云計(jì)算02虛擬化概念

虛擬化概論主要內(nèi)容虛擬化的定義服務(wù)器虛擬化其他虛擬化技術(shù)2.1虛擬化的定義

2.1.1走進(jìn)虛擬化虛擬相對(duì)于真實(shí)，虛擬化就是將原本運(yùn)行在真實(shí)環(huán)境上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或組件運(yùn)行在虛擬出來(lái)的環(huán)境中。核心理念：以透明的方式提供抽象的底層資源基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化系統(tǒng)虛擬化軟件虛擬化虛擬內(nèi)存Java語(yǔ)言虛擬機(jī)2.1.2虛擬化的定義Wikipedia：虛擬化是表示計(jì)算機(jī)資源的抽象方法，通過(guò)虛擬化可以用與訪問(wèn)抽象前資源一致的方法訪問(wèn)抽象后的資源。這種資源的抽象并不受實(shí)現(xiàn)、地理位置或底層資源的物理配置的限制WhatI:信息技術(shù)術(shù)語(yǔ)庫(kù)：虛擬化是為了某些事物創(chuàng)造的的虛擬版本，比如操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源等OpenGridServicesArchitecture:虛擬化是為一組相似資源提供一個(gè)通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作之間的差異，并允許通過(guò)一種通用方式來(lái)查看并維護(hù)資源IBM：虛擬化是資源的邏輯表示，它不受物理限制的約束2.1.2虛擬化的定義三層含義：虛擬化的對(duì)象是各種各樣的資源經(jīng)過(guò)虛擬化后的邏輯資源對(duì)用戶隱藏了不必要的細(xì)節(jié)用戶可以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)其在真實(shí)環(huán)境中的部分或者全部功能2.1.2虛擬化的定義虛擬化的目標(biāo)對(duì)包括基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)和軟件等IT資源的表示、訪問(wèn)和管理進(jìn)行簡(jiǎn)化，并為這些資源提供標(biāo)準(zhǔn)的接口來(lái)接收輸入和提供輸出。降低了資源使用者和資源具體實(shí)現(xiàn)之間的耦合程度，讓使用者不再依賴于資源的某種特定實(shí)現(xiàn)2.1.3虛擬化的常見類型基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化系統(tǒng)虛擬化桌面虛擬化軟件虛擬化2.1.3虛擬化的常見類型基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化網(wǎng)絡(luò)虛擬化：將網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件資源整合，向用戶提供虛擬網(wǎng)絡(luò)連接虛擬局域網(wǎng)VLAN虛擬專用網(wǎng)VPN存儲(chǔ)虛擬化：為物理的存儲(chǔ)設(shè)備提供一個(gè)抽象的邏輯視圖，用戶可以通過(guò)這個(gè)視圖中的統(tǒng)一邏輯接口來(lái)訪問(wèn)被整合的存儲(chǔ)資源基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化磁盤陣列技術(shù)（RAID）基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（NAS）、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（SAN）2.1.3虛擬化的常見類型系統(tǒng)虛擬化實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與物理計(jì)算機(jī)的分離，使得在一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上可以同時(shí)安裝和運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)虛擬的操作系統(tǒng)虛擬運(yùn)行環(huán)境為虛擬機(jī)提供一套虛擬的硬件環(huán)境，包括虛擬的處理器，內(nèi)存，設(shè)備與I/O及網(wǎng)絡(luò)接口等。虛擬機(jī)：使用系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，運(yùn)行在一個(gè)隔離環(huán)境中、具有完整硬件功能的邏輯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)和其中的應(yīng)用程序VMwareWorkstationIBMz系列和p系列服務(wù)器2.1.3虛擬化的常見類型系統(tǒng)虛擬化的應(yīng)用個(gè)人電腦上使用系統(tǒng)虛擬化系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器虛擬化2.1.3虛擬化的常見類型桌面虛擬化解除個(gè)人電腦的桌面環(huán)境與物理機(jī)間的耦合關(guān)系桌面虛擬化采用的是集中化管理方式，IT人員無(wú)需逐一維護(hù)終端設(shè)備,所有桌面鏡像都存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，因而增強(qiáng)了數(shù)據(jù)安全性，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。所有的程序和數(shù)據(jù)都運(yùn)行和最終被保存在遠(yuǎn)程服務(wù)器上由于用戶可按需訪問(wèn)其完整的桌面環(huán)境，再也不用依靠單一的專用設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，大大提高了靈活性，可隨時(shí)隨地開展工作。2.1.3虛擬化的常見類型軟件虛擬化應(yīng)用虛擬化：將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)解耦合，為應(yīng)用程序提供一個(gè)虛擬的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)時(shí)地將程序組件推送到客戶端的應(yīng)用虛擬化運(yùn)行環(huán)境高級(jí)語(yǔ)言虛擬化：解決可執(zhí)行程序在不同體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)之間遷移問(wèn)題,如JAVA虛擬機(jī)2.2服務(wù)器虛擬化2.2.1基本概念服務(wù)器虛擬化將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上，將一個(gè)服務(wù)器虛擬成若干個(gè)服務(wù)器使用。是數(shù)據(jù)中心最主要的虛擬化技術(shù)服務(wù)器虛擬化為虛擬服務(wù)器提供了能夠支持其運(yùn)行的硬件資源抽象，并為虛擬機(jī)提供良好的隔離性和安全性2.2服務(wù)器虛擬化思杰：XENIBM:POWERVM,ZVM微軟:HyperV,VirtualPC,VirtualServerVMware:VmwareWorkstation,VmwareServer,VmwareESXServer2.2.2典型實(shí)現(xiàn)X86在設(shè)計(jì)之初沒有考慮服務(wù)器虛擬化服務(wù)器虛擬化通過(guò)虛擬化軟件向上提供對(duì)硬件設(shè)備的抽象和對(duì)虛擬服務(wù)器的管理虛擬化軟件：實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的抽象,資源的分配、調(diào)度和管理,虛擬機(jī)和宿主操作系統(tǒng)及多個(gè)虛擬機(jī)之間的隔離2.2.2典型實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)監(jiān)視器(VirtualMachineMonitor):負(fù)責(zé)對(duì)虛擬機(jī)提供硬件資源抽象,為客戶操作系統(tǒng)提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境虛擬化平臺(tái)(Hypervisor):負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的托管和管理,直接運(yùn)行在硬件上,實(shí)現(xiàn)受底層體系結(jié)構(gòu)的約束2.2.2典型實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化的兩種類型：寄宿虛擬化原生虛擬化是否依賴于宿主操作系統(tǒng)完全不性能低高實(shí)現(xiàn)的難易程度易難2.2.3關(guān)鍵特性多實(shí)例隔離性封裝性高性能2.2.3關(guān)鍵特性多實(shí)例：一個(gè)物理服務(wù)器上可以運(yùn)行多個(gè)虛擬服務(wù)器，物理系統(tǒng)的資源以可控方式分配給虛擬機(jī)隔離性：虛擬機(jī)之間相互隔離封裝性：硬件無(wú)關(guān)性,虛擬機(jī)環(huán)境表現(xiàn)為一個(gè)單一的實(shí)體高性能：降低虛擬化抽象層的性能開銷2.2.4核心技術(shù)虛擬化CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化設(shè)備和I/O虛擬化虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)遷移2.2.4核心技術(shù)（CPU虛擬化）CPU虛擬化把物理CPU抽象成虛擬CPU，任何時(shí)刻一個(gè)物理CPU只能運(yùn)行一個(gè)虛擬CPU的指令在x86體系中實(shí)現(xiàn)虛擬化，需要在客戶操作系統(tǒng)以下加入虛擬化,來(lái)實(shí)現(xiàn)物理資源的共享，虛擬化層運(yùn)行在Ring0級(jí),客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行在Ring0以上級(jí)別虛擬化x86體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題的關(guān)鍵在于虛擬機(jī)里執(zhí)行的敏感指令不能直接作用于真實(shí)硬件之上，需要被虛擬機(jī)監(jiān)視器接管和模擬2.2.4核心技術(shù)（CPU虛擬化）解決x86體系結(jié)構(gòu)下CPU虛擬化問(wèn)題的軟件方案全虛擬化采用二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)（敏感指令前插入陷入指令）將敏感指令轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)視器執(zhí)行的具有相同功能的指令序列后執(zhí)行非敏感指令可以直接在物理處理器上執(zhí)行MicrosoftVirtualPC,VMwareWorkStationBinaryTranslatorTranslatorGuestCodeTranslationCacheTCIndexCPUEmulationRoutinesBinaryTranslationvPCmovebx,eaxcliandebx,~0xfffmovebx,cr3stiretmovebx,eaxcallHANDLE_CLIandebx,~0xfffmov[CO_ARG],ebxcallHANDLE_CR3callHANDLE_STIjmpHANDLE_RETstartGuestCodeTranslationCache2.2.4核心技術(shù)（CPU虛擬化）半虛擬化修改客戶操作系統(tǒng)來(lái)解決虛擬機(jī)執(zhí)行特權(quán)指令的問(wèn)題客戶操作系統(tǒng)將敏感指令轉(zhuǎn)換為對(duì)底層虛擬化平臺(tái)的超級(jí)調(diào)用虛擬化平臺(tái)不需要做耗費(fèi)資源的指令翻譯工作CitrixXen，VMwareESXServer2.2.4核心技術(shù)(CPU虛擬化)硬件輔助虛擬化在CPU中加入新的指令集和處理器運(yùn)行模式來(lái)完成與CPU虛擬化的相關(guān)功能客戶操作系統(tǒng)可直接在CPU上運(yùn)行虛擬化相關(guān)指令，無(wú)需進(jìn)行二進(jìn)制翻譯或超級(jí)調(diào)用INTELVT技術(shù)增加一套名為虛擬機(jī)擴(kuò)展VMX的指令集,支持與虛擬化相關(guān)的操作定義根模式和非根模式,虛擬化平臺(tái)運(yùn)行在根模式,客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行在非根模式2.2.4核心技術(shù)（內(nèi)存虛擬化）內(nèi)存虛擬化：把物理機(jī)的真實(shí)物理內(nèi)存統(tǒng)一管理，包裝成多個(gè)虛擬機(jī)的物理內(nèi)存給若干虛擬機(jī)使用,使得每個(gè)虛擬機(jī)擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間虛擬機(jī)監(jiān)視器管理物理機(jī)器上的內(nèi)存，并按每個(gè)虛擬機(jī)的需要分配內(nèi)存，并保持每個(gè)虛擬機(jī)對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)的相互隔離需要維護(hù)物理機(jī)里的內(nèi)存地址塊和虛擬機(jī)內(nèi)部的連續(xù)內(nèi)存塊的映射關(guān)系，具備管理虛擬機(jī)內(nèi)存的機(jī)制傳統(tǒng)地址空間兩種地址空間—虛擬地址空間(VAS)和物理地址空間(PAS)操作系統(tǒng)和用戶進(jìn)程運(yùn)行在VAS中。操作系統(tǒng)通過(guò)使用處理器中提供的內(nèi)存管理單元(MMU)來(lái)管理從VAS到PAS的映射操作系統(tǒng)維持著一個(gè)把當(dāng)前VAS中的每一頁(yè)映射到PAS中的某一頁(yè)的頁(yè)表04GB當(dāng)前進(jìn)程04GB操作系統(tǒng)虛擬地址空間物理地址空間RAMROM設(shè)備幀緩沖器內(nèi)存管理單元(MMU)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換使用固定大小的頁(yè)面頁(yè)保護(hù)旁路轉(zhuǎn)換緩沖器

TLB緩存了最近的虛擬地址到物理地址的映射控制寄存器頁(yè)表位置對(duì)齊檢查2.2.4核心技術(shù)（內(nèi)存虛擬化）虛擬機(jī)監(jiān)視器必須具備管理虛擬機(jī)內(nèi)存的機(jī)制，即虛擬機(jī)內(nèi)存管理單元2.2.4核心技術(shù)（內(nèi)存虛擬化）邏輯內(nèi)存與機(jī)器內(nèi)存之間的映射關(guān)系由虛擬化管理單元來(lái)負(fù)責(zé)的，其實(shí)現(xiàn)方法有：影子頁(yè)表法頁(yè)表寫入法2.2.4設(shè)備與I/O虛擬化設(shè)備與I/O虛擬化：把物理機(jī)的設(shè)備統(tǒng)一管理,包裝成多個(gè)虛擬設(shè)備給若干個(gè)虛擬機(jī)使用，響應(yīng)每個(gè)虛擬機(jī)的設(shè)備訪問(wèn)請(qǐng)求和I/O請(qǐng)求VMware虛擬化平臺(tái)

物理設(shè)備虛擬設(shè)備虛擬機(jī)2.2.4核心技術(shù)（設(shè)備與I/O虛擬化）主流的設(shè)備和I/O虛擬化通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)將物理機(jī)的設(shè)備虛擬化，將設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化為一系列虛擬設(shè)備，為虛擬機(jī)提供一個(gè)虛擬設(shè)備集合不依賴于底層物理設(shè)備的實(shí)現(xiàn)2.2.4核心技術(shù)（設(shè)備和I/O虛擬化）服務(wù)器虛擬化中每個(gè)虛擬機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的邏輯服務(wù)器，之間通信通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行需對(duì)宿主操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行修改每個(gè)虛擬機(jī)分配了虛擬的網(wǎng)絡(luò)接口I/O虛擬化體系結(jié)構(gòu)I/O虛擬化體系結(jié)構(gòu)包含客戶驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備虛擬設(shè)備和虛擬棧之間的通訊機(jī)制虛擬化I/O棧物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)際設(shè)備I/O虛擬化體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）虛擬設(shè)備實(shí)際設(shè)備建模例如：Intele1000、LSImptscsi簡(jiǎn)單虛擬友好設(shè)備建模例如：VMwarevmxnetI/O虛擬化體系結(jié)構(gòu)虛擬化I/O?？蛻鬒/O地址翻譯到主機(jī)地址處理虛擬機(jī)之間的通訊復(fù)用從/到物理設(shè)備的I/O請(qǐng)求提供企業(yè)級(jí)I/O特性2.2.4核心技術(shù)（實(shí)時(shí)遷移技術(shù)）實(shí)時(shí)遷移技術(shù)是在虛擬機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，將整個(gè)虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)完整、快速地從原來(lái)的宿主機(jī)硬件平臺(tái)遷移到新的宿主機(jī)硬件平臺(tái)上整個(gè)過(guò)程是平滑的，用戶不會(huì)察覺需要虛擬機(jī)監(jiān)視器的協(xié)助2.2.4核心技術(shù)（實(shí)時(shí)遷移技術(shù)）實(shí)時(shí)遷移技術(shù)用途系統(tǒng)硬件維護(hù)資源整合2.2.5性能分析服務(wù)器應(yīng)用三種類型：處理器密集型內(nèi)存密集型I/O密集型2.2.5性能分析處理器密集型：處理器的調(diào)度由物理服務(wù)器的操作系統(tǒng)內(nèi)核或虛擬化平臺(tái)的內(nèi)核管理物理服務(wù)器：操作系統(tǒng)直接對(duì)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度虛擬化平臺(tái)：對(duì)虛擬機(jī)的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，間接的影響虛擬機(jī)內(nèi)部應(yīng)用的進(jìn)程，引入調(diào)度開銷2.2.5性能分析內(nèi)存密集型：物理內(nèi)存到虛擬內(nèi)存的映射由物理服務(wù)器的操作系統(tǒng)內(nèi)核(內(nèi)存管理單元)或虛擬化平臺(tái)的內(nèi)核管理。物理服務(wù)器：內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的尋址虛擬化平臺(tái)：虛擬機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)虛擬內(nèi)存和偽物理內(nèi)存的間的映射，虛擬化平臺(tái)的內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)偽物理內(nèi)存到機(jī)器內(nèi)存之間的映射2.2.5性能分析I/O密集型：需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和外界進(jìn)行頻繁的通信。物理服務(wù)器：操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)直接作用于物理網(wǎng)卡，應(yīng)用能直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和物理網(wǎng)卡與與外部網(wǎng)絡(luò)通信虛擬化平臺(tái)：虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡分時(shí)共享物理服務(wù)器的網(wǎng)卡，應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，需要在虛擬網(wǎng)卡和物理網(wǎng)卡之間轉(zhuǎn)發(fā)分組。2.2.5性能分析服務(wù)器虛擬化的性能測(cè)試報(bào)告VMware測(cè)試報(bào)告：物理服務(wù)器,VMwareESXV3.0.1,XENV3.03XEN測(cè)試報(bào)告：物理服務(wù)器,VmwareESXV3.0.1,XENV3.22.2.5性能分析衡量一個(gè)具體類型的商業(yè)應(yīng)用的綜合性能：吞吐量，服務(wù)質(zhì)量IBM和Vmware評(píng)估Websphere在VmwareESXV3.5虛擬環(huán)境下的性能單臺(tái)虛擬機(jī),

吞吐量相對(duì)物理服務(wù)器有10%的下降多臺(tái)虛擬機(jī)組成的WAS集群運(yùn)行在同一個(gè)配有單個(gè)多核處理器的虛擬化平臺(tái)上,吞吐量甚至超過(guò)直接在物理服務(wù)器上運(yùn)行的吞吐量2.2.5性能分析大型機(jī)虛擬化平臺(tái)(ZVM)和X86虛擬化平臺(tái)的比較：吞吐量，響應(yīng)時(shí)間8核心,4GHz響應(yīng)時(shí)間：X86平臺(tái),虛擬機(jī)數(shù)量超過(guò)20,響應(yīng)時(shí)間迅速增加;ZVM平臺(tái),虛擬機(jī)數(shù)量達(dá)到100,響應(yīng)時(shí)間微量增長(zhǎng)吞吐量：X86平臺(tái),25-50個(gè)虛擬機(jī),吞吐量維持在每秒50個(gè)事務(wù);ZVM平臺(tái),最大能達(dá)到每秒150個(gè)事務(wù)2.2.5性能分析結(jié)論服務(wù)器虛擬化會(huì)引入一定的系統(tǒng)開銷不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間存在差異大型機(jī)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)虛擬化環(huán)境的企業(yè)應(yīng)用上線之前需進(jìn)行針對(duì)應(yīng)用特點(diǎn)的實(shí)際測(cè)試調(diào)優(yōu)2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)降低運(yùn)營(yíng)成本提高應(yīng)用兼容性加速應(yīng)用部署提高服務(wù)可用性提升資源利用率動(dòng)態(tài)調(diào)度資源降低能源消耗2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)降低運(yùn)營(yíng)成本：系統(tǒng)管理員能夠擺脫大量繁重的與物理服務(wù)器、操作系統(tǒng)、中間件及兼容性問(wèn)題打交道的管理工作，專注于應(yīng)用的管理提供了功能強(qiáng)大的虛擬化環(huán)境管理工具,降低管理員人工干預(yù)的頻率。2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)提供應(yīng)用兼容性大量的應(yīng)用運(yùn)行在各種互不兼容的環(huán)境中,開發(fā)應(yīng)用需要考慮硬件平臺(tái),操作系統(tǒng),中間件等各個(gè)級(jí)別。服務(wù)器虛擬化提供的封裝性和隔離特性使得所在平臺(tái)與底層服務(wù)器環(huán)境隔離，只需構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用版本,并發(fā)布到被虛擬化封裝后的不同類型平臺(tái)上2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)加速應(yīng)用部署過(guò)程繁瑣,且需要部署人員全程跟蹤部署進(jìn)度,執(zhí)行下一步操作,切容易出錯(cuò)僅需部署一個(gè)封裝好的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的虛擬機(jī),部署過(guò)程簡(jiǎn)單(輸入激活配置參數(shù),拷貝,啟動(dòng),激活虛擬機(jī)),無(wú)需人工干預(yù)。2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)提高服務(wù)可用性：高可用性,服務(wù)能夠持續(xù)、可靠運(yùn)行的能力傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用多機(jī)備份,冗余等技術(shù)虛擬機(jī)是單個(gè)的邏輯文件,處理器和內(nèi)存資源由虛擬機(jī)管理程序封裝和隔離。方便建立虛擬機(jī)快照、備份鏡像、動(dòng)態(tài)遷移、恢復(fù)、在其他物理機(jī)上運(yùn)行。2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)提升資源利用率：絕大多數(shù)X86服務(wù)器只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用，資源利用率偏低服務(wù)器虛擬化技術(shù)可對(duì)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化整合，提高CPU利用率,內(nèi)存利用率,存儲(chǔ)利用率,網(wǎng)絡(luò)利用率2.2.6技術(shù)優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)度資源實(shí)時(shí)遷移：在不中斷服務(wù)的情況下將虛擬服務(wù)器從一臺(tái)物理服務(wù)器遷移到另一個(gè)物理服務(wù)器統(tǒng)一的資源池,虛擬機(jī)