虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

倪毅

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)日益復(fù)雜，在該種形勢(shì)下將虛擬技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在的問題具有重要的意義。本文就虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，以此為我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；應(yīng)用

近年來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性越來越強(qiáng)，尤其是高性能計(jì)算機(jī)在性能不斷強(qiáng)化的同時(shí)規(guī)模與部件也在不斷增多，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理以及使用困難性也不斷增高。因此虛擬化技術(shù)被應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，解決了高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用和管理各種問題。本文從虛擬化技術(shù)應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)論述虛擬化技術(shù)給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來的革命性意義。

1 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化技術(shù)誕生于上世紀(jì)60、70年代，主要用來支持計(jì)算機(jī)高層軟件以便為用戶提供更多的軟件應(yīng)用環(huán)境。隨著科技的發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及以及操作系統(tǒng)功能的發(fā)展，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，而計(jì)算機(jī)的安全性卻越來越差。研究人員通過借助虛擬化技術(shù)解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。虛擬化技術(shù)是指的是將不同的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行程序全部置于虛擬機(jī)上并運(yùn)行，因?yàn)樘摂M機(jī)之間具有隔離性，從而使得各計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性得到提高[1]。

2 虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，虛擬化技術(shù)應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)最主要是用于整合異構(gòu)資源。這一點(diǎn)Cray公司已經(jīng)開發(fā)出了具有智能性的自適應(yīng)超級(jí)計(jì)算技術(shù)[2]。同時(shí)已經(jīng)有不少研究開始將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)容錯(cuò)和虛擬環(huán)境的構(gòu)建中，這種設(shè)想主要是通過借助虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)提高編程模型當(dāng)中的抽象層次達(dá)到減少系統(tǒng)出錯(cuò)的目的。另外虛擬化技術(shù)中預(yù)測(cè)性能的高效性可以促進(jìn)現(xiàn)代碼的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

3 虛擬化技術(shù)在高能計(jì)算機(jī)應(yīng)用存在的問題

3.1 開銷費(fèi)用問題

傳統(tǒng)的服務(wù)器使用虛擬化技術(shù)會(huì)帶來另外的開銷問題。特權(quán)運(yùn)行模式使得Guest OS在運(yùn)行過程中陷入虛擬機(jī)中，從而導(dǎo)致設(shè)備訪問時(shí)間增長，這就與高性能計(jì)算機(jī)的要求恰好相反。因此將虛擬化技術(shù)用于高性能計(jì)算機(jī)中必須進(jìn)行虛擬機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)真正的系統(tǒng)的優(yōu)化[3]。

3.2 虛擬機(jī)協(xié)同問題

高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用虛擬化技術(shù)較傳統(tǒng)的服務(wù)器更為復(fù)雜，不能僅停留在對(duì)服務(wù)器底層硬件設(shè)備的抽象上。尤其是具有多維異構(gòu)的計(jì)算機(jī)需要在多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立虛擬機(jī)，因此在高性能計(jì)算機(jī)中使用虛擬化技術(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)需要進(jìn)行協(xié)同才能構(gòu)成龐大的互聯(lián)系統(tǒng)。這還需要相關(guān)研究人員對(duì)協(xié)同機(jī)制進(jìn)行研究。

3.3 虛擬內(nèi)存的問題

只有一次性的部署上千個(gè)虛擬內(nèi)存才能支持計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的發(fā)展，這與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)區(qū)別較大，如此龐大的虛擬內(nèi)存如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的部署、采用較低的系統(tǒng)開銷較快的開動(dòng)虛擬內(nèi)存以及如何進(jìn)行虛擬內(nèi)存管理是高性能計(jì)算機(jī)必須解決的問題。

3.4 系統(tǒng)兼容性問題

虛擬化技術(shù)使用后會(huì)對(duì)高性能計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行抽象，這種改變將會(huì)變更計(jì)算機(jī)用戶能見資源的組織形態(tài)，導(dǎo)致用戶無法適應(yīng)虛擬化的使用要求。這要求研究人員研制出編譯器、并行函數(shù)等編程模型。

4 虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用趨勢(shì)

4.1 構(gòu)建專門的虛擬環(huán)境

高性能計(jì)算機(jī)之所以功能強(qiáng)大與其運(yùn)行環(huán)境具有較大的影響，因此運(yùn)行環(huán)境的不同對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行具有一定程度的影響。研究人員借助虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在小規(guī)模的系統(tǒng)中開發(fā)出龐大的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序在最佳的環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的便捷操作。同時(shí)借助虛擬化技術(shù)能夠?yàn)楦咝阅苡?jì)算機(jī)研發(fā)特殊的支持，如虛擬機(jī)可以對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行多個(gè)虛擬內(nèi)存進(jìn)行通信狀態(tài)的監(jiān)控，從而再次強(qiáng)化高性能計(jì)算機(jī)功能。

4.2 實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的重組

計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正逐步向異構(gòu)方向發(fā)展。只有克服異構(gòu)系統(tǒng)的管理和使用問題才能切實(shí)發(fā)揮虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。采用虛擬化技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行抽象從而達(dá)到隱藏異構(gòu)性的目的，實(shí)現(xiàn)一個(gè)客戶在同一的環(huán)境中使用異構(gòu)系統(tǒng)。

4.3 強(qiáng)化系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性

高性能計(jì)算機(jī)在規(guī)模上將會(huì)越來越大，計(jì)算機(jī)部件的復(fù)雜性也在不斷增強(qiáng)，發(fā)生故障的可能性也在不斷增大。但是使用虛擬化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存的隔離，這就是說如果某一軟件操作錯(cuò)誤影響的僅有一個(gè)虛擬內(nèi)存，同時(shí)通過虛擬內(nèi)存的遷移作用可以快速恢復(fù)正在運(yùn)行的程序，防止程序的中斷。

4.4 增強(qiáng)系統(tǒng)安全性

虛擬化技術(shù)之所以被用于高性能計(jì)算機(jī)主要目的之一就是為了提高系統(tǒng)的安全性。虛擬機(jī)對(duì)加載的虛擬內(nèi)存以及應(yīng)用程序進(jìn)行可信度檢查，進(jìn)行病毒掃描，確保虛擬內(nèi)存運(yùn)行的正確性，這樣可以有效增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)語

虛擬化技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于臺(tái)式計(jì)算機(jī)服務(wù)器中，虛擬技術(shù)的發(fā)展將會(huì)使其更好的應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)或其他領(lǐng)域，從而不斷擴(kuò)大虛擬化技術(shù)對(duì)人類的作用，促進(jìn)人類文明的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳曉天.戴爾虛擬化整體解決方案為虛擬技術(shù)的普及鋪平道路[J].每周電腦報(bào).2012（25）：106-108.

[2]劉梁平，吳旭東.證券業(yè)2000年問題實(shí)施解決方案[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò).2011（10）：230-232.[3]戶鳳榮.數(shù)控虛擬技術(shù)的發(fā)展前景[J].改革與開放.2011（20）：452-458.