云計算中服務(wù)器虛擬化技術(shù)解析

摘 要

服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以將云計算物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源，強(qiáng)化資源管理的抽象化，使得各個服務(wù)器中的虛擬服務(wù)打破物理界限，將CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件轉(zhuǎn)化為動態(tài)資源管理庫，進(jìn)而有效提高資源的使用價值。因此，本文主要探究云計算中服務(wù)器虛擬化技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)云計算服務(wù)器的資源整合與共享。

【關(guān)鍵詞】云計算 服務(wù)器 虛擬化技術(shù) 資源

虛擬化技術(shù)是計算機(jī)重要的支撐技術(shù)，對元計算的實(shí)際運(yùn)行和操作具有非常重要的作用和意義。隨著虛擬化軟件技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，云計算逐漸進(jìn)入人們的生活與工作中，并占有十分重要的地位。虛擬化技術(shù)可以從計算機(jī)應(yīng)用程序達(dá)到硬件層，并將其虛擬化，取代真實(shí)層直接身面向上一層，并將上下兩層進(jìn)行融合，使得下層逐漸透明化，上一層面向虛擬層即可實(shí)現(xiàn)操作功能。服務(wù)器虛擬化是云計算基礎(chǔ)平臺的核心部分，通過對服務(wù)器虛擬化技術(shù)進(jìn)行解析，展示了云計算服務(wù)推廣所需的生產(chǎn)平臺，對經(jīng)營云服務(wù)的公司具有一定的指導(dǎo)作用。

1 CPU虛擬化技術(shù)

1.1 運(yùn)行難點(diǎn)

在云計算服務(wù)器虛擬化技術(shù)中，CPU虛擬化技術(shù)主要是把物理CPU轉(zhuǎn)化成虛擬CPU，一個物理CPU可以對一個虛擬CPU指令進(jìn)行快速處理，無法實(shí)現(xiàn)一對多管理模式。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，操作系統(tǒng)可以進(jìn)行一個或者是多個虛擬CPU的使用，這些虛擬CPU在整個系統(tǒng)運(yùn)行中保持相互獨(dú)立狀態(tài)。在CPU虛擬技術(shù)實(shí)際使用中，操作系統(tǒng)必須要在虛擬環(huán)境下進(jìn)行指令特權(quán)的執(zhí)行，這就給CPU虛擬化的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用帶來很大的難度。目前，操作系統(tǒng)主要是在X86構(gòu)架的基礎(chǔ)上完成的，因此要直接運(yùn)行在云計算物理機(jī)上，具有全部底層硬件。X86構(gòu)架中的Ringl0是指令層級，具有執(zhí)行指令的功能，包括像CPU狀態(tài)修改這樣的特權(quán)指令。X86構(gòu)架在實(shí)際操作中要求底層硬件要和操作系統(tǒng)進(jìn)行分離，使得中間設(shè)置一層虛擬層，完成X86構(gòu)架的虛擬化運(yùn)行。但是這樣會使得Ringl0始終處于虛擬層，操作系統(tǒng)發(fā)出的特權(quán)指令無法直接作用在底層硬件上，給特權(quán)指令的執(zhí)行與操作形成巨大的阻礙。

1.2 解決方案

根據(jù)上述問題，本文主要提出2個解決方案。一是全虛擬化解決方案。全虛擬化主要是在虛擬層與操作系統(tǒng)中通過二進(jìn)制代碼動態(tài)翻譯技術(shù)，將操作系統(tǒng)中發(fā)出的特權(quán)指令直接傳送到虛擬層中的虛擬機(jī)中，虛擬機(jī)對特權(quán)指令進(jìn)行翻譯，之后執(zhí)行指令。這樣不僅可以達(dá)到操作系統(tǒng)指令執(zhí)行處理的目的，還可以進(jìn)行多個操系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于 X86架構(gòu)的 CPU 的虛擬化。但是全虛擬化的運(yùn)行成本較高，并在實(shí)際使用中要舍掉一定的系統(tǒng)性能。二是半虛擬化方案。半虛擬化恰恰相反，主要是采用修改操作系統(tǒng)的方式進(jìn)行特權(quán)指令的執(zhí)行，特權(quán)指令要進(jìn)行調(diào)用數(shù)據(jù)，而虛擬平臺是調(diào)用數(shù)據(jù)的接口，操作系統(tǒng)借助虛擬平臺進(jìn)行自身調(diào)整和修改。但是在半虛擬化方式使用中，虛擬平臺要和操作平臺保持一致，因此無法實(shí)現(xiàn)多個操作平臺共同運(yùn)行。隨著CPU虛擬技術(shù)的發(fā)展，針對以上方案的優(yōu)勢劣勢，提出一種硬件方案，在云計算處理器中設(shè)置硬件，進(jìn)而強(qiáng)化 X86架構(gòu)的虛擬化功能，利用 VMX虛擬機(jī)指令輔助虛擬化操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了虛擬化平臺的進(jìn)一步完善與優(yōu)化。

2 內(nèi)存虛擬化技術(shù)

2.1 技術(shù)核心

內(nèi)存虛擬化技術(shù)主要是強(qiáng)化物理機(jī)內(nèi)存管理的統(tǒng)一性，并將這種統(tǒng)一管理的內(nèi)存封裝成虛擬內(nèi)存，服務(wù)于虛擬機(jī)的運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存的關(guān)鍵在于物理機(jī)內(nèi)存的有效管理，構(gòu)建虛擬層內(nèi)存地址和物理機(jī)內(nèi)存地址之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雙方內(nèi)存訪問的統(tǒng)一性和連續(xù)性。從這個角度上看，只有建立有效的映射關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的虛擬化。虛擬內(nèi)存的提出主要是利用 CPU 體系內(nèi)存管理單元以及頁表轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存性能的強(qiáng)化與提升，進(jìn)而維護(hù)應(yīng)用程序中虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存之間的映射關(guān)系。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)手段

內(nèi)存虛擬化技術(shù)的操作原理具體可表現(xiàn)為以下兩種方式：

2.2.1 影子頁表法

操作系統(tǒng)運(yùn)行中可以自行維護(hù)頁表，頁表中具備的內(nèi)存地址可以直接反映出虛擬層邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射關(guān)系，也稱一級映射關(guān)系，虛擬層中的頁表就直接反映虛擬物理內(nèi)存和物理機(jī)器內(nèi)存之間的映射關(guān)系，也稱二級映射關(guān)系。一級映射關(guān)系與二級映射關(guān)系具有統(tǒng)一的內(nèi)存地址變量，在操作系統(tǒng)進(jìn)行頁表訪問的過程中，會對頁表的內(nèi)存地質(zhì)執(zhí)行讀寫操作，一級映射關(guān)系產(chǎn)生變化，并通過虛擬物理地址傳遞到二級映射關(guān)系中，引起其中虛擬物理地址的變化，進(jìn)而改變物理機(jī)機(jī)器內(nèi)存地址，建立新的映射關(guān)系。

2.2.2 頁表寫入法

這種方式主要是在操作系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建邏輯內(nèi)存和機(jī)器內(nèi)存之間的映射關(guān)系，在操作系統(tǒng)進(jìn)行頁表訪問的過程中，虛擬內(nèi)存管理單元對頁表地址進(jìn)行操作，直接反映出機(jī)器內(nèi)存與虛擬內(nèi)存之間的映射關(guān)系。

3 實(shí)時遷移技術(shù)

實(shí)時遷移技術(shù)主要是根據(jù)基站軟切換原理，在操作系統(tǒng)中同時建立兩條鏈路，虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)可以將原宿機(jī)迅速遷移到新宿機(jī)，其遷移過程具有一定的穩(wěn)定性與平緩性，使得用戶不易察覺。進(jìn)而賦予了物理機(jī)虛擬化，實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)建立硬件平臺。從本質(zhì)上看，實(shí)時遷移技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息拷貝和傳送以及切換的速度性，利用協(xié)議的聯(lián)系性，啟動原宿機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的拷貝、遷移，內(nèi)存頁面會把拷貝內(nèi)容移至新宿機(jī)，進(jìn)而完成內(nèi)存?zhèn)魉团c拷貝。

4 結(jié)束語

綜上所述，云計算中服務(wù)器虛擬化技術(shù)主要涉及到CPU虛擬化技術(shù)、內(nèi)存虛擬化技術(shù)以及實(shí)時遷移技術(shù)等方面，在實(shí)際的運(yùn)行使用中，要對虛擬服務(wù)器的綜合性能進(jìn)行評估，并依托服務(wù)器質(zhì)量指標(biāo)選擇服務(wù)器實(shí)現(xiàn)虛擬化運(yùn)行，進(jìn)而滿足具體運(yùn)行要求。

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作者簡介

王倩（1980-），女，天津市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為天津職業(yè)大學(xué)的電子信息學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計算。

作者單位

天津職業(yè)大學(xué)的電子信息學(xué)院 天津市 300402