云計(jì)算環(huán)境下的服務(wù)器虛擬技術(shù)研究

李 奇，趙蔚含

(河北傳媒學(xué)院，河北 石家莊 050000)

0 引言

當(dāng)今隨著智能電網(wǎng)創(chuàng)建的需求量越來(lái)越大，對(duì)信息化的管控體系的實(shí)行速度提出了相對(duì)嚴(yán)格要求。若是相同時(shí)間內(nèi)服務(wù)器的訪問(wèn)量超過(guò)所配置的額度，就會(huì)占據(jù)更多的資源，進(jìn)而影響服務(wù)器的承載能力，甚至?xí)?dǎo)致服務(wù)器崩潰等問(wèn)題[1]。虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展與采用，高效地解決此類(lèi)問(wèn)題。它可以把虛擬數(shù)據(jù)存放在資源庫(kù)中，使用虛擬主機(jī)替換物理主機(jī)，這樣一方面可以減少硬件的成本，另一方面還可以提升軟件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

1 虛擬化與云計(jì)算的聯(lián)系

1.1 虛擬化的意義

在日常生活中網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等字眼已經(jīng)不再陌生，要想實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)熱詞并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，虛擬化技術(shù)可以有效地解決在這些操作上所出現(xiàn)的問(wèn)題。

虛擬化可將各種物理資源如服務(wù)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行抽象化和轉(zhuǎn)換從而打破現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)間不可切割的障礙，以便于用戶(hù)可以更好地使用和應(yīng)用這些資源，且這些虛擬出來(lái)的資源不受現(xiàn)有的資源架構(gòu)方式、地域、物理配置的限制。

虛擬化技術(shù)是現(xiàn)如今比較熱門(mén)的一項(xiàng)技術(shù)，也是云計(jì)算的核心之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有很多種，如：實(shí)現(xiàn)IT資源的彈性分配或使IT資源分配更加靈活，滿足多樣化應(yīng)用需求。

虛擬化技術(shù)其實(shí)就是使用軟件的方法去重新定義以及劃分IT資源，能夠?qū)崿F(xiàn)IT資源動(dòng)態(tài)分配、靈活調(diào)度、跨域共享、提高IT資源的使用頻率，虛擬化技術(shù)就是為了能夠使IT資源能夠真正地成為社會(huì)中的基礎(chǔ)設(shè)施，更好地服務(wù)于各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域。

1.2 虛擬化的分類(lèi)

1.2.1 根據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制分類(lèi)

(1)全虛擬化：比較原始的虛擬化技術(shù)，是指虛擬的操作系統(tǒng)與底層的硬件完全隔離，中間的虛擬機(jī)管理層轉(zhuǎn)化為虛擬客戶(hù)操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件的調(diào)用代碼，全虛擬化不需要更改客戶(hù)端的操作系統(tǒng)，兼容性比較好，全虛擬化的運(yùn)行速度快，但是性能方面還是稍有不足。

(2)半虛擬化：在虛擬的客戶(hù)操作系統(tǒng)中融入一些類(lèi)似特殊的虛擬化指令，相對(duì)半虛擬化來(lái)說(shuō)需要按照客戶(hù)的操作系統(tǒng)去做一些修改。

(3)硬件輔助虛擬化：由硬件的廠商企業(yè)提供功能的虛擬化，目的是去輔助和配合半虛擬化使用。

1.2.2 根據(jù)應(yīng)用分類(lèi)

虛擬化技術(shù)可以根據(jù)虛擬化的應(yīng)用分為3個(gè)不同的類(lèi)別：應(yīng)用的虛擬化、桌面的虛擬化和系統(tǒng)的虛擬化。

1.2.3 服務(wù)器虛擬化概述

服務(wù)器虛擬化是指將服務(wù)器中的物理資源抽象形成邏輯資源的過(guò)程，就是讓一臺(tái)服務(wù)器變成若干個(gè)相互的虛擬的服務(wù)器，這樣就不會(huì)再受物理上的界限了(見(jiàn)圖1)。此時(shí)CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、I/O設(shè)備等硬件設(shè)備就變?yōu)榱艘粋€(gè)動(dòng)態(tài)的、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，這樣大大地提高了利用率，同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的管理，以便于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的整合以及改善IT對(duì)業(yè)務(wù)的變化的適應(yīng)性[2]。

圖1 服務(wù)器虛擬化

1.3 云計(jì)算概述

當(dāng)今有關(guān)“云”的說(shuō)法不管是在生活中還是網(wǎng)絡(luò)都是熱議的話題，如：百度網(wǎng)盤(pán)云備份、手機(jī)云備份、iOS的iClould、阿里云、華為云等在日常生活已經(jīng)不再陌生。云計(jì)算其實(shí)就是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將一個(gè)計(jì)算機(jī)中的某一項(xiàng)計(jì)算的任務(wù)分發(fā)給一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)，并且還可以配置共享計(jì)算機(jī)的資源池、軟件和一些信息技術(shù)，而且云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)、按需服務(wù)、資源池化、高可用性、資源可控性的，使用起來(lái)非常方便快捷，大大提高了資源的利用率。

云計(jì)算的體系分為3個(gè)層次：IaaS，PaaS，SaaS(見(jiàn)圖2)。

圖2 云計(jì)算架構(gòu)

1.3.1 IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))

這一層的作用就是將各個(gè)底層存儲(chǔ)的資源作為一個(gè)服務(wù)提供給用戶(hù)使用，但是用戶(hù)不能管理和控制任何云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，但完全可以去控制操作系統(tǒng)的選擇以及存儲(chǔ)空間的分配，也能夠去獲取網(wǎng)絡(luò)的控制。

1.3.2 PaaS(平臺(tái)即服務(wù))

它就是一個(gè)平臺(tái)，用戶(hù)可以在這個(gè)平臺(tái)上做自己所需的研究，比如研究自己的軟件或者是產(chǎn)品，部署自己的應(yīng)用和應(yīng)用環(huán)境，不用去考慮其底層的建設(shè)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等。

1.3.3 SaaS(軟件即服務(wù))

SaaS為用戶(hù)搭建了一個(gè)信息化的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括軟硬件運(yùn)行和操作的平臺(tái)，還負(fù)責(zé)前期和后期的維護(hù)和處理等一系列的服務(wù)，用戶(hù)只需要通過(guò)終端就可以去訪問(wèn)，也可以通過(guò)Web的形式去訪問(wèn)、使用、管理、運(yùn)維。

云計(jì)算的模式有很多種，通常都是按照云計(jì)算的服務(wù)進(jìn)行分類(lèi)的，可以分為4種：公有的云、私有的云、混合的云、行業(yè)的云。

1.4 云計(jì)算與虛擬化的關(guān)系

虛擬化計(jì)算的本質(zhì)就是為云計(jì)算提供服務(wù)的，顧名思義虛擬化是為云計(jì)算服務(wù)的。虛擬化其實(shí)就是把資源進(jìn)行池化統(tǒng)一收集，然后再劃分資源，但虛擬化技術(shù)也包括將多個(gè)資源整合形成一個(gè)虛擬的資源。云計(jì)算技術(shù)的本質(zhì)就是構(gòu)建大規(guī)模的系統(tǒng)資源庫(kù)且是分布式的，將系統(tǒng)的計(jì)算分布成資源池，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享計(jì)算模式和服務(wù)共享模式相結(jié)合形成結(jié)合體[3]。

虛擬化會(huì)更加注重資源隔離，而云計(jì)算就更加注重按需服務(wù)，虛擬化和云計(jì)算之間的關(guān)系沒(méi)有必然性，它們之間不是必須有聯(lián)系，但是虛擬化技術(shù)可以加快云計(jì)算的發(fā)展。

2 虛擬化架構(gòu)如何在云計(jì)算的環(huán)境中應(yīng)用

2.1 四大虛擬化架構(gòu)

虛擬化需要使用軟件來(lái)模擬硬件并創(chuàng)建虛擬的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，這就需要虛擬機(jī)的加持才能完成。每一臺(tái)虛擬機(jī)都是功能獨(dú)立的一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以放置多臺(tái)虛擬機(jī)，這樣就可以在一臺(tái)服務(wù)器上去運(yùn)行多個(gè)操作和應(yīng)用，從而提高使用的效率，市面上比較成熟的虛擬化技術(shù)有很多，如：Hyper-V虛擬化技術(shù)、Xen虛擬化技術(shù)、KVM虛擬化技術(shù)、VMware VSphere 虛擬化技術(shù)等[4]。

2.1.1 ESX的虛擬化架構(gòu)

ESX是VMware的虛擬化產(chǎn)品，ESX的服務(wù)器基于Linux操作系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行搭建底層和操作管理底層，通過(guò)Linux操作系統(tǒng)來(lái)加載ESX的虛擬化組件，在底層搭建的虛擬機(jī)可以管理本地實(shí)體，它所承載的虛擬機(jī)的調(diào)度就是調(diào)度硬件的資源，而虛擬機(jī)是通過(guò)VMkernel直接進(jìn)行訪問(wèn)的(見(jiàn)圖3 )。

圖3 ESX虛擬化架構(gòu)

2.1.2 Hyper-V的虛擬化架構(gòu)

Hyper-V的虛擬化是微軟的一款虛擬化的產(chǎn)品，也是微軟第一個(gè)采用開(kāi)源的技術(shù)且又基于Hypervisor的一項(xiàng)技術(shù)，Hyper-V其實(shí)是一種系統(tǒng)管理程序的虛擬化技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)桌面虛擬化，其實(shí)Hyper-V就是基于Hypercisor的一項(xiàng)技術(shù)，它只是實(shí)現(xiàn)了CPU的調(diào)度問(wèn)題及內(nèi)存資源的分配問(wèn)題，而且它還進(jìn)行了分區(qū)，分別由子分區(qū)和父分區(qū)。

2.1.3 Xen的虛擬化架構(gòu)

Citrix公司有三大最主要的產(chǎn)品：服務(wù)器虛擬化 XenServer、應(yīng)用虛擬化XenAPP和XenDesktop桌面虛擬化。

Xen虛擬化技術(shù)是一個(gè)能夠直接運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件之上替代操作系統(tǒng)的軟件層。Xen虛擬化技術(shù)是支持多種類(lèi)的處理器，這就是Xen可以在很多計(jì)算上運(yùn)行的原因(見(jiàn)圖4)。

圖4 Xen 虛擬化架構(gòu)

2.1.4 KVM的虛擬化架構(gòu)

KVM一般是在Linux的基礎(chǔ)之下，KVM虛擬化技術(shù)連同Xen虛擬化技術(shù)一樣都是開(kāi)源的，KVM虛擬化技術(shù)主要基于內(nèi)核虛擬機(jī)，KVM虛擬化技術(shù)的本身也同樣是支持多種而且廣泛的虛擬化的CPU架構(gòu)的(見(jiàn)圖5)。

圖5 KVM 虛擬化架構(gòu)

KVM虛擬化技術(shù)充分利用了CPU硬件輔助虛擬化的功能，并且重復(fù)使用了Linux內(nèi)核的許多功能，這樣就使KVM的本身非常小，運(yùn)行的速度快，KVM的物理設(shè)備也可以支持Linux的物理設(shè)備，使用起來(lái)非常方便。

2.2 VMware VSphere 虛擬化技術(shù)

VMware VSphere是目前行業(yè)內(nèi)的佼佼者，也是最可靠的虛擬化平臺(tái)，在工作、日常生活、學(xué)習(xí)中都廣泛被利用和應(yīng)用。VSphere是VMware所推出來(lái)的基于云計(jì)算的新一代數(shù)據(jù)中心的虛擬化產(chǎn)物(見(jiàn)圖6)。

圖6 VSphere 架構(gòu)

VMware VSphere是一個(gè)可靠的虛擬化平臺(tái)，它能夠使每一種應(yīng)用程序的工作所承載的工作量去履行高一級(jí)別的應(yīng)用程序服務(wù)的協(xié)議。

VMware VSphere虛擬化技術(shù)也有自己的平臺(tái)架構(gòu)，從自身系統(tǒng)的架構(gòu)來(lái)看，它可以分為幾個(gè)不同的層次，分別為：虛擬化層、管理層、接口層。通過(guò)這樣的分層能夠更加有效地去利用所需要的虛擬化資源，這樣使用起來(lái)可以靈活可靠[5]。

ESXi是vSphere非常重要的一部分，負(fù)責(zé)把計(jì)算機(jī)的物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源，從而高效率地利用計(jì)算機(jī)資源，VMware ESXi的作用有很多，其有7個(gè)重要的功能：生成鏡像、面向用戶(hù)的無(wú)狀態(tài)防火墻、SNMP增強(qiáng)的支持、系統(tǒng)安全日志、自動(dòng)部署、擴(kuò)展增強(qiáng)ESXi框架、新一代虛擬機(jī)的硬件。

2.3 XenServer的虛擬化技術(shù)

XenServer 服務(wù)器虛擬化系統(tǒng)是通過(guò)更快的應(yīng)用交付、更高的IT資源可用性和資源的利用率，讓數(shù)據(jù)中心能夠變得更加靈活且具有高效性。

XenServer其實(shí)也是一個(gè)虛擬化的平臺(tái)，不同于VMware vSphere 的另外一種服務(wù)器虛擬化平臺(tái)，它是一個(gè)功能性及其強(qiáng)大且豐富的平臺(tái)。它具備著卓越的開(kāi)放性架構(gòu)、性能、存儲(chǔ)，而且XenServer 服務(wù)器虛擬化平臺(tái)為眾多的企業(yè)提供虛擬化平臺(tái)。

XenServer也可以理解為是位于操作系統(tǒng)及硬件之間的服務(wù)平臺(tái)，為操作系統(tǒng)和硬件之間牽線，負(fù)責(zé)為其上層運(yùn)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核提供虛擬化的硬件的資源，XenServer負(fù)責(zé)管理和分配這些資源，確保上層虛擬機(jī)之間互不干擾。

2.4 KVM 虛擬化技術(shù)

KVM虛擬化技術(shù)目前被人們廣泛使用[6]。KVM是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)，KVM運(yùn)行多種無(wú)需修改的Windows和Linux的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)，KVM能夠支持監(jiān)控程序：

(1)系統(tǒng)資源過(guò)度分配的功能——資源超分。

(2)配置極為精簡(jiǎn)，允許靈活分配和優(yōu)化磁盤(pán)的空間——精簡(jiǎn)配置。

(3)能夠允許共享相同的高頻率使用的數(shù)據(jù)或者是內(nèi)存——共享內(nèi)存。

(4)管理虛擬化的節(jié)點(diǎn)——集中管理。

(5)防止虛擬機(jī)過(guò)度地使用共享的資源——磁盤(pán)性能保護(hù)。

(6)自動(dòng)化NUMA性能平衡，把現(xiàn)在所執(zhí)行的任務(wù)移到和所需要的內(nèi)存更加接近的地方——性能平衡。

(7)能夠根據(jù)虛擬機(jī)的需要增加處理的能力以便于滿足工作量的需求——虛擬CPU熱添加。

libvirt目前是市面上最為常見(jiàn)的可以對(duì)KVM虛擬機(jī)進(jìn)行管理的工具以及API。libvirt程序包是一個(gè)與虛擬機(jī)監(jiān)控程序相獨(dú)立的虛擬化應(yīng)用程序接口，其能夠與操作系統(tǒng)的一系列虛擬化性能進(jìn)行交互。其能夠提供穩(wěn)定的通用層從而管理主機(jī)上的虛擬機(jī)，提供管理本地系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)的通用接口，在虛擬機(jī)監(jiān)控程序支持的情況下部署、創(chuàng)建、修改、監(jiān)督、控制、遷移。

virsh是基于libvirt API創(chuàng)建的，可以用作創(chuàng)建虛擬化的任務(wù)從而管理腳本，沒(méi)有權(quán)限的用戶(hù)只能運(yùn)行只讀模式，只有具備權(quán)限的用戶(hù)才可以使用所有的管理功能。

虛擬機(jī)需要從KVM的存儲(chǔ)器中去提取空間，然后再與虛擬機(jī)相連接。KVM虛擬化技術(shù)的存儲(chǔ)技術(shù)有：本地儲(chǔ)存池、網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存池、存儲(chǔ)卷、仿真存儲(chǔ)設(shè)備、鏡像文件(見(jiàn)圖7)。

圖7 KVM 架構(gòu)

3 虛擬化在云計(jì)算中的應(yīng)用

現(xiàn)在全球的云計(jì)算都在迅速的發(fā)展，許多互聯(lián)網(wǎng)公司不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的都在選用云服務(wù)。到目前為止，在全球排名前50萬(wàn)的網(wǎng)站中，已經(jīng)有大約2%采用了公有云服務(wù)商提供的服務(wù)了。而80%的網(wǎng)站采用的是亞馬遜的云服務(wù)還有Rackspace提供的云服務(wù)?，F(xiàn)如今大型的云服務(wù)提供商已經(jīng)明顯主導(dǎo)市場(chǎng)，在國(guó)外新生出來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)公司大多數(shù)都是用的云服務(wù)，可見(jiàn)云服務(wù)的發(fā)展是非常快速的。

現(xiàn)如今的云計(jì)算可以帶動(dòng)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等等相關(guān)的技術(shù)，而且還占有一定的優(yōu)勢(shì)，但是有的公司的云計(jì)算價(jià)格非常的貴，有的價(jià)格就相對(duì)便宜，可以說(shuō)價(jià)格和服務(wù)已經(jīng)成為各個(gè)公司、網(wǎng)站競(jìng)爭(zhēng)的重要手段了。

在技術(shù)層面，虛擬化技術(shù)正在面臨著平臺(tái)的開(kāi)放化、鏈接協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、客戶(hù)端的硬件化，及公有云、私有云這四大發(fā)展的趨勢(shì)。

在硬件層面，需要看市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力、提供的解決方案等等。

如今虛擬化技術(shù)已經(jīng)在飛速發(fā)展，如何把市場(chǎng)的需求得到完美的詮釋和解決已經(jīng)成為企業(yè)資源管理的重中之重了。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞虛擬化與云計(jì)算技術(shù)的實(shí)際操作，云計(jì)算概念的提出和服務(wù)器虛擬化技術(shù)的發(fā)展，討論了云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)需要服務(wù)器虛擬化的技術(shù)支持，相信服務(wù)器虛擬化技術(shù)在云計(jì)算的推動(dòng)下會(huì)得到很好的發(fā)展，隨著云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)和推廣，服務(wù)器虛擬化技術(shù)將得到進(jìn)一步的發(fā)展。