淺析虛擬化技術(shù)在高性能計算中應(yīng)用前景

孫茜

摘 要

隨著用戶對于高性能計算需求的提高，實現(xiàn)其計算需求的計算機規(guī)模不斷擴大，部件之間的關(guān)系日益復(fù)雜，系統(tǒng)如何便捷管理和高效使用成為技術(shù)難題。虛擬化技術(shù)可將固有軟硬件資源進行重新規(guī)劃，實現(xiàn)最大使用效能。本文首先對虛擬化技術(shù)的起源及發(fā)展做了簡要介紹，再對虛擬化技術(shù)的類型進行闡述，最后對虛擬化技術(shù)在高性能計算中的應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞

虛擬化技術(shù);應(yīng)用;高性能

中圖分類號： TP311.56 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 17

Abstract

With the improvement of users' demand for high performance computing， the scale of computers to realize their demand for computing keeps expanding， the relationship between components becomes more and more complex，How to manage and use the system efficiently becomes a technical problem. Virtualization technology can reprogram the inherent software and hardware resources to achieve maximum efficiency. In this paper， the origin and development of virtualization technology are briefly introduced， then the types of virtualization technology are described， and finally the application prospect of virtualization technology in high-performance computing is forecasted.

Key words

Virtualization technology; Application; High-performance

1 虛擬化技術(shù)起源及發(fā)展

隨著人們對于計算需求的日益增多，計算機的普及率也隨之增高，但計算機的利用率卻出現(xiàn)嚴重不足的現(xiàn)象，在日常的生活之中，計算機在晚上大多處于閑置狀態(tài)，而在白天的工作學(xué)習(xí)時間中，計算機的使用也并不高頻和持久，平均利用率僅為9%，可以說計算資源是目前最過剩的資源。國務(wù)院信息化工作辦公室統(tǒng)計得出僅44.5%的政府網(wǎng)站發(fā)布的公告、新聞、政策等信息比例超過60%，有21.7%的政府網(wǎng)站發(fā)布比例低于20%，綜合起來，政府網(wǎng)站的整體計算資源利用率不足50%。

整體而言，在信息產(chǎn)業(yè)，IT設(shè)備計算資源過剩，資源利用率非常低是一個不爭的事實。面對這種情況，業(yè)界還有一個比較形象的描述，即991原則：90%的服務(wù)器，在90%的運行時間中，CPU的占用率卻低于10%。這一現(xiàn)象對于一臺服務(wù)器或許沒有太大的影響，然而面對成千上萬的服務(wù)器，這種資源的浪費就不是一星半點了。

因而業(yè)界急需一種技術(shù)以改變計算資源浪費的現(xiàn)狀，虛擬化技術(shù)應(yīng)運而生。

牛津大學(xué)克里斯·托弗教授在1959年6月的國際信息處理大會上發(fā)表了一篇名為《大型高速計算機中的時間共享》的學(xué)術(shù)報告，他在報告中首次提出“虛擬化”這一概念，論述了什么是虛擬化技術(shù)，并由此拉開了虛擬化發(fā)展的帷幕。

在20世紀60年代，計算資源彌足珍貴，只有極少數(shù)的科研機構(gòu)才能擁有一臺大型計算機，且需要多人維護才能完成一項簡單的計算，為了提高計算資源的利用率，使得計算機能充分得以使用，虛擬化技術(shù)在這一時期得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

到了20世紀80、90年代，操作系統(tǒng)不斷更新，多任務(wù)多用戶系統(tǒng)開始逐步普及到生活工作之中，計算機及各種硬件的價格也逐步下降，中小型企業(yè)可以按照需求購置計算機，個人主機PC也開始走進人們的視野，在這一時期，虛擬化技術(shù)及虛擬機無法體現(xiàn)優(yōu)勢，進入了對其研究的低谷期。

當(dāng)下，計算機軟件豐富、硬件強大，配置高端，但人們逐漸意識到除了計算機本身強健之外，還關(guān)注到了降低系統(tǒng)成本、提高資源利用率、增強可移植性及提高安全性和可靠性等課題，虛擬化技術(shù)的重要性得以凸顯，重新成為計算機信息技術(shù)領(lǐng)域的研究焦點之一。

那么究竟什么是虛擬化？維基百科對于虛擬化的解釋是表示計算機資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源。信息技術(shù)術(shù)語庫定義虛擬化是為了某些事物創(chuàng)造的虛擬版本。IBM認為虛擬化是資源的邏輯表示。

綜合而言，虛擬化技術(shù)即一種把有限的固定的資源根據(jù)不同需求進行重新規(guī)劃，以達到最大利用率的技術(shù)。各類資源都可以成為虛擬化的對象，例如操作系統(tǒng)、存儲、服務(wù)器等，用戶通過虛擬化技術(shù)可在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)其在相應(yīng)真實環(huán)境中的部分或者全部功能。

2 虛擬化技術(shù)類型

在計算機科學(xué)中，虛擬化技術(shù)是一種資源管理及優(yōu)化技術(shù)，將計算機的各種物理資源予以抽象、轉(zhuǎn)換，然后呈現(xiàn)出來的一個可供分割并任意組合為一個或多個虛擬計算機的配置環(huán)境。虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，使用戶能夠更高效的應(yīng)用計算機的軟件及硬件資源，并且通過虛擬化技術(shù)，資源的形式將不再局限于地域或者物理配置。

從不同的角度虛擬化技術(shù)可以分為不同的類型，從應(yīng)用對象類型可以分為：

（1）平臺虛擬化（Platform Virtualization）：平臺往往指的是計算機和操作系統(tǒng)，即面向這二者的虛擬化。

（2）資源虛擬化（Resource Virtualization）：資源包括硬件資源及軟件資源，例如網(wǎng)絡(luò)、存儲等，即面向系統(tǒng)資源的虛擬化。

（3）應(yīng)用程序虛擬化（Application Virtualization）：主要面向應(yīng)用軟件及應(yīng)用程序，例如解釋技術(shù)、仿真及模擬等。

虛擬化從技術(shù)方向劃分可分為：

（1）全虛擬化（Full-Virtulization）：無需修改操作系統(tǒng)，例如VM ESXi、Linux KVM。

（2）半虛擬化（Para-Virtulization）：這一虛擬化技術(shù)的性能與物理機較為類似，但需要對操作系統(tǒng)進行修改，可以集成半虛擬化代碼，并且直接運行特權(quán)指令，例如MS Hyper-V、IBM PowerVM。

（3）操作系統(tǒng)層虛擬化：開發(fā)、測試環(huán)境，例如VM Workstation、VM Server、Oracle VitrualBox。

虛擬化從面向的業(yè)務(wù)方向劃分可進行如下分類：

（1）桌面虛擬化：將計算機的桌面應(yīng)用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)虛擬化，提高使用桌面時的安全性與靈活性。并且不局限于設(shè)備、地點及時間的訪問桌面系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)虛擬化：主要用于整合各種類型網(wǎng)絡(luò)，例如以太網(wǎng)，光纖通道存儲網(wǎng)，以太網(wǎng)存儲， FCoE融合網(wǎng)絡(luò)適配器，CEE，DCB等。

（3）應(yīng)用虛擬化：圍繞應(yīng)用程序而實現(xiàn)虛擬化技術(shù)，其提供一個虛擬運行環(huán)境，實現(xiàn)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的解耦合。

（4）存儲虛擬化：不通過服務(wù)器的管理及控制所有存儲并對服務(wù)器提供所需的存儲服務(wù)，對存儲應(yīng)用虛擬化技術(shù)即在物理存儲和服務(wù)器之間增加一個虛擬層。不局限于固有的物理容量和功能存儲。

（5）服務(wù)器虛擬化：針對日常服務(wù)器資源利用率低而應(yīng)用的虛擬化技術(shù)，將一臺物理固有服務(wù)器通過虛擬化變成數(shù)臺虛擬服務(wù)器，提高計算資源使用率。

3 虛擬化技術(shù)在高性能計算中的應(yīng)用前景

目前，虛擬化技術(shù)已在臺式主機和服務(wù)器上廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。但在高性能計算領(lǐng)域中，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用還較為有限，其原因主要包括：虛擬化成本支出問題;多VMM高效協(xié)同問題;大量VM的管理問題;編程模型和軟件環(huán)境的支持問題。

為滿足人們當(dāng)下高強度工作生活的高性能計算技術(shù)正飛速發(fā)展，成為計算機信息領(lǐng)域關(guān)注焦點的虛擬化技術(shù)也逐漸深入研究，虛擬化技術(shù)應(yīng)用于高性能計算之中，諸多高性能計算領(lǐng)域的難題將會獲得解決方案。

（1）構(gòu)建虛擬應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。在高性能計算領(lǐng)域中，連接用戶與計算機的應(yīng)用程序與運行環(huán)境密切相關(guān)，運行環(huán)境的規(guī)模直接影響著應(yīng)用程序的實現(xiàn)效果。通過應(yīng)用虛擬化技術(shù)，可在小規(guī)模系統(tǒng)上模擬出更接近真實運行環(huán)境的大規(guī)模虛擬應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，且應(yīng)用程序可以更高效便捷的移植到大規(guī)模系統(tǒng)上運行。

（2）整合異構(gòu)資源。當(dāng)下生活日新月異，為滿足人們對于各式各樣應(yīng)用的需求，高性能計算體系結(jié)構(gòu)已不局限于單一方向，而是發(fā)展趨同于異構(gòu)化方向。在此背景下，應(yīng)用程序開發(fā)人員面臨著技術(shù)難關(guān)，即如何在高性能計算中高效管理和使用異構(gòu)系統(tǒng)。虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢之一便是整合異構(gòu)資源，隱藏異構(gòu)特性。利用虛擬化技術(shù)對底層異構(gòu)硬件資源進行抽象和管理，可以實現(xiàn)一個統(tǒng)一的系統(tǒng)環(huán)境，為用戶對異構(gòu)系統(tǒng)的使用提供了便捷。

（3）提供定制的Appliance。在高性能計算中，應(yīng)用程序與系統(tǒng)環(huán)境息息相關(guān)。在處理操作系統(tǒng)環(huán)境或通信庫的應(yīng)用優(yōu)化問題時，部署應(yīng)用程序往往較為耗時耗力，且難以實現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)境的最優(yōu)化，導(dǎo)致最終的系統(tǒng)不能充分發(fā)揮效能。虛擬化技術(shù)可以預(yù)先將定制的系統(tǒng)、環(huán)境等打包成VM映像，即Appliance，例如操作系統(tǒng)、經(jīng)過優(yōu)化配置的應(yīng)用運行環(huán)境及應(yīng)用二進制代碼。通過應(yīng)用虛擬化技術(shù)中的Appliance，可有效解決上述高性能計算問題，即為不同的應(yīng)用優(yōu)化環(huán)境提供定制的Appliance，快速部署應(yīng)用程序，以獲得較好的系統(tǒng)效能。

（4）提高系統(tǒng)可靠性和容錯性。高性能計算系統(tǒng)規(guī)模的擴大，隨之而來的問題是部件間提高的復(fù)雜性及系統(tǒng)硬件增大的故障率。在虛擬化的系統(tǒng)中，提供了多種提高系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性和容錯性的方案，例如HA高可用性，F(xiàn)T容錯，這二者都可以在一臺虛擬機運行出現(xiàn)故障時，快速的遷移至另一臺適合的虛擬機，并保持零宕機，為應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)連續(xù)性提供了保障。

總之，虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)、硬件、存儲及操作系統(tǒng)等均帶來了極大的變革，這一技術(shù)也正逐漸融入我們的工作與生活之中，并帶來便捷與效能。而向著多層次、多粒度的異構(gòu)化方向發(fā)展的高性能計算體系結(jié)構(gòu)與虛擬化技術(shù)相輔相成，虛擬化技術(shù)有助于解決高性能計算系統(tǒng)中的技術(shù)難題，與此同時這又不斷推動著高性能計算領(lǐng)域中虛擬化技術(shù)的發(fā)展。

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