云計算與計算虛擬化

云計算與計算虛擬化前言許多公司使用虛擬技術(shù)作為建設(shè)云計算的基礎(chǔ)技術(shù)，用以提高硬件資源利用率，進(jìn)行災(zāi)難恢復(fù)、提高辦公自動化水平。虛擬化技術(shù)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展時期，早在20世紀(jì)70年代，大型計算機(jī)就一直在同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)實例，每個實例也彼此獨(dú)立，當(dāng)今，軟硬件方面的技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，使得虛擬化技術(shù)在基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的大眾化x86服務(wù)器上得以支撐電信和企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用的部署，虛擬化技術(shù)逐步得到了廣泛的認(rèn)可，從而得以普及。Page1Page2培訓(xùn)目標(biāo)學(xué)完本課程后，您應(yīng)該能：了解計算虛擬化核心引擎了解跨服務(wù)器的計算資源調(diào)度算法了解計算高可靠性保障Page3目錄計算虛擬化核心引擎：Hypervisor介紹跨服務(wù)器的計算資源調(diào)度算法計算高可靠性保障虛擬化技術(shù)的歷史Page4CPU虛擬化-X86構(gòu)架虛擬化原理核心思想：計算虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)形式是在系統(tǒng)中加入一個虛擬化層，將下層的資源抽象成另一形式的資源，提供給上層使用。Page6虛擬化的本質(zhì)相對于硬件獨(dú)立無需修改即可在任何服務(wù)器上運(yùn)行虛擬機(jī)分區(qū)在單一物理服務(wù)器上同時運(yùn)行多個虛擬機(jī)隔離在同一服務(wù)器上的虛擬機(jī)之間相互隔離封裝整個虛擬機(jī)都保存在文件中，可以通過移動文件的方式來遷移該虛擬機(jī)業(yè)界主流虛擬化架構(gòu)寄居虛擬化宿主操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用虛擬化層裸金屬虛擬化虛擬化層應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)控制臺應(yīng)用操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬化宿主操作系統(tǒng)虛擬容器應(yīng)用系統(tǒng)模板庫虛擬容器應(yīng)用系統(tǒng)模板庫混合虛擬化宿主操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)虛擬硬件管理寄居虛擬化裸金屬虛擬化操作系統(tǒng)虛擬化混合虛擬化優(yōu)點(diǎn)簡單、易于實現(xiàn)虛擬機(jī)不依賴于操作系統(tǒng)支持多種操作系統(tǒng)，多種應(yīng)用簡單、易于實現(xiàn)管理開銷非常低相對于寄居虛擬化架構(gòu)，沒有冗余，性能高可支持多種操作系統(tǒng)缺點(diǎn)安裝和運(yùn)行應(yīng)用程序依賴于主機(jī)操作系統(tǒng)對設(shè)備的支持管理開銷較大，性能損耗大虛擬層內(nèi)核開發(fā)難度大隔離性差，多容器共享同一操作系統(tǒng)需底層硬件支持虛擬化擴(kuò)展功能廠家VMwareWorkstationWMware

ESXServerCitrixXenServer華為FusionSphere（XEN）VirtuozzoRedhatKVM華為FusionSphere（KVM）裸金屬虛擬化架構(gòu)與混合虛擬化架構(gòu)將是未來虛擬化架構(gòu)發(fā)展的趨勢虛擬化的主要內(nèi)容CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化I/O虛擬化123計算虛擬化存儲虛擬化網(wǎng)絡(luò)虛擬化裸設(shè)備+邏輯卷存儲設(shè)備虛擬化主機(jī)存儲虛擬化+文件系統(tǒng)123VMDQSR-IOV……123計算虛擬化分類計算資源的虛擬化，可以歸結(jié)為三個方面：CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化IO虛擬化滿足電信和企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用的計算虛擬化精細(xì)化CPU調(diào)度技術(shù)NUMA架構(gòu)感知的調(diào)度技術(shù)內(nèi)存復(fù)用技術(shù)IO調(diào)度中斷優(yōu)化技術(shù)Page11精細(xì)化CPU調(diào)度技術(shù)精細(xì)化CPU調(diào)度技術(shù)主要指的是CPU上下限配額及優(yōu)先級調(diào)度技術(shù)X86指令集中有若干條指令是需要被VMM捕獲的敏感指令，但是卻不是特權(quán)指令訪問或修改機(jī)器狀態(tài)或虛擬機(jī)狀態(tài)的指令訪問或修改敏感寄存器或存儲單元的指令，比如訪問時鐘寄存器和中斷寄存器。訪問存儲保護(hù)系統(tǒng)或內(nèi)存、地址分配系統(tǒng)的指令（段頁之類）。所有I/O指令。Page12vCPU調(diào)度分配機(jī)制Page13NUMA架構(gòu)感知的調(diào)度技術(shù)NUMA：非一致性內(nèi)存架構(gòu)(Non-uniformMemoryArchitecture)解決了SMP系統(tǒng)中的可擴(kuò)展性問題。NUMA將幾個CPU通過內(nèi)存總線與一塊內(nèi)存相連構(gòu)成一個組，整個系統(tǒng)就被分為若干個Node通過虛擬化軟件的HostNUMA技術(shù)，可以顯著的提高虛擬機(jī)的性能，降低處理時延Page14Page15內(nèi)存復(fù)用技術(shù)Page16虛擬化軟件的內(nèi)存復(fù)用技術(shù)內(nèi)存氣泡技術(shù)(Ballooning)零頁共享技術(shù)內(nèi)存交換技術(shù)Page17虛擬化軟件的內(nèi)存復(fù)用技術(shù)（續(xù)）內(nèi)存氣泡技術(shù)(Ballooning)零頁共享技術(shù)內(nèi)存交換技術(shù)Page18IO調(diào)度中斷優(yōu)化技術(shù)影響電信和企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用的運(yùn)行時響應(yīng)時延的因素很多，其中，中斷處理就是一個在虛擬化條件下的關(guān)鍵因素。CPU在處理IO訪問請求的中斷時，實際處于等待的狀態(tài)。VMM通過I/O虛擬化來復(fù)用有限的外設(shè)資源，其通過截獲GuestOS對I/O設(shè)備的訪問請求，然后通過軟件模擬真實的硬件。設(shè)備接口完全模擬前端／后端模擬直接劃分Page19Page20目錄計算虛擬化核心引擎：Hypervisor介紹跨服務(wù)器的計算資源調(diào)度算法計算高可靠性保障虛擬機(jī)熱遷移的作用降低客戶的業(yè)務(wù)運(yùn)行成本保證客戶系統(tǒng)的高可靠性硬件在線升級一個虛擬化系統(tǒng)，至少需要在下列場景下支持虛擬機(jī)熱遷移功能：根據(jù)需要按照遷移目的手動把虛擬機(jī)遷移到空閑的物理服務(wù)器；根據(jù)資源利用情況將虛擬機(jī)批量遷移到空閑的物理服務(wù)器。Page21虛擬機(jī)熱遷移原理Page22電信和企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域虛擬網(wǎng)元在硬件平臺間的遷移Page23計算資源池的動態(tài)資源調(diào)度管理和動態(tài)能耗管理動態(tài)資源調(diào)度管理，簡稱為DRS(DynamicResourceSchedule)DRS周期性監(jiān)控集群下物理主機(jī)和虛擬機(jī)負(fù)載（CPU和內(nèi)存），如果主機(jī)負(fù)載的不均衡度（標(biāo)準(zhǔn)方差）超過集群配置的閾值，則觸發(fā)虛擬機(jī)遷移，使得集群范圍內(nèi)的負(fù)載區(qū)域平衡DPM（DistributedPowerManagement分布式電源管理）支持在集群負(fù)載低（CPU和內(nèi)存負(fù)載小于集群配置的閾值）時，主動對某些主機(jī)進(jìn)行下電，達(dá)到節(jié)能減排的目的，同時在集群負(fù)載高（負(fù)載大于集群配置的閾值）時，重新啟動一些主機(jī)，滿足業(yè)務(wù)需要。Page24DRS的幾種基本的應(yīng)用場景Page25集群內(nèi)主機(jī)間的負(fù)載不均衡集群內(nèi)主機(jī)的負(fù)載較低集群內(nèi)主機(jī)的負(fù)載均很高Page26目錄計算虛擬化核心引擎：Hypervisor介紹跨服務(wù)器的計算資源調(diào)度算法計算高可靠性保障計算高可靠性保障基于冷備機(jī)制的虛擬化HA保護(hù)，這種方式主要提供了在物理硬件故障的條件下，選擇資源池中的其他健康物理主機(jī)重新部署虛擬機(jī)，在原有數(shù)據(jù)不丟失的條件下，盡快恢復(fù)虛擬機(jī)業(yè)務(wù)的方法；基于虛擬機(jī)熱備機(jī)制的虛擬機(jī)運(yùn)行態(tài)鏡像冗余方案，這種方式主要是在不同的物理主機(jī)上，提供虛擬機(jī)業(yè)務(wù)運(yùn)行的鏡像冗余，在一臺物理主機(jī)發(fā)生故障的時候，自動由另外一臺主機(jī)上的虛擬機(jī)業(yè)務(wù)運(yùn)行鏡像接管進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，從而保證虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷。Page27基于冷備機(jī)制的虛擬機(jī)HA保護(hù)Page28基