基于云計算的虛擬化技術(shù)發(fā)展

◎ 中國空間技術(shù)研究院、北京空間機電研究所 閆順琪 趙永豐 史秀鵬 張宏宇 孫麒 靳力

引言

網(wǎng)絡發(fā)展過程中，網(wǎng)絡功能基本都是通過硬件設(shè)備來完成對數(shù)據(jù)的處理。隨著網(wǎng)絡“僵化”現(xiàn)象的發(fā)生，網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)應運而生。研究學者為了提升硬件設(shè)備的資源利用效率，通過虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)硬件設(shè)備的虛擬化，實現(xiàn)在同一個硬件設(shè)備的相互隔離，這可以顯著提升資源效率和網(wǎng)絡靈活性，節(jié)約企業(yè)的經(jīng)濟成本，具備較好的經(jīng)濟效益。

云計算能夠根據(jù)用戶需求進行數(shù)據(jù)中心資源的分配工作，從而節(jié)約數(shù)據(jù)中心的能耗。在云計算資源管理過程中，虛擬機遷移也是較為常見的處理方式，它是在目標主機上完成部署源主機的操作系統(tǒng)、應用程序共享，此時就可以在目標主機中正常工作。

一、云計算

云計算能夠充分利用硬件設(shè)備資源，提供給用戶足夠得存儲空間。云存儲中的所有數(shù)據(jù)基本都是可以實現(xiàn)共享，能夠在各個終端中進行下載。因此云計算具有分布式低能耗、資源共享等優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，云服務的網(wǎng)絡架構(gòu)架構(gòu)也在逐步改進優(yōu)化，較為經(jīng)典的云網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示，包含有云服務供應商（CSP），用戶（Users）和密鑰服務器（KS）。

如圖1所示，用戶會將數(shù)據(jù)直接上傳到網(wǎng)絡云中，并存儲在分布式虛擬地址中，其它用戶只要通過獲取得到該地址就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載。為了確保數(shù)據(jù)的云存儲安全性，通過K S 來部署服務發(fā)布的密鑰等信息。云計算的數(shù)據(jù)服務具有較多的優(yōu)勢，因此在日常網(wǎng)絡應用中應用越來越廣泛，很多用戶都選擇將個人數(shù)據(jù)直接存儲到云中，實現(xiàn)隨時隨地的安全下載和查看。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲都是在本地硬盤中，云中數(shù)據(jù)是存儲在網(wǎng)絡上，因此數(shù)據(jù)存儲有一定的安全風險，容易遭受到網(wǎng)絡攻擊、病毒感染等。這都是由于網(wǎng)絡環(huán)境的復雜性、開放性導致，傳統(tǒng)的加密算法也無法直接部署和應用在云環(huán)境中，使得云數(shù)據(jù)安全的挑戰(zhàn)非常多。云計算的數(shù)據(jù)安全必須要滿足機密性（Confidentiality），所有的云數(shù)據(jù)都必須是合法的被下載、傳輸，不會受到非法用戶的下載和讀取等操作。此外還需要具備完整性（Integrity)，所有的數(shù)據(jù)都是在網(wǎng)絡進行傳輸，整個過程必須要安全，不能夠被非法篡改。最后要確保具備可用性（Availability），所有的用戶在通過驗證后都能夠安全的使用數(shù)據(jù)。

較為典型的云計算部署方式為：

一是私有云。這是一種安全的云數(shù)據(jù)部署方式，它是在云端中獨立的開辟空間給個人或者第三方機構(gòu)。這種沒有共享的方式，安全隱私性能非常好。

二是公有云。它是一種公用的云數(shù)據(jù)部署方式，根據(jù)不同的應用需求可以部署在本地、網(wǎng)絡云等位置，提供給社會群組網(wǎng)絡服務。

三是社區(qū)云。對于部分具備相同目標的用戶和組織群體，社區(qū)云能夠提供統(tǒng)一的服務，并沒有嚴格的所有權(quán)規(guī)定和部署位置，提供給它們相關(guān)的網(wǎng)絡服務。

四是混合云。綜合私有云、公有云、社區(qū)云等特點，根據(jù)用戶需求進行組合綜合應用，不同云是通過設(shè)定公認的標準來相互連結(jié)，但每個云內(nèi)部都是獨立運行。

圖1 云計算架構(gòu)

二、云計算虛擬框架

虛擬化技術(shù)通過將實際的硬件資源分配為多個應用環(huán)境，各個環(huán)境是相互獨立、安全的，并可以實現(xiàn)軟硬件的通用，逐步將物理資源變換為邏輯可管理資源。云計算的虛擬技術(shù)能夠?qū)⒁粋€硬件設(shè)備變換為多個虛擬邏輯設(shè)備，從之前的部署多臺硬件設(shè)備可以節(jié)約為部署一臺硬件設(shè)備，且每個虛擬設(shè)備都是相互獨立、隔離的，能夠最大化的利用硬件資源。

在工業(yè)社會、日常應用中虛擬化技術(shù)都在不斷的優(yōu)化改進，當前已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的虛擬化框架技術(shù)，較為核心的有：

1.KVM 虛擬化技術(shù)

KVM是由以色列公司Qumranet研發(fā)的基于內(nèi)核虛擬機，并很快被Linux系統(tǒng)直接定義為內(nèi)部KVM模塊，所有的用戶都可以直接進行部署和調(diào)用。2008年，Redhat收購Qumranet公司后，則被正式認為是Linux系統(tǒng)內(nèi)部的默認虛擬化解決方案，因此在當前的應用也是最多的。KVM框架中，Linux系統(tǒng)將一臺虛擬機定義為一個進程，可以根據(jù)需求部署多個虛擬機，這就能夠顯著的提升資源調(diào)度的效率。

2.VMware 虛擬化

VMware包含有比較多的組件，是一個vSphere虛擬化平臺。其中ESXi組件是能夠提供虛擬化服務的監(jiān)控程序，它能夠在物理硬件設(shè)備上進行安裝、運行操作，且這個過程是獨立的。vSphere Client組件讓用戶能夠直接進行ESXi服務的訪問操作，并能夠?qū)λ鶎俚奶摂M機進行管理。VMware 是集成了ESXi物理機、虛擬機的一個平臺。

3.Xen 虛擬化技術(shù)

Xen是開源的VMM技術(shù)，在物理硬件設(shè)備上直接進行運行，它能夠?qū)崿F(xiàn)全虛擬化、半虛擬化功能。Xen部署的多個虛擬機都是通過一個特殊的0號虛擬機來完成對I/O控制操作，Linux操作系統(tǒng)中內(nèi)部的內(nèi)核驅(qū)動程序修改、刪除等操作都是通過0號虛擬機來實現(xiàn)，這就能夠保證各個虛擬機具備良好的隔離性和安全性。

4.Hyper V 虛擬化技術(shù)

微軟研發(fā)的Hyper-V虛擬化技術(shù)架構(gòu)為微內(nèi)核方式，能夠兼具高性能要求、安全性。Hyper-V虛擬化是借鑒X e n框架，其中V M M具備最高的權(quán)限，因此可以直接訪問底層硬件設(shè)備，無需中間進行二進制翻譯。

三、基于云計算的虛擬化技術(shù)

（一）遷移技術(shù)

虛擬機遷移技術(shù)主要是確保主機能夠較快的實現(xiàn)負載均衡，因此可以變換虛擬機位置。虛擬化是在同一個計算機上實現(xiàn)多臺虛擬機的部署工作，遷移技術(shù)則是將已經(jīng)在源主機上部署虛擬機直接遷移到目標主機上。主要包含如下的步驟：

（1）根據(jù)主機主機負載狀態(tài)，在經(jīng)過判斷后進行遷移時機的選擇；

（2）篩選源主機上的虛擬機，從中獲取得到一個最佳的虛擬機進行 遷移；

（3）目標主機部署最佳虛擬機環(huán)境，完成遷移操作。

我國公有云的使用規(guī)模擴大速度非?？欤脩羧后w規(guī)模和數(shù)量的快速增加，會出現(xiàn)較為復雜的情況。此時云服務商要實時進行主機負載狀態(tài)的監(jiān)控，實現(xiàn)將硬件設(shè)備的虛擬機遷出、遷入操作，具體可以劃分為：

（1）冷遷移，也可以被稱之為靜態(tài)遷移方式。它是在虛擬機被關(guān)閉的情況下直接遷移用戶存儲數(shù)據(jù)。冷遷移過程中會中斷業(yè)務，因此具備較高的數(shù)據(jù)安全性、丟失率低等優(yōu)勢，主要是被應用在硬件主機故障發(fā)生時。

（2）熱遷移，也可以被稱之為動態(tài)遷移。虛擬機處于正常工作時，此時能夠快速將虛擬機從源主機轉(zhuǎn)移到目標主機中，該方式是在后臺直接處理。通常被應用在系統(tǒng)升級或者主機負載過高等情況中，這是由于熱遷移具備較好的可用性服務，但復雜的操作不太適用在日常工作。熱遷移的中斷事件發(fā)生時間非?？欤灸軌蜻_到ms級別，用戶對虛擬機位置的變化不會有感受，通常在云服務器中被廣泛應用，這就能夠顯著的提升云數(shù)據(jù)中心得資源利用率，提升整體的能耗利用率。在進行數(shù)據(jù)復制拷貝時，熱遷移可能會存在已經(jīng)拷貝的內(nèi)存已經(jīng)被重寫或刪除現(xiàn)象，這就會影響到數(shù)據(jù)的精確性。

虛擬機在進行內(nèi)存拷貝過程中，為了提升數(shù)據(jù)精確性，使用預拷貝（Pre-Copy）技術(shù)。內(nèi)存拷貝是迭代流程，當發(fā)生源主機上已經(jīng)被拷貝的內(nèi)存出現(xiàn)了修改，就會在迭代時將修改信號告知目標主機?？截惲鞒倘鐖D2所示，它會根據(jù)當前的迭代情況確定結(jié)束條件。

拷貝流程步驟為：

預遷移環(huán)節(jié)。該階段中高目標主機會直接拷貝源主機上的所有虛擬機內(nèi)存頁。

迭代拷貝環(huán)節(jié)。該階段會時刻監(jiān)控迭代中虛擬機內(nèi)存情況，一旦發(fā)生內(nèi)存頁修改，就會直接在目標主機上完成內(nèi)存拷貝。

停機拷貝環(huán)節(jié)。該階段會暫停源主機上虛擬機，目標主機會拷貝源主機上的CPU狀態(tài)、剩余內(nèi)存臟頁，啟動目標主機上的虛擬機。

（二）主機負載預測技術(shù)

圖2 虛擬機拷貝流程

數(shù)據(jù)遷移過程中，主機、虛擬機的負載都是時刻變化的。根據(jù)遷移狀態(tài)的變化，就會生成海量的負載數(shù)據(jù)，直接表明了主機負載的變化，通過收集這些主機負載歷史數(shù)據(jù)，使用機器學習等方式預測主機負載的發(fā)展趨勢，提前判斷主機負載可能發(fā)生的情況，減小SLA違背風險。通過制定合理的主機負載方案，能夠最大化的提升數(shù)據(jù)負載能力、能量消耗、資源利用率。因此研究主機負載預測技術(shù)具備非常強的應用價值。

1.負載變化特性

在進行主機負載的平衡預測前，要明確主機負載的變化特征，并根據(jù)不同的應用情況選擇最佳的負載預測算法，獲取得到精確的負載數(shù)據(jù)。云數(shù)據(jù)中心的主機負載特征如下：

1）隨機性：主機的負載情況可以被認為是信號，隨機性比較強；

2）分布復雜性：主機負載平均值和分布性呈現(xiàn)正比關(guān)系，越復雜則平均值越高；

3）高差異性：各個虛擬機的負載變化差異比較大，且波動性非常強；

4）突變性：在經(jīng)過了長時間的虛擬機穩(wěn)定后，負載變化會瞬時進行波段的變化，此時就需要再次適應負載變化情況，重新進行預測；

5）自相似性：隨著時間的推進，負載會產(chǎn)生較強的依賴性，這是由于負載變化呈現(xiàn)高度自相似性。

6）強關(guān)聯(lián)性：負載和時間強關(guān)聯(lián)，表明歷史的負載數(shù)據(jù)會對未來的負載預測值有很大的影響。

綜合分析主機負載變化特征后，表明其變化規(guī)律較為穩(wěn)定，通過分析依賴性較強的歷史數(shù)據(jù)，采用機器算法就能夠?qū)崿F(xiàn)精確的負載預測。

2.負載預測常見方法

在進行數(shù)據(jù)分析過程中，負載數(shù)據(jù)基本都是時間序列數(shù)據(jù)，在進行主機內(nèi)虛擬機遷移時刻選擇時，可以通過歷史數(shù)據(jù)來進行預判，提升了整體的預測效率。歷史數(shù)據(jù)的分析和采集可以采用不同的方式，定量預測是綜合數(shù)理統(tǒng)計、概率論來進行分析，根據(jù)使用的機器學習方法，可以劃分為：智能預測，通常都是應用神 經(jīng)網(wǎng)絡法等；統(tǒng)計預測，通常都是應用時間序列法、回歸分析法、灰色預測等。

1）時間序列法。由于時間序列數(shù)據(jù)具備如下的變化特征：趨勢性、綜合性、周期性、隨機性。因此可以通過分析歷史數(shù)據(jù)的負載情況來進行未來主機負載變化情況，根據(jù)應用環(huán)境的差異，劃分為：簡單序時平均數(shù)法、加權(quán)移動平均數(shù)法、加權(quán)序時平均數(shù)法、指數(shù)平滑法等。

2）灰色預測法。該種方式具備較高的建模精確度，計算過程較為簡單，因此被廣泛應用在工業(yè)社會中?；疑A測法能夠修正缺失數(shù)據(jù)來完成主機未來負載預測，因此非常適合 應用存在缺失數(shù)據(jù)的指數(shù)增長時間序列中。

3）回歸分析法。它是分析輸入變量、輸出變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過分析和計算兩者之間的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)來進行預測，通過輸入變量來預測輸出變量。

云計算能夠根據(jù)用戶需求進行數(shù)據(jù)中心資源的分配工作，能夠顯著的提升資源效率和網(wǎng)絡靈活性，節(jié)約企業(yè)的經(jīng)濟成本，具備較好的經(jīng)濟效益。云計算的數(shù)據(jù)安全必須要滿足機密性、完整性、可用性，確保所有的云數(shù)據(jù)都必須是合法的被下載、傳輸，不會受到非法用戶的竊取。虛擬化是在同一個計算機上實現(xiàn)多臺虛擬機的部署工作，遷移技術(shù)則是將已經(jīng)在源主機上部署虛擬機直接遷移到目標主機上。根據(jù)遷移狀態(tài)的變化，能夠直接反映主機負載的變化，通過收集這些主機負載歷史數(shù)據(jù)，使用機器學習等方式預測主機負載的發(fā)展趨勢，提前判斷主機負載可能發(fā)生的情況，減小SLA違背風險，具備非常強的應用價值。