淺談虛擬化技術(shù)及服務器虛擬化

武博文

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350）

一、引言

虛擬化技術(shù)（Virtualization）是隨著計算機技術(shù)的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，長久以來，虛擬化技術(shù)在計算機技術(shù)的發(fā)展歷程中都扮演著重要的角色。虛擬化是將原本運行在真實環(huán)境上的計算機系統(tǒng)或組件運行在虛擬的環(huán)境中，并可以在硬件資源或軟件資源的不同層次間構(gòu)建虛擬化層，成為解除上下兩層間耦合關(guān)系的中間層。本文將從虛擬化的定義、類型和主要應用技術(shù)幾方面進行闡述。

二、虛擬化技術(shù)概述

（一）虛擬化的定義

“虛擬化”的概念很廣泛，很難清晰而精確的給出其定義。歸結(jié)起來，可以概括為以下三層含義：

虛擬化的對象是各種各樣的資源；經(jīng)過虛擬化后的邏輯資源對用戶隱藏了不必要的細節(jié)；用戶可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)七在真實環(huán)境中的部分或全部功能。

（二）虛擬化的類型

在虛擬化技術(shù)中，被虛擬的實體是多種多樣的資源，這些不同屬性類別之間的關(guān)系是交錯聯(lián)系的。

以實現(xiàn)層次劃分：硬件虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、應用程序虛擬化。以被應用的領(lǐng)域劃分：服務器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、桌面虛擬化。還有從以某類里衍生出來的，如CPU虛擬化、文件虛擬化等。

我們常用的虛擬化技術(shù)大致分為以下幾種類型：

1．基礎(chǔ)設施虛擬化

我們可以將網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化這些支持數(shù)據(jù)中心運行的基礎(chǔ)設施歸類為基礎(chǔ)設施虛擬化。

網(wǎng)絡虛擬化為用戶提供了虛擬的網(wǎng)絡連接，包括局域網(wǎng)絡虛擬化和廣域網(wǎng)絡虛擬化，目前局域網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)的代表是虛擬局域網(wǎng)（VLAN）；廣域網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)的代表是虛擬專用網(wǎng)（VPN）。

存儲虛擬化為用戶提供一個整合的物理存儲設備邏輯接口，以便用戶訪問其存儲資源，主要有基于存儲設備的存儲虛擬化和基于網(wǎng)絡的存儲虛擬化?；诖鎯υO備的存儲虛擬化典型代表是磁盤陣列技術(shù)（RAID）；基于網(wǎng)絡的存儲虛擬化的典型代表是網(wǎng)絡附加存儲（NAS）和存儲區(qū)域網(wǎng)（SAN）。

2．系統(tǒng)虛擬化

在同一臺物理機上運行多個獨立的操作系統(tǒng)即為系統(tǒng)虛擬化，它實現(xiàn)了操作系統(tǒng)與物理計算機的分離。系統(tǒng)虛擬化的核心思想是使用虛擬化軟件在一臺物理機上虛擬出一臺或多臺虛擬機（VM），對于不同類型的系統(tǒng)虛擬化，其虛擬機運行環(huán)境的設計和實踐也是不盡相同的。

3．軟件虛擬化

除了上述兩種虛擬化技術(shù)，還有一種針對軟件的虛擬化環(huán)境，目前這類虛擬化技術(shù)主要包括應用虛擬化和高級語言虛擬化。應用虛擬化實現(xiàn)了應用程序與操作系統(tǒng)的解耦合，用戶可以不局限于單一客戶端，而在不同終端上使用自己的應用程序；高級語言虛擬化解決了程序在不同計算機系統(tǒng)間移植的問題。

三、虛擬化的實施步驟

可以想象，虛擬化技術(shù)為數(shù)據(jù)中心管理提供了諸多優(yōu)勢。一方面，它提升了基礎(chǔ)設備的利用率，實現(xiàn)了運行成本的最小化；另一方面，它可以通過整合應用棧和即時應用鏡像部署來實現(xiàn)業(yè)務管理的高效敏捷。因此，如何在數(shù)據(jù)中心實施虛擬化和實施中的關(guān)鍵技術(shù)便成為了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的重點。

實施虛擬化的順序可以按其生命周期來簡單劃分為三個階段：創(chuàng)建、部署和管理。

1．創(chuàng)建階段

通常情況下，虛擬化的創(chuàng)建都是由服務提供商和集成商完成的。通過創(chuàng)建虛擬器件鏡像、發(fā)布虛擬器件鏡像、管理虛擬器件鏡像及遷移到虛擬化環(huán)境幾個步驟來實施。

2．部署階段

當虛擬器件被創(chuàng)建、發(fā)布后，需要通過某種方式將它們部署到數(shù)據(jù)中心里，以便用戶使用。因此，就需要我們從規(guī)劃部署環(huán)境、部署虛擬器件、激活虛擬器件三個階段來進行實施。

3．管理階段

數(shù)據(jù)中心的管理需要資源的自動化調(diào)度和與業(yè)務相關(guān)的智能，它既需要單個業(yè)務的自治管理，同時也需要一個負責全局控制和協(xié)調(diào)的中心節(jié)點對數(shù)據(jù)中心的業(yè)務和資源進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調(diào)度。如何為數(shù)據(jù)中心的管理和監(jiān)控提供便利條件成為這個階段急需解決的問題。集中監(jiān)控、快捷管理、動態(tài)優(yōu)化和高效備份這四個關(guān)鍵技術(shù)是解決數(shù)據(jù)中心管理的重要手段。

四、服務器虛擬化

（一）服務器虛擬化的概念

服務器虛擬化將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應用于服務器上，可以將一個服務器虛擬成多個服務器使用。例如，有多臺獨立的物理服務器，每臺服務器上都分別運行了不同的操作系統(tǒng)及應用，這種傳統(tǒng)意義的服務器工作模式造成物理服務器的資源利用率低，管理復雜，維護也非常不便。當采用服務器虛擬化技術(shù)后，便可以在一臺物理服務器上虛擬出若干個虛擬服務器，同時服務器虛擬化也為虛擬服務器提供了虛擬硬件設施，并提供良好的隔離性和安全性。服務器虛擬化通過虛擬化軟件向上提供對硬件設備的抽象和對虛擬服務器的管理。服務器虛擬化的實現(xiàn)方式主要有兩種。其中寄宿虛擬化是完全依賴于宿主操作系統(tǒng)，性能較低，容易實現(xiàn)的方式；原生虛擬化則完全脫離了宿主操作系統(tǒng)，性能較高，且不易實現(xiàn)的方式。由于這兩種實現(xiàn)方式的產(chǎn)生，衍生出虛擬化軟件的兩個專用術(shù)語。其中虛擬機監(jiān)視器負責對虛擬機提供硬件資源抽象，為客戶操作系統(tǒng)提供運行環(huán)境；虛擬化平臺則負責虛擬機的托管，直接運行在硬件之上，其實現(xiàn)直接受底層體系結(jié)構(gòu)的約束。無論采用何種方式實現(xiàn)服務器虛擬化，它都具有多實例、隔離性、封裝性及高性能四個特性，以保證可以被有效地運用于實際環(huán)境中。

（二）服務器虛擬化的核心技術(shù)

服務器虛擬化必備的三種資源虛擬化為：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、設備與I／O虛擬化。

1．CPU虛擬化

CPU虛擬化技術(shù)把物理CPU抽象成虛擬CPU，任意時刻，一個物理CPU只能運行一個虛擬CPU指令。每個客戶操作系統(tǒng)可以使用一個或多個虛擬CPU，在各個操作系統(tǒng)之間，虛擬CPU的運行相互隔離，互不影響。

2．內(nèi)存虛擬化

內(nèi)存虛擬化技術(shù)把物理內(nèi)存統(tǒng)一管理，包裝成多個虛擬的物理內(nèi)存提供給若干虛擬機使用，每個虛擬機擁有各自獨立的內(nèi)存空間。

3．設備與I／O虛擬化

設備與I／O虛擬化技術(shù)把真實的設備統(tǒng)一管理起來，包裝成多個虛擬設備給若干個虛擬機使用，響應每個虛擬機的設備訪問請求和I／O請求。目前主流的設備與I／O虛擬化都是通過軟件方式來實現(xiàn)的。

（三）服務器虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢

1．降低運營成本

服務器虛擬化降低了IT基礎(chǔ)設施的運營成本，令系統(tǒng)管理員擺脫了繁重的物理服務器、OS、中間件及兼容性的管理工作，減少人工干預頻率，使管理更加強大、便捷。

2．提高應用兼容性

服務器虛擬化提供的封裝性和隔離性使大量應用獨立運行于各種環(huán)境中，管理人員不需頻繁根據(jù)底層環(huán)境調(diào)整應用，只需構(gòu)建一個應用版本并將其發(fā)布到虛擬化后的不同類型平臺上即可。

3．加速應用部署

采用服務器虛擬化技術(shù)只需輸入激活配置參數(shù)、拷貝虛擬機、啟動虛擬機、激活虛擬機即可完成部署，大大縮短了部署時間，免除人工干預，降低了部署成本。

4．提高服務可用性

用戶可以方便地備份虛擬機，在進行虛擬機動態(tài)遷移后，可以方便的恢復備份，或者在其他物理機上運行備份，大大提高了服務的可用性。

5．提升資源利用率

通過服務器虛擬化的整合，提高了CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡等設備的利用率，同時保證原有服務的可用性，使其安全性及性能不受影響。

6．動態(tài)調(diào)度資源

在服務器虛擬化技術(shù)中，數(shù)據(jù)中心從傳統(tǒng)的單一服務器變成了統(tǒng)一的資源池，用戶可以即時地調(diào)整虛擬機資源，同時數(shù)據(jù)中心管理程序和數(shù)據(jù)中心管理員可以靈活根據(jù)虛擬機內(nèi)部資源使用情況靈活分配調(diào)整給虛擬機的資源。

7．降低能源消耗

通過減少運行的物理服務器數(shù)量，減少CPU以外各單元的耗電量，達到節(jié)能減排的目的。

總之，虛擬化已成為智慧信息技術(shù)的重要支柱之一，是當今信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域備受矚目的概念，它勢必引起一場信息技術(shù)的變革，促使產(chǎn)業(yè)格局重新劃分、改變企業(yè)和個人使用信息資源的方式。

［1］虛擬化與云計算小組．虛擬化與云計算［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［2］魯松．計算機虛擬化技術(shù)及應用［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008．