虛擬化技術及其在數(shù)據(jù)中心的應用研究

◆李東興

作者：李東興，北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院助理工程師，研究方向為虛擬化、高性能計算、大數(shù)據(jù)分析與處理（100875）。

1 虛擬化技術

虛擬化有狹義和廣義之分。狹義虛擬化指的是物理資源的抽象化，是單一物理資源的多個邏輯表示，或者多個物理資源的單一邏輯表示。廣義虛擬化是一種簡化管理、優(yōu)化資源的解決方案，計算機元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行[1]。虛擬化技術即實現(xiàn)虛擬化的方法，它具有屏蔽同一類物理設備的專有特性、將相同特性的物理設備進行資源整合、將整合的資源虛擬出多個類似的虛擬設備和對虛擬設備進行統(tǒng)一管理等多種功能。根據(jù)不同的分類標準，虛擬化技術有不同的分類方法。

根據(jù)實現(xiàn)技術位于系統(tǒng)的不同層次，虛擬化技術分為軟件虛擬化技術和硬件虛擬化技術 傳統(tǒng)PC由操作系統(tǒng)控制、管理和分配軟硬件資源，存在資源利用率低、計算機的存儲和IO系統(tǒng)長期處于“閑”的狀態(tài)等缺陷[2]。軟件虛擬化技術通過第三方軟件把計算機虛擬為多個獨立的虛擬機，解決上述缺陷，提高資源利用率。常用的虛擬化軟件有VMW的VMware、VMS的Workstation、Oracle的VirtualBox和 Microsoft的 Virtual PC。

硬件虛擬化，首先底層硬件必須支持虛擬化技術，另外，作為該結構核心的VMM（虛擬機監(jiān)視器，為系統(tǒng)管理程序，可以理解為平臺硬件和操作系統(tǒng)的抽象）不僅要直接控制管理硬件資源，還需要為虛擬機提供虛擬環(huán)境。常用的VMM有 Ken、KVM。

根據(jù)虛擬化技術的實現(xiàn)方法不同，虛擬化可分為完全虛擬化、并行虛擬化和操作系統(tǒng)虛擬化 完全虛擬化又稱為原始虛擬化，其原理如表1所示。VMM（Hypervisor）在裸機硬件和虛擬機操作系統(tǒng)之間，負責裸機硬件資源的分配與管理，所以，底層裸機硬件并不是操作系統(tǒng)所擁有，而是操作系統(tǒng)通過VMM共享。

表1 完全虛擬化示意表

并行虛擬化又稱超虛擬化，其原理如表2所示。與完全虛擬化類似，也使用VMM實現(xiàn)對底層硬件的共享訪問，并且將與虛擬化有關的程序集成到操作系統(tǒng)中。

表2 并行虛擬化示意表

操作系統(tǒng)虛擬化，其原理如表3所示。所有的虛擬機必須運行同一種操作系統(tǒng)，沒有VMM，在物理機操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)服務器的虛擬化，提供一種更瘦的虛擬架構體系[3]。

表3 操作系統(tǒng)虛擬化示意表

根據(jù)虛擬化技術的具體應用和解決方案不同，虛擬化技術可以分為服務器虛擬化、存儲虛擬化、應用虛擬化、桌面虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化 服務器虛擬化又稱為基于主機的虛擬化，是將服務器的CPU、內(nèi)存、IO設備等物理資源轉化為多個虛擬的邏輯資源。具有同一接口標準的邏輯資源被組裝成多個完全獨立的服務器。

存儲虛擬化又稱為存儲控制器的虛擬化，在物理存儲系統(tǒng)和服務器之間增加一個虛擬層——控制器，它管理和控制所有存儲并對服務器提供存儲服務。

應用虛擬化將應用程序與底層操作系統(tǒng)邏輯隔離，為應用程序提供了一個虛擬的運行環(huán)境，從而實現(xiàn)應用程序（或軟件）即服務[4]。通過應用虛擬化技術，可以增強軟件的可移植性，有利于保障底層操作系統(tǒng)的安全，提高應用程序的兼容性。

桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化通過任何設備，在任何地點、任何時間訪問在網(wǎng)絡上的屬于個人的桌面系統(tǒng)。

不同的虛擬化技術適用于不同的領域、應用環(huán)境和用戶需求。如：基于軟件朝著開源的方向發(fā)展，從成本開銷和應用上看，軟件虛擬化較硬件虛擬化的開銷更低，更傾向于普通用戶用于軟件測試；從數(shù)據(jù)中心的安全和發(fā)展的角度看，應用更多的是硬件虛擬化，所以軟件虛擬化越來越受到普通用戶的青睞，硬件虛擬化更適用于大型數(shù)據(jù)中心。

不同類型的虛擬化技術也有不同的實現(xiàn)方法。如服務器虛擬化方法有完全虛擬化、并行虛擬化和操作系統(tǒng)虛擬化；服務器硬件虛擬化技術包括CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化等。

2 幾種主要的虛擬化技術

服務器虛擬化 服務器虛擬化將物理主機的CPU、內(nèi)存、IO設備等物理資源轉化為可以統(tǒng)一管理的邏輯資源，充分發(fā)揮服務器硬件的性能，提升硬件資源的利用率。虛擬化的邏輯資源必須具有同一接口標準才能成為一臺虛擬機，邏輯資源實際上不存在，沒有實際的意義；服務器虛擬化的目的是實現(xiàn)資源共享，提高物理資源整體利用率，使資源使用最大化，如表4所示。

表4 物理體系結構（上表）和虛擬體系結構（下表）對比

應用軟件 應用軟件 …… 應用軟件操作系統(tǒng)1 操作系統(tǒng)2 操作系統(tǒng)3虛擬機軟件主機操作系統(tǒng)裸機

服務器虛擬化包括兩種形式：一對多，如以上定義所述，將單臺物理服務器虛擬出多臺相互獨立的虛擬服務器；多對一，將多臺物理服務器資源進行整合，提供資源動態(tài)調(diào)配，即使用多臺物理主機虛擬成一臺超級計算機，如云計算平臺和高性能計算集群。第一種主要用于普通用戶測試和學習，第二種主要用于科學計算和云服務，需要專業(yè)人士實現(xiàn)和維護。

第一種形式的服務器虛擬化主要有四個特點：同時性，在單一物理服務器上可以同時運行多個虛擬機，即可以同時運行多個操作系統(tǒng)；獨立性，在同一服務器上的虛擬機之間相互隔離、相互獨立、互不干擾，并且獨立于物理硬件；封裝性，整個虛擬機以文件形式保存，可以通過移動和復制文件的方式實現(xiàn)服務器的虛擬化；跨平臺性，無需修改任何配置文件就可在任何服務器上運行。

第二種服務器虛擬化具有以下特點：各服務器型號和性能相同；各服務器操作系統(tǒng)相同；封裝良好，任意一臺服務器出現(xiàn)故障不影響整體使用；高速互聯(lián)網(wǎng)絡。

存儲虛擬化 存儲虛擬化一般在存儲設備（主盤柜）的控制器中實現(xiàn)，可以整合IBM、EMC、HP、NetAPP等多臺不同品牌、型號、類型、接口的存儲設備，形成一個統(tǒng)一的存儲池，從而提高存儲容量、性能。在虛擬化層通過利用多路徑軟件、瘦供給、快照、卷拷貝、卷鏡像、遠程鏡像、數(shù)據(jù)自動分層等存儲特性實現(xiàn)統(tǒng)一管理，當存儲池發(fā)生變化時，主機應用不會被迫中斷。

存儲虛擬化通過控制器將存儲模塊（包括硬盤和raid卡）統(tǒng)一管理，主機操作系統(tǒng)操作的是一塊硬盤（物理卷組），然后可以根據(jù)用戶需求劃分不同的邏輯卷。用戶只是管理自己的邏輯數(shù)據(jù)，不必關心數(shù)據(jù)實際的存儲位置。服務器不直接與存儲硬件打交道，而與控制器交流，存儲硬件的增減、調(diào)換、分拆、合并對服務器完全透明。

存儲虛擬化的優(yōu)勢為：隱藏了復雜程度，特別對使用者而言，不必了解其內(nèi)部實現(xiàn)；允許將現(xiàn)有的功能集成使用、統(tǒng)一管理，降低了管理人員的難度；擺脫了物理容量的局限，擴大了邏輯容量；減少硬盤碎片的產(chǎn)生，提高硬盤容量的使用率。磁盤陣列存儲是目前虛擬化技術最成熟的產(chǎn)品和應用。

桌面虛擬化 桌面虛擬化技術利用虛擬化技術將終端用戶同底層操作系統(tǒng)和應用程序分開，終端用戶可獨立連接多個獨立操作系統(tǒng)和應用程序的鏡像，而操作系統(tǒng)和應用軟件都集中在數(shù)據(jù)中心，實質上是將用戶使用與系統(tǒng)管理進行了有效的分離。

桌面虛擬化的優(yōu)點：靈活的訪問和使用；廣泛與簡化的終端設備支持；終端設備采購、維護成本大大降低；集中管理、統(tǒng)一配置；使用安全；降低耗電、節(jié)能減排。常用的桌面虛擬化軟件有遠程桌面協(xié)議（RDP）、Hyper-V、View（ICA）、Xen。另外，TeamViewer和VNC應用也比較廣泛。

網(wǎng)絡虛擬化 網(wǎng)絡虛擬化在日常工作中最典型的應用有虛擬網(wǎng)卡、VPN和VLAN。

虛擬網(wǎng)卡是硬件虛擬化的一部分?？梢园褑我晃锢砭W(wǎng)卡根據(jù)用戶的應用需求抽象為不同的邏輯網(wǎng)卡，即虛擬IP；VPN，虛擬專用網(wǎng)，為節(jié)省成本，不同用戶通過VPN主機進行加密通訊接入互聯(lián)網(wǎng)；VLAN，虛擬局域網(wǎng)，通過三層協(xié)議交換機將不同網(wǎng)段的設備或用戶組織起來，他們之間的通信好像在同一網(wǎng)段中一樣。服務器分散部署而導致的利用率低下的弊端，提高服務器的可靠性和利用率。

2）簡化資源使用的復雜度，更快、更方便部署系統(tǒng)。虛擬化技術的實現(xiàn)是一項復雜的工程，運用虛擬化技術的目的是使用者更快更方便地完成自己的部署，滿足自我需求，簡化實現(xiàn)的流程和過程。虛擬化技術良好的封裝性使得用戶不必了解內(nèi)部實現(xiàn)，從而實現(xiàn)用戶的需求。就如操作系統(tǒng)的發(fā)展一樣，虛擬化技術的出現(xiàn)和發(fā)展會使應用在多個層面朝著傻瓜模式發(fā)展。

3）簡化資源管理，提供自動的資源分配、回收方式。利用虛擬化技術，可以在一臺機器上模擬出許多不同的操作系統(tǒng)，建立一個高效、方便的測試環(huán)境，實現(xiàn)集中式管理，簡化操作流程，系統(tǒng)維護簡便快捷。

4）降低開銷和管理成本。虛擬化技術的實施，最大程度地降低基礎架構建設的成本和開銷。服務器的整合，不僅提高了硬件利用率，還減少了硬件需求，即硬件數(shù)量的減少。服務器數(shù)量的減少，數(shù)據(jù)中心的占用面積、機架空間以及電源、制冷、電纜、存儲和網(wǎng)絡組件也相應減少，專業(yè)人員的設備管理成本和安全風險也必然降低。

虛擬化技術在提高資源利用率和給用戶提供便利的同時，也凸顯出很多弊端

1）降低物理設備的使用壽命，對基礎設施的建設提出嚴峻的考驗。據(jù)統(tǒng)計，利用虛擬化技術可以使物理資源的使用率提高到80%，但同時帶來的是物理設備的使用壽命降低30%，宕機率達到51%，如圖1所示。

2）增加物理設備更新頻率和維護成本。任何事物都有兩面性，虛擬化技術在提高設備使用率的同時，使用壽命縮短，從長期看，設備的維護成本和開銷也必然提高。

3）增大服務器的使用風險。雖然虛擬化技術提供了安全機制，但安全不是絕對的。一臺服務器上出現(xiàn)重大的硬件故障只會影響這臺服務器上的服務，但該服務器在運行10臺虛擬服務器時，面臨的風險就大得多，可能導致所有

3 虛擬化技術的優(yōu)勢與不足

虛擬化技術在十幾年的發(fā)展過程中呈現(xiàn)了若干優(yōu)勢

1）整合資源，提高資源利用率。隨著信息化水平的不斷提高和業(yè)務的增長，必然需要更多的服務器支持新的應用。這種解決方式的弊端在于造成資源的浪費，增加了網(wǎng)絡成本。而虛擬化技術的應用，可以有效整合分散的物理資源，提供統(tǒng)一的管理和服務，避免因虛擬機全部崩潰；多個獨立存儲（物理卷）要比存儲虛擬化組成的物理卷組出現(xiàn)問題帶來的風險小得多。

4）數(shù)據(jù)遷移帶來的困難。從表面上看，從物理環(huán)境遷移到虛擬環(huán)境與物理服務器遷移到物理服務器沒什么不同。然而，數(shù)據(jù)遷移工作更多地依靠以太網(wǎng)實現(xiàn)，網(wǎng)絡傳輸速度使數(shù)據(jù)遷移不僅費時費錢，更容易造成數(shù)據(jù)丟失。

4 虛擬化技術在數(shù)據(jù)中心的應用

數(shù)據(jù)中心（IDC）主要提供VPS服務、云存儲和高性能計算三種業(yè)務。筆者結合自己管理的北京師范大學某高性能計算中心說明虛擬化技術在其中的應用。該高性能計算機由計算節(jié)點、存儲節(jié)點和計算網(wǎng)絡三部分組成，主要用于科學計算。

服務器虛擬化的應用 當前世界上用于科學計算的超級計算機80%以上都是計算機集群，這種分布式高性能計算機集群是由功能和特性相同的普通服務器虛擬化成一臺超級計算機，用于滿足用戶的模式運算。這種服務器虛擬化方式是上文提到的第二種服務器虛擬化技術。當前性能較好的服務器其資源有限，特別是CPU的性能和總核數(shù)，不能滿足用戶的計算需求。以IBM最新的IBM System x3850 X6產(chǎn)品為例，該服務器CPU為英特爾至強E7-4800/8800 v2，CPU主頻高達3.2 GHz，有4個處理器，60個內(nèi)核，最大支持6 TB內(nèi)存。在獨立服務器中，其計算性能出色，內(nèi)存容量較大，浮點計算能力理論值達到1.5 TFLOPS。而該高性能計算平臺計算集群由256個低端的Intel(R)Xeon(R) CPU E5540，主頻為2.53 GHz，共1024核組成，其計算能力達到10 TFLOPS。該平臺單臺服務器（刀片）其計算性能遠低于IBM System x3850 X6，但總計算性能高其一個數(shù)量級，而且資源的維護成本要低于IBM System x3850 X6。對于客戶（使用者）來講，不必了解集群的內(nèi)部實現(xiàn)，只需要申請滿足自己需要的資源（核數(shù)）即可。

另外，在該高性能計算中心托管的其他幾十臺獨立運行的服務器有80%采用上文提到的第一種服務器虛擬化技術，作為技術測試和低數(shù)據(jù)量的計算。數(shù)據(jù)中心的設備使用壽命最高為10年，隨著使用周期的延長，設備的物理磨損程度的提高，管理和維護開銷不斷增加，因此在設備的使用壽命周期內(nèi)最大化的利用服務器資源的性能也可以節(jié)約最終的開銷。

存儲虛擬化的應用 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是該高性能計算機的重要組成部分。磁盤陣列存儲是目前虛擬化技術最成熟的產(chǎn)品和應用。這種設備采用虛擬化技術，把若干相同特性的物理硬盤通過磁盤陣列技術變成一塊raid盤，該raid盤可以根據(jù)用戶需求劃分成不同的邏輯卷供不同的主機使用，既能實現(xiàn)硬盤整合，提高容量，減少硬盤碎片，對存儲空間和連接主機進行集中管理，更能滿足多用戶多任務的需求。

數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)中心運營的重要功能，而磁盤陣列是存儲虛擬化技術在數(shù)據(jù)中心的基本應用，目前所有品牌的存儲都支持磁盤陣列，磁盤陣列的類型也從raid0發(fā)展到raid6。除了磁盤陣列技術，存儲虛擬化在高性能計算中心還有兩方面的應用。一是把多個存儲盤柜虛擬整合為一個邏輯盤柜。眾所周知，一個盤柜一般由12或16塊硬盤組成，每塊硬盤的容量目前最大為4 TB，即單個盤柜的容量最大為64 TB，遠遠達不到數(shù)據(jù)中心建設的規(guī)模。一般而言，一個存儲系統(tǒng)通常由主盤柜和擴展柜組成，在該中心的存儲通常通過Mapper技術虛擬化為一個物理盤組。二是在虛擬化盤柜的技術上，采用Google File System升級物理盤柜的文件系統(tǒng)，提高其并行讀寫能力。

網(wǎng)絡虛擬化的應用 網(wǎng)絡虛擬化技術被廣泛應用于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡建設中。該高性能計算平臺網(wǎng)絡主要包括管理網(wǎng)絡和計算網(wǎng)絡。管理網(wǎng)絡通過普通千兆因特網(wǎng)互聯(lián)實現(xiàn)，計算網(wǎng)絡是計算平臺達到高性能的重要基礎設施，是通過單向帶寬為40 Gb的infiniBand交換機互聯(lián)實現(xiàn)的，所以物理設備除了交換機外，計算節(jié)點（刀片服務器）必須支持上述網(wǎng)卡。除了計算網(wǎng)絡采用虛擬化技術外，VLAN和VPN也應用于該平臺的網(wǎng)絡建設，高性能計算平臺的大量數(shù)據(jù)具有保密性，高風險是其顯著特征之一，網(wǎng)絡安全是平臺管理和監(jiān)控的重要任務之一。比如2014年在比特幣等虛擬貨幣盛行市場的時候，很多黑客利用高性能計算平臺的眾核優(yōu)勢來盈利，如該性能計算平臺被黑客用來挖礦，在安全監(jiān)控的保障下，問題得到發(fā)現(xiàn)，及時解決。當時，筆者切斷所有用戶的公網(wǎng)訪問權限，用戶必須通過校園網(wǎng)VPN服務和校內(nèi)賬號認證才能順利申請資源和提交任務。

此外，桌面虛擬化技術也被應用于該高性能計算平臺。筆者利用桌面虛擬化的優(yōu)勢，使用KVM來解決管理網(wǎng)絡不能正常訪問狀況的問題查詢和歸因，這樣既方便管理操作，又充分利用了其降低能耗的特點，緩解中心運營中高能耗的壓力。由此可見，虛擬化技術構成了該分布式高性能集群的基礎架構，保證其順利運轉。

5 結束語

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，無線互聯(lián)網(wǎng)絡和傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術的日益成熟，虛擬化技術將被更多地應用于手機業(yè)務，對提升移動終端的效率和安全性，降低移動終端的成本起著極大的推動作用。

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