)。通過(guò)虛擬化技術(shù)可以將各種硬件、軟件、操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及其他IT資源進(jìn)行虛擬化，并納入到云計(jì)算管理平臺(tái)進(jìn)行管理。這樣一來(lái)，IT能力都可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒芾淼倪壿嬞Y源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以把這些資源像水、電和天然氣一樣提供給最終用戶，以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的最終目標(biāo)。第1章虛擬化與云計(jì)算

云計(jì)算和虛擬化是密切相關(guān)的，但是虛擬化對(duì)于云計(jì)算來(lái)說(shuō)并不是必不可少的。云計(jì)算將各種IT資源以服務(wù)的方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交付給用戶，然而虛擬化本身并不能給用戶提供自服務(wù)層。沒(méi)有自服務(wù)層，就不能提供計(jì)算服務(wù)。云計(jì)算模型允許終端用戶自行提供自己的服務(wù)器、應(yīng)用程序和包括虛擬化等其他的資源，這反過(guò)來(lái)又能使企業(yè)最大程度地處理自身的計(jì)算資源，但這仍需要系統(tǒng)管理員為終端用戶提供虛擬機(jī)。第1章虛擬化與云計(jì)算1.1.5虛擬化未來(lái)的發(fā)展前景

隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，大型機(jī)上的技術(shù)開(kāi)始向小型機(jī)或UNIX服務(wù)器上移植。IBM、HP和SUN后來(lái)都將虛擬化技術(shù)引入各自的高端RISC服務(wù)器系統(tǒng)中。30多年來(lái)，應(yīng)該說(shuō)虛擬化技術(shù)在上述高端產(chǎn)品上的應(yīng)用已經(jīng)日臻成熟。但真正使用大型機(jī)和小型機(jī)的用戶畢竟還是少數(shù)，加上各家產(chǎn)品和技術(shù)之間并不完全兼容，致使虛擬化曲高和寡。第1章虛擬化與云計(jì)算

虛擬化在當(dāng)今新的IT基礎(chǔ)架構(gòu)上產(chǎn)生新的難題包括：(1)基礎(chǔ)架構(gòu)利用率低。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司美國(guó)國(guó)際數(shù)據(jù)集團(tuán)(InternationalDataCorporation，IDC)的報(bào)告，典型的x86服務(wù)器部署平均達(dá)到的利用率僅為總?cè)萘康?0%到15%。(2)物理基礎(chǔ)架構(gòu)成本日益攀升。為支持不斷增長(zhǎng)的物理基礎(chǔ)架構(gòu)而需要的運(yùn)營(yíng)成本穩(wěn)步攀升。大多數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)都必須時(shí)刻保持運(yùn)行，因此耗電量、制冷和設(shè)施成本不隨利用率水平而變化。第1章虛擬化與云計(jì)算(3)?IT管理成本不斷攀升。隨著計(jì)算環(huán)境日益復(fù)雜，基礎(chǔ)架構(gòu)管理人員所需的專業(yè)教育水平和經(jīng)驗(yàn)以及此類人員的相關(guān)成本也隨之增加。(4)故障切換和災(zāi)難保護(hù)不足。關(guān)鍵服務(wù)器應(yīng)用程序停機(jī)和關(guān)鍵最終用戶桌面不可訪問(wèn)對(duì)企業(yè)組織造成的影響越來(lái)越大。安全攻擊、自然災(zāi)害、流行疾病以及恐怖主義的威脅使得對(duì)桌面和服務(wù)器進(jìn)行業(yè)務(wù)連續(xù)性規(guī)劃顯得更為重要。第1章虛擬化與云計(jì)算總的來(lái)說(shuō)，虛擬化的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一個(gè)階段：是大型機(jī)上的虛擬化，就是簡(jiǎn)單地、硬性地劃分硬件資源。第二個(gè)階段：是大型機(jī)技術(shù)開(kāi)始向UNIX系統(tǒng)或類UNIX系統(tǒng)的遷移，比如IBM的AIX、SUN的Solaris等操作系統(tǒng)都帶有虛擬化的功能特性。第三個(gè)階段：是針對(duì)x86平臺(tái)的虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，這主要是源于斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的一批教授的研究，包括VMware以及Connectix(2003年其VirtualPC部門(mén)被微軟收購(gòu))的核心技術(shù)人員都是從斯坦福出來(lái)的，開(kāi)源的第1章虛擬化與云計(jì)算XEN與VMware等基本類似，主要不同之處是需要改動(dòng)內(nèi)核，但都是通過(guò)軟件模擬硬件層，然后在模擬出來(lái)的硬件層上安裝完整的操作系統(tǒng)，然后在操作系統(tǒng)上跑應(yīng)用。其核心思想可以用“模擬”兩個(gè)字來(lái)概括，即用軟的模擬硬的，并能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)操作系統(tǒng)的互操作。第四個(gè)階段：是近幾年開(kāi)始出現(xiàn)或者被人注意的虛擬化技術(shù)，主要有芯片級(jí)的虛擬化、操作系統(tǒng)的虛擬化和應(yīng)用層的虛擬化。第1章虛擬化與云計(jì)算CPU虛擬化：VMware通過(guò)CPU虛擬化技術(shù)解決的難題是如何在一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例中運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的困難之處在于每一個(gè)應(yīng)用都與操作系統(tǒng)之間有著密切的依賴關(guān)系。一個(gè)應(yīng)用通常只能運(yùn)行于特定版本的操作系統(tǒng)和中間件之上，這就是Windows用戶常常提到的“DLL地獄”。因此，大多數(shù)用戶只能在一個(gè)Windows操作系統(tǒng)實(shí)例上運(yùn)行一種應(yīng)用，操作系統(tǒng)實(shí)例獨(dú)占一臺(tái)物理服務(wù)器。第1章虛擬化與云計(jì)算內(nèi)存虛擬化：指VMware的CPU虛擬化通過(guò)時(shí)間片的方式實(shí)現(xiàn)CPU的共享，而通過(guò)虛擬化技術(shù)來(lái)共享內(nèi)存，就沒(méi)這么簡(jiǎn)單了。VMware通過(guò)透明頁(yè)共享技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的內(nèi)存共享。虛擬化層能夠識(shí)別出各操作系統(tǒng)只讀內(nèi)存區(qū)域(代碼頁(yè))中的相同部分，這些頁(yè)面在內(nèi)存中只保留一個(gè)副本。需要強(qiáng)調(diào)的是，CPU時(shí)間分片是虛擬化層能夠?qū)崿F(xiàn)的，內(nèi)存卻不能按時(shí)間分片。多個(gè)應(yīng)用可以共用一個(gè)CPU，但多個(gè)應(yīng)用卻不能同時(shí)使用一段內(nèi)存區(qū)域。第1章虛擬化與云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)虛擬化：網(wǎng)絡(luò)虛擬化吸引企業(yè)的原因在于它能夠解決工作負(fù)載配置方面存在的瓶頸問(wèn)題。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)虛擬化提供的更大靈活性和自動(dòng)化也是吸引很多不同行業(yè)的企業(yè)的原因。正常情況下，企業(yè)可能需要兩到八周的時(shí)間啟動(dòng)和運(yùn)行新服務(wù)。而網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以顯著加快這個(gè)過(guò)程，甚至可能在不到一天的時(shí)間內(nèi)完全啟用服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化還可以提供網(wǎng)絡(luò)安全性。第1章虛擬化與云計(jì)算存儲(chǔ)虛擬化：存儲(chǔ)虛擬化允許利用多種存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)為較大的設(shè)備創(chuàng)建虛擬化鏡像，這不僅為企業(yè)和機(jī)構(gòu)創(chuàng)造了更多可使用的存儲(chǔ)空間，還可以提高整體可靠性，以及更好地控制存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同樣重要的是存儲(chǔ)虛擬化可以給企業(yè)帶來(lái)更大的靈活性。存儲(chǔ)虛擬化背后的主要目標(biāo)是讓存儲(chǔ)更容易管理，這在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域特別重要。越來(lái)越多的公司在生成、收集和分析海量數(shù)據(jù)，而通過(guò)云計(jì)算的存儲(chǔ)虛擬化允許多名用戶同時(shí)訪問(wèn)相同的物理空間。第1章虛擬化與云計(jì)算1.2

虛擬化概念分類對(duì)虛擬化的四種分類方法：(1)從虛擬化支持的層次劃分，主要分為軟件輔助虛擬化和硬件支持的虛擬化。軟件輔助的虛擬化是指，通過(guò)軟件的方法，讓客戶機(jī)的特權(quán)指令陷入異常，從而觸發(fā)宿主機(jī)進(jìn)行虛擬化處理。主要使用的技術(shù)是優(yōu)先級(jí)壓縮和二進(jìn)制代碼翻譯。硬件輔助虛擬化是指，在CPU中加入了新的指令集和處理器運(yùn)行模式，完成虛擬操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源的直接調(diào)用。典型技術(shù)是IntelVT、AMD-V。第1章虛擬化與云計(jì)算(2)從虛擬平臺(tái)的角度來(lái)劃分，主要分為全虛擬化和半虛擬化。全虛擬化——虛擬操作系統(tǒng)與底層硬件完全隔離，由中間的Hypervisor層轉(zhuǎn)化虛擬客戶操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件的調(diào)用代碼，全虛擬化無(wú)需更改客戶端操作系統(tǒng)，兼容性好。半虛擬化——在虛擬客戶操作系統(tǒng)中加入特定的虛擬化指令，通過(guò)這些指令可以直接通過(guò)Hypervisor層調(diào)用硬件資源，免除由Hypervisor層轉(zhuǎn)換指令的性能開(kāi)銷。第1章虛擬化與云計(jì)算(3)從虛擬化的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要分為Hypervisor型虛擬化、宿主模型虛擬化、混合模型虛擬化。Hypervisor型虛擬化是指硬件資源之上沒(méi)有操作系統(tǒng)，而是直接由VMM(VirtualMachineMonitor，虛擬機(jī)監(jiān)控器)作為Hypervisor接管，負(fù)責(zé)管理所有資源和虛擬環(huán)境支持。宿主模型(Hosted模式)是在硬件資源之上有個(gè)普通的操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備?；旌夏Ｐ褪蔷C合了以上兩種實(shí)現(xiàn)模型的虛擬化技術(shù)。首先VMM直接管理硬件，但是它會(huì)讓出一部分對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，交給運(yùn)行在特權(quán)虛擬機(jī)中的特權(quán)操作系統(tǒng)來(lái)管理。第1章虛擬化與云計(jì)算(4)從虛擬化在云計(jì)算中被應(yīng)用的領(lǐng)域來(lái)劃分，可分為服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、平臺(tái)虛擬化、桌面虛擬化。服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以將一個(gè)物理服務(wù)器虛擬成若干個(gè)服務(wù)器使用，服務(wù)器虛擬化是基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(InfrastructureasaService，IaaS)的基礎(chǔ)。存儲(chǔ)虛擬化的方式是將整個(gè)云系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一整合管理，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間。第1章虛擬化與云計(jì)算應(yīng)用程序虛擬化是把應(yīng)用程序?qū)Φ讓酉到y(tǒng)和硬件的依賴抽象出來(lái)，從而解除應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)和硬件的耦合關(guān)系。平臺(tái)虛擬化是集成各種開(kāi)發(fā)資源虛擬出的一個(gè)面向開(kāi)發(fā)人員的統(tǒng)一接口，軟件開(kāi)發(fā)人員可以方便地在這個(gè)虛擬平臺(tái)中開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用并嵌入到云計(jì)算系統(tǒng)中，使其成為新的云服務(wù)供用戶使用。桌面虛擬化將用戶的桌面環(huán)境與其使用的終端設(shè)備解耦。服務(wù)器上存放的是每個(gè)用戶的完整桌面環(huán)境。第1章虛擬化與云計(jì)算1.2.1軟件虛擬化

云計(jì)算其實(shí)是包含了許多核心技術(shù)的概念，比如虛擬化、并行計(jì)算、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式存儲(chǔ)等。其中虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的基石，是云計(jì)算服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵的技術(shù)。通過(guò)虛擬化技術(shù)可以將各種硬件、軟件、操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及其他IT資源進(jìn)行虛擬化，并納入到云計(jì)算管理平臺(tái)進(jìn)行管理。這樣一來(lái)，IT能力都可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒芾淼倪壿嬞Y源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以把這些資源像水、電和天然氣一樣提供給最終用戶，以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的最終目標(biāo)。第1章虛擬化與云計(jì)算軟件虛擬化解決方案在部署時(shí)受到較多的限制：第一個(gè)劣勢(shì)：會(huì)增加額外的開(kāi)銷。在軟件虛擬化解決方案中，虛擬機(jī)監(jiān)控器是部署在操作系統(tǒng)上的。也就是說(shuō)，此時(shí)對(duì)于宿主機(jī)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，虛擬機(jī)監(jiān)控器跟普通的應(yīng)用程序是一樣的。第二個(gè)劣勢(shì)：客戶操作系統(tǒng)的支持受到虛擬機(jī)環(huán)境的限制。在軟件虛擬化解決方案中，其相關(guān)應(yīng)用并不能夠突破系統(tǒng)本身的硬件設(shè)置。在實(shí)際工作中，這是很致命的一個(gè)缺陷。第1章虛擬化與云計(jì)算1.2.2硬件虛擬化

現(xiàn)在比較流行的CPU虛擬化技術(shù)就是硬件虛擬化解決方案中的一個(gè)比較典型的代表，通常情況下支持虛擬化技術(shù)的CPU帶有特別優(yōu)化過(guò)的指令集來(lái)控制整個(gè)虛擬過(guò)程。同樣以x86平臺(tái)的虛擬化為例，支持虛擬化技術(shù)的x86CPU帶有特別優(yōu)化過(guò)的指令集來(lái)控制虛擬過(guò)程，通過(guò)這些指令集，Hypervisor可以很容易地就將客戶機(jī)置于一種受限制的模式下運(yùn)行，一旦客戶機(jī)需要訪問(wèn)真實(shí)的物理資源，硬件會(huì)暫?？蛻魴C(jī)的運(yùn)行，將控制權(quán)重新交給Hypervisor進(jìn)行處理。第1章虛擬化與云計(jì)算相比較純軟件解決方案來(lái)說(shuō)，硬件虛擬化具有如下優(yōu)勢(shì)：一是性能上的優(yōu)勢(shì)，如CPU虛擬化技術(shù)，其通信流量是不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的。例如1.2.1小節(jié)中軟件虛擬化的例子，XP操作系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)流是直接轉(zhuǎn)發(fā)給CPU等硬件資源，而不是通過(guò)另外一個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。二是可以提供對(duì)64位操作系統(tǒng)的支持。在純軟件解決方案中，相關(guān)應(yīng)用仍然受到主機(jī)硬件的限制。隨著64位處理器的不斷普及，這個(gè)缺陷造成的不利影響也日益突出。第1章虛擬化與云計(jì)算1.2.3半虛擬化

半虛擬化(Para-virtualization)，也叫準(zhǔn)虛擬化、類虛擬化。半虛擬化是指通過(guò)對(duì)客戶機(jī)進(jìn)行源碼級(jí)的修改，讓客戶機(jī)可以使用虛擬化的資源。由于需要修改客戶機(jī)內(nèi)核，因此半虛擬化一般都會(huì)被順便用來(lái)優(yōu)化I/O，客戶機(jī)的操作系統(tǒng)通過(guò)高度優(yōu)化的I/O協(xié)議，可以和VMM緊密結(jié)合達(dá)到近似于物理機(jī)的速度。第1章虛擬化與云計(jì)算

在半虛擬化解決方案中最經(jīng)典的產(chǎn)品就是Xen，Xen是開(kāi)源半虛擬化技術(shù)的一個(gè)例子?？蛻魴C(jī)操作系統(tǒng)在Xen的Hypervisor上運(yùn)行之前，必須在內(nèi)核層面進(jìn)行某些改變，因此，Xen適用于BSD、Linux、Solaris以及其他開(kāi)源操作系統(tǒng)，但不太適合Windows系列的專用操作系統(tǒng)，因?yàn)閃indows系列不公開(kāi)源代碼，無(wú)法修改其內(nèi)核。微軟的Hyper-V所采用的技術(shù)和Xen類似，因此也可以把Hyper-V歸屬于半虛擬化的范疇。第1章虛擬化與云計(jì)算半虛擬化的不足：

半虛擬化需要客戶機(jī)操作系統(tǒng)做一些修改來(lái)配合Hypervisor，這是一個(gè)不足之處，但是半虛擬化提供了與原始系統(tǒng)相近的性能，同時(shí)還能支持多個(gè)不同操作系統(tǒng)的虛擬化。圖1-4展示了在半虛擬化環(huán)境中，各客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行的虛擬平臺(tái)，以及修改后的客戶機(jī)操作系統(tǒng)在虛擬平臺(tái)上的分享進(jìn)程。第1章虛擬化與云計(jì)算第1章虛擬化與云計(jì)算圖1-4半虛擬化通過(guò)修改后的客戶機(jī)操作系統(tǒng)分享進(jìn)程半虛擬化的優(yōu)勢(shì)：和全虛擬化相比，架構(gòu)更精簡(jiǎn)，在整體速度上有一定的優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)為：需要對(duì)客戶機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，在用戶體驗(yàn)方面比較麻煩，比如對(duì)于Xen而言，如果需要將虛擬Linux操作系統(tǒng)作為客戶機(jī)操作系統(tǒng)，則需要將Linux操作系統(tǒng)修改成Xen支持的內(nèi)核才能使用。第1章虛擬化與云計(jì)算1.2.4全虛擬化

全虛擬化(Full-virtualization)，也叫完全虛擬化、原始虛擬化，是不同于半虛擬化的另一種虛擬化方法。全虛擬化是指VMM虛擬出來(lái)的平臺(tái)是現(xiàn)實(shí)中存在的平臺(tái)，因此對(duì)于客戶機(jī)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，自己并不知道自己是運(yùn)行在虛擬的平臺(tái)上。正因如此，全虛擬化中的客戶機(jī)操作系統(tǒng)是不需要做任何修改的。全虛擬化為客戶機(jī)提供了完整的虛擬x86平臺(tái)，包括處理器、內(nèi)存和外設(shè)，理論上支持運(yùn)行任何可在真實(shí)物理平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。第1章虛擬化與云計(jì)算全虛擬化的任務(wù)工作：在客戶機(jī)操作系統(tǒng)與硬件之間捕捉和處理那些對(duì)虛擬化敏感的特權(quán)指令，使客戶機(jī)操作系統(tǒng)無(wú)需修改就能運(yùn)行，當(dāng)然，速度會(huì)根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)環(huán)境而不同，但大致能滿足用戶的需求。這種虛擬方式是現(xiàn)今業(yè)界最成熟和最常見(jiàn)的，在Hosted模式和Hypervisor模式中都有這種虛擬方式。知名的產(chǎn)品有IBMCP/CMS、VirtualBox、KVM、VMwareWorkstation和VMwareESX(它在其4.0版本后被改名為VMwarevSphere)。另外Xen在3.0以上版本的時(shí)候也開(kāi)始支持全虛擬化了。第1章虛擬化與云計(jì)算全虛擬化的優(yōu)缺點(diǎn)：全虛擬化的優(yōu)點(diǎn)是客戶機(jī)操作系統(tǒng)不用修改直接就可以使用。缺點(diǎn)就是會(huì)損失一部分性能，這些性能消耗在VMM捕獲處理特權(quán)指令上。全虛擬化的唯一限制就是操作系統(tǒng)必須能夠支持底層硬件。圖1-5顯示在全虛擬化環(huán)境中，各客戶操作系統(tǒng)使用Hypervisor分享底層硬件，自己并不知道自己運(yùn)行在虛擬平臺(tái)上。第1章虛擬化與云計(jì)算第1章虛擬化與云計(jì)算圖1-5全虛擬化使用Hypervisor分享底層硬件1.3

主流虛擬化產(chǎn)品概述1.3.1KVMKVM是Kernel-basedVirtualMachine的簡(jiǎn)稱，中文全稱為內(nèi)核虛擬機(jī)，是一個(gè)開(kāi)源的系統(tǒng)虛擬化模塊。KVM的虛擬化需要CPU硬件虛擬化的支持(如IntelVT技術(shù)或者AMD-V技術(shù))，是基于硬件的完全虛擬化。每個(gè)KVM虛擬機(jī)都是一個(gè)由Linux調(diào)度程序管理的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程。但是僅有KVM模塊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橛脩魺o(wú)法直接控制內(nèi)核模塊去做事情，因此，還必須有一個(gè)用戶空間的工具才行。第1章虛擬化與云計(jì)算對(duì)于KVM的用戶空間工具，盡管QEMU工具可以創(chuàng)建和管理KVM虛擬機(jī)，但是，RedHat為KVM開(kāi)發(fā)了更多的輔助工具，比如libvirt、virsh、virt-manager等。原因是QEMU工具效率不高，不易于使用。libvirt是一套提供了多種語(yǔ)言接口的API，為各種虛擬化工具提供一套方便、可靠的編程接口，不僅支持KVM，還支持Xen等其他虛擬機(jī)。使用libvirt，只需要通過(guò)libvirt提供的函數(shù)連接到KVM或Xen宿主機(jī)，便可以用同樣的命令控制不同的虛擬機(jī)了。第1章虛擬化與云計(jì)算KVM模塊是KVM虛擬機(jī)的核心部分。其主要功能包括：初始化CPU硬件，打開(kāi)虛擬化模式，將虛擬客戶機(jī)運(yùn)行在虛擬機(jī)模式下，并對(duì)虛擬客戶機(jī)的運(yùn)行提供一定的支持。KVM的初始化過(guò)程如下：(1)初始化CPU硬件，KVM是基于硬件的虛擬化，CPU必須支持虛擬化技術(shù)。KVM會(huì)首先檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的CPU，確保CPU支持虛擬化。第1章虛擬化與云計(jì)算(2)打開(kāi)CPU控制寄存器CR4中的虛擬化模式開(kāi)關(guān)，并通過(guò)執(zhí)行特定指令將宿主機(jī)操作系統(tǒng)置于虛擬化模式中的根模式。(3)?KVM模塊創(chuàng)建特殊設(shè)備文件/dev/kvm，并等待來(lái)自用戶空間的命令(例如，是否創(chuàng)建虛擬客戶機(jī)，創(chuàng)建什么樣的虛擬客戶機(jī)等)。第1章虛擬化與云計(jì)算第1章虛擬化與云計(jì)算圖1-6KVM架構(gòu)

圖1-6是KVM的架構(gòu)圖，從圖中可以看出，在KVM架構(gòu)中，最底層是硬件系統(tǒng)，其中包括處理器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等硬件。在硬件系統(tǒng)之上就是Linux操作系統(tǒng)，KVM作為L(zhǎng)inux內(nèi)核的一個(gè)模塊加載于其中，再向上就是基于Linux的應(yīng)用程序，同時(shí)也包括基于KVM模塊虛擬出來(lái)的虛擬客戶機(jī)。第1章虛擬化與云計(jì)算KVM的前景：KVM是一個(gè)相對(duì)較新的虛擬化產(chǎn)品，但是誕生不久就被Linux社區(qū)接納，成為隨Linux內(nèi)核發(fā)布的輕量型模塊。與Linux內(nèi)核集成，使KVM可以直接獲益于最新的Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)成果，比如更好的進(jìn)程調(diào)度支持、更廣泛的物理硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)、更高的代碼質(zhì)量等等。不過(guò)，現(xiàn)在隨著libvirt、virt-manager等工具和OpenStack等云計(jì)算平臺(tái)的逐漸完善，KVM管理工具在易用性方面的劣勢(shì)已經(jīng)逐漸被克服。另外，KVM可以改進(jìn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的支持、虛擬存儲(chǔ)支持、增強(qiáng)的安全性、高可用性、容錯(cuò)性、電源管理。第1章虛擬化與云計(jì)算1.3.2XenXen是一個(gè)直接在系統(tǒng)硬件上運(yùn)行的虛擬機(jī)管理程序。Xen在系統(tǒng)硬件與虛擬機(jī)之間插入一個(gè)虛擬化層，將系統(tǒng)硬件轉(zhuǎn)換為一個(gè)邏輯計(jì)算資源池，Xen可將其中的資源動(dòng)態(tài)地分配給任何操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序。在虛擬機(jī)中運(yùn)行的操作系統(tǒng)能夠與虛擬資源交互，就好像它們是物理資源一樣。第1章虛擬化與云計(jì)算第1章虛擬化與云計(jì)算圖1-7Xen架構(gòu)Xen架構(gòu)的三大部分：(1)?XenHypervisor：直接運(yùn)行于硬件之上，是Xen客戶操作系統(tǒng)與硬件資源之間的訪問(wèn)接口。通過(guò)將客戶操作系統(tǒng)與硬件進(jìn)行分類，Xen管理系統(tǒng)可以允許客戶操作系統(tǒng)安全、獨(dú)立地運(yùn)行在相同的硬件環(huán)境之上。(2)?Domain0：運(yùn)行在Xen管理程序之上，具有直接訪問(wèn)硬件和管理其他客戶操作系統(tǒng)的特權(quán)的客戶操作系統(tǒng)。(3)DomainU：指運(yùn)行在Xen管理程序之上的普通客戶操作系統(tǒng)或業(yè)務(wù)操作系統(tǒng)。第1章虛擬化與云計(jì)算Xen架構(gòu)的功能特性：Xen服務(wù)器構(gòu)建于開(kāi)源的Xen虛擬機(jī)管理程序之上，結(jié)合使用半虛擬化和硬件協(xié)助的虛擬化。操作系統(tǒng)與虛擬化平臺(tái)之間的這種協(xié)作，可支持開(kāi)發(fā)一個(gè)較簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)管理程序來(lái)提供高度優(yōu)化的性能。Xen提供了復(fù)雜的工作負(fù)載平衡功能，可捕獲CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)I/O和網(wǎng)絡(luò)I/O數(shù)據(jù)。Xen服務(wù)器包含多核處理器支持、實(shí)時(shí)遷移、物理服務(wù)器到虛擬機(jī)轉(zhuǎn)換(P2V)和虛擬到虛擬轉(zhuǎn)換(V2V)工具、集中化的多服務(wù)器管理、實(shí)時(shí)性能監(jiān)控以及對(duì)Windows和Linux客戶機(jī)所提供的良好性能。第1章虛擬化與云計(jì)算Xen的優(yōu)缺點(diǎn)：Xen虛擬機(jī)監(jiān)控程序是一個(gè)專門(mén)為虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)的微內(nèi)核，所以其資源管理和調(diào)度策略完全是針對(duì)虛擬機(jī)的特性而開(kāi)發(fā)的。作為一個(gè)獨(dú)立維護(hù)的微內(nèi)核，Xen的功能明確，開(kāi)發(fā)社區(qū)構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，所以更容易接納專門(mén)針對(duì)虛擬化所做的功能和優(yōu)化。但是Xen比較難于配置和使用，部署會(huì)占用相對(duì)較大的空間，而且非常依賴于0號(hào)虛擬機(jī)中的Linux操作系統(tǒng)。Xen微內(nèi)核直接運(yùn)行于真實(shí)物理硬件之上，開(kāi)發(fā)和調(diào)試都比基于操作系統(tǒng)的虛擬化困難。第1章虛擬化與云計(jì)算1.3.3VMwareVMware公司作為最成熟的商業(yè)虛擬化軟件提供商，其產(chǎn)品線是業(yè)界覆蓋范圍最廣的，其技術(shù)能夠簡(jiǎn)化IT的復(fù)雜性，優(yōu)化運(yùn)維，幫助企業(yè)變得更加敏捷、高效，利潤(rùn)更加豐厚。從數(shù)據(jù)中心到云計(jì)算再到移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)虛擬化各類基礎(chǔ)架構(gòu)，VMware可以使得IT能夠隨時(shí)隨地通過(guò)任何設(shè)備交付服務(wù)。第1章虛擬化與云計(jì)算VMware的虛擬化包括數(shù)據(jù)中心虛擬化、桌面虛擬化和虛擬化的企業(yè)級(jí)應(yīng)用：(1)?VMware的數(shù)據(jù)中心虛擬化可以利用服務(wù)器虛擬化和整合，將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變成靈活的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，使之成為具有運(yùn)行要求最嚴(yán)苛的應(yīng)用所需的性能和可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)VMware虛擬化構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，借助服務(wù)器虛擬化開(kāi)啟云計(jì)算之旅。然后可以按照自己的步調(diào)，向完全虛擬化的軟件定義的數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)：虛擬化網(wǎng)絡(luò)連接、存儲(chǔ)和安全保護(hù)以創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)中心。第1章虛擬化與云計(jì)算(2)

VMware的桌面虛擬化可延展桌面和應(yīng)用虛擬化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，使IT部門(mén)能以終端用戶期望的速度和業(yè)務(wù)所需的效率來(lái)提供和保護(hù)用戶需要的所有Windows資源。在“客戶端-服務(wù)器”計(jì)算時(shí)代，Windows占據(jù)主導(dǎo)地位，而指派給終端用戶的任務(wù)則是在一個(gè)地點(diǎn)用一臺(tái)設(shè)備完成工作，如今，這個(gè)時(shí)代早已一去不復(fù)返?，F(xiàn)在，終端用戶可以利用新型設(shè)備開(kāi)展工作、訪問(wèn)Windows應(yīng)用及非Windows應(yīng)用，并且比以往更加機(jī)動(dòng)、靈活。第1章虛擬化與云計(jì)算(3)虛擬化的企業(yè)級(jí)應(yīng)用，例如可以虛擬化MicrosoftExchange并超越本機(jī)性能，同時(shí)讓基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)5到10倍的整合率。對(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用的虛擬化可以讓Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以確保滿足服務(wù)級(jí)別要求?？梢哉蟂QLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，并將硬件和軟件成本削減50%以上。可以將企業(yè)級(jí)Java應(yīng)用遷移至虛擬化x86平臺(tái)，以便輕松地使用生命周期和可擴(kuò)展性管理功能，提高資源利用率。第1章虛擬化與云計(jì)算常見(jiàn)的幾款Vmware產(chǎn)品：(1)

VMwarevRealizeOperations，以前稱為vCenterOperationsManagementSuite，屬于數(shù)據(jù)中心與云計(jì)算管理軟件。它可以借助預(yù)測(cè)分析和基于策略的自動(dòng)化，使用戶可對(duì)vSphere、Hyper-V、Amazon及物理硬件實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用到存儲(chǔ)的智能IT運(yùn)維管理。利用預(yù)測(cè)分析與智能警報(bào)主動(dòng)識(shí)別和解決新出現(xiàn)的問(wèn)題，從而確保跨vSphere、Hyper-V、Amazon平臺(tái)和物理硬件實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用、最佳基礎(chǔ)架構(gòu)性能及可用性。第1章虛擬化與云計(jì)算(2)VMwareWorkstation，屬于個(gè)人桌面，最新的版本是Workstation11。VMwareWorkstation是VMware公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)行于臺(tái)式機(jī)和工作站上的虛擬化軟件，也是VMware公司第一個(gè)面市的產(chǎn)品(1999年5月)。該產(chǎn)品最早采用了VMware在業(yè)界知名的二進(jìn)制翻譯技術(shù)，在x86CPU硬件虛擬化技術(shù)還未出現(xiàn)之前，為客戶提供純粹的基于軟件的全虛擬化解決方案。作為最初的拳頭產(chǎn)品制造商，VMware公司投入了大量的資源對(duì)二進(jìn)制翻譯進(jìn)行優(yōu)化，其二進(jìn)制翻譯技術(shù)帶來(lái)的虛擬化性能甚至超過(guò)第一代的CPU硬件虛擬化產(chǎn)品的性能。第1章虛擬化與云計(jì)算(3)

VMwarevCloudSuite，屬于數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)軟件，是一款集成式解決方案，用戶基于軟件定義的數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)管理和構(gòu)建VMwarevSphere私有云。它能夠提供虛擬化經(jīng)濟(jì)效益并提高工作效率，借助基于策略的智能IT運(yùn)維對(duì)數(shù)據(jù)中心實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化并