淺談虛擬化技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀
一、虛擬化技術(shù)的概念
什么叫虛擬化技術(shù)？虛擬化是一種方法，本質(zhì)上講是指從邏輯角度而不是物理角度來(lái)對(duì)資源進(jìn)行配置，是從單一的邏輯角度來(lái)看待不同的物理資源的方法。
這個(gè)定義首要說(shuō)明的是，虛擬化是一種邏輯角度出發(fā)的資源配置技術(shù)，是物理實(shí)際的邏輯抽象。比如說(shuō)，當(dāng)前只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)虛擬技術(shù)，在用戶看來(lái)，似乎卻是多臺(tái)，每臺(tái)都有其各自的CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)等物理資源。
對(duì)于用戶，虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件跟硬件分離，用戶不需要考慮后臺(tái)的具體硬件實(shí)現(xiàn)，而只需在虛擬層環(huán)境上運(yùn)行自己的系統(tǒng)和軟件。而這些系統(tǒng)和軟件在運(yùn)行時(shí)，也似乎跟后臺(tái)的物理平臺(tái)無(wú)關(guān)。
二、虛擬技術(shù)原理與發(fā)展
虛擬技術(shù)原理
所有的IT設(shè)備，不管是PC、服務(wù)器還是存儲(chǔ)，都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們被設(shè)計(jì)用來(lái)完成一組特定的指令。這些指令組成一個(gè)指令集。對(duì)于虛擬技術(shù)而言，“虛擬”實(shí)際上就是指的虛擬這些指令集。
虛擬機(jī)有許多不同的類型，但是它們有一個(gè)共同的主題就是模擬一個(gè)指令集的概念。每個(gè)虛擬機(jī)都有一個(gè)用戶可以訪問(wèn)的指令集。虛擬機(jī)把這些虛擬指令“映射”到計(jì)算機(jī)的實(shí)際指令集。硬分區(qū)、軟分區(qū)、邏輯分區(qū)、Solaris Container、VMware、Xen、微軟Virtual Server2005這些虛擬技術(shù)都是運(yùn)用的這個(gè)原理，只是虛擬指令集所處的層次位置不同。
虛擬技術(shù)的發(fā)展情況
1965年，IBM7044機(jī)器 ，虛擬機(jī)開(kāi)端；
1967年，Djiskstra實(shí)現(xiàn)第一個(gè)虛擬系統(tǒng)；
2001年，AIX 5L v5.1發(fā)布，IBM首次在小型機(jī)上實(shí)現(xiàn)了邏輯分區(qū)。
2002年，AIX 5L v5.2發(fā)布，IBM在小型機(jī)上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)邏輯分區(qū)。
2004年，8月，AIX 5L v5.3實(shí)現(xiàn)了微分區(qū)技術(shù)，最小分區(qū)粒度為1/10個(gè)CPU，且最多支持254個(gè)虛擬I/O。
同年10月，Solaris 10實(shí)現(xiàn)了Solaris Container功能，支持應(yīng)用層面的計(jì)算資源調(diào)配。
2005年，1月，HP-UX 11i v2發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了從硬分區(qū)、軟分區(qū)到應(yīng)用層分區(qū)，最小分區(qū)粒度為1/20顆CPU。
2005年10月，IBM發(fā)布虛擬I/O服務(wù)器，該服務(wù)器的一個(gè)組件IVM具備HMC的部分功能。即在不配置HMC的低端p系列和i系列服務(wù)器上，也可配置多個(gè)分區(qū)和操作系統(tǒng)。
三、虛擬化技術(shù)的類型
虛擬化技術(shù)之所以會(huì)被廣泛的采用，都有其應(yīng)用背景，當(dāng)前虛擬化技術(shù)大致看來(lái)主要有以下幾種類型:拆分、整合、遷移。
拆分
某臺(tái)計(jì)算機(jī)性能較高，而工作負(fù)荷小，資源沒(méi)有得到充分利用。這種情況適用于拆分虛擬技術(shù)，可以將這臺(tái)計(jì)算機(jī)拆分為邏輯上的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，同時(shí)供多個(gè)用戶使用。這樣可以使此服務(wù)器的硬件資源得到充分的利用。
適用面：性能較好的大型機(jī)、小型機(jī)或服務(wù)器。
目的：提高計(jì)算機(jī)的資源利用率。
拆分形式的虛擬化示意圖如下
整合
當(dāng)前有大量性能一般的計(jì)算機(jī)，但在氣象預(yù)報(bào)、地質(zhì)分析等領(lǐng)域，數(shù)據(jù)計(jì)算往往需要性能極高的計(jì)算機(jī)，此時(shí)可應(yīng)用虛擬整合技術(shù)，將大量性能一般的計(jì)算機(jī)整合為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，以滿足客戶對(duì)整體性能的要求。
適用面：性能一般的計(jì)算機(jī)
目的：通過(guò)整合，獲得高性能，滿足特定數(shù)據(jù)計(jì)算要求。
整合形式的虛擬化示意圖如下：
遷移
1、將一臺(tái)邏輯服務(wù)器中的閑置的一部分資源動(dòng)態(tài)的加入到另一臺(tái)邏輯服務(wù)器中，提高另一方的性能。
2、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將本地資源供遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)使用。Windows下的共享目錄，Linux下的NFS等，還包括遠(yuǎn)程桌面等等。
目的：實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用等。
遷移形式的虛擬化示意圖如下：
四、虛擬化的實(shí)現(xiàn)形式
硬件虛擬化
不需要操作系統(tǒng)支持，可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源進(jìn)行劃分，任一分區(qū)內(nèi)的操作系統(tǒng)和硬件故障不影響其他分區(qū)。
代表：HP nPAR
邏輯虛擬化
不需要操作系統(tǒng)支持。在系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間以軟件和固件的形式存在，任一分區(qū)的操作系統(tǒng)故障不影響其他分區(qū)。
代表：IBM DLPARS、HP vPAR、VMware ESX Server、Xen。
相對(duì)硬件虛擬模式而言，邏輯虛擬模式會(huì)占用一定比例的系統(tǒng)資源。目前大型主機(jī)的虛擬效率一般在95%以上，虛擬化損耗大約為2%~3%；AIX和HP-UX上的虛擬效率在90％以上，虛擬化損耗約為5％；而x86架構(gòu)上的虛擬效率則在80%左右，虛擬化損耗大約為20%。
軟件虛擬化
需要主操作系統(tǒng)支持。在主操作系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)虛擬層軟件，可以安裝多種客戶操作系統(tǒng)，任何一個(gè)客戶系統(tǒng)的故障不影響其他用戶的操作系統(tǒng)
代表： VMware GSX Server 和微軟 Virtual Server2005
應(yīng)用虛擬化
需要主操作系統(tǒng)支持。在單一操作系統(tǒng)上使用，在操作系統(tǒng)和應(yīng)用之間運(yùn)行虛擬層，任何一個(gè)應(yīng)用包的故障不影響其他軟件包。
代表：Solaris Container和SWsoft Virtuozzo
虛擬化的實(shí)現(xiàn)形式的對(duì)比
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五、虛擬化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
實(shí)際應(yīng)用上，除了金融業(yè)、制造業(yè)、政府部門(mén)和科研領(lǐng)域的用戶，許多用戶對(duì)服務(wù)器整合、虛擬技術(shù)并不十分清晰。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)服務(wù)器市場(chǎng)，虛擬化的技術(shù)趨勢(shì)與實(shí)際應(yīng)用還存在較大差距。以下是對(duì)虛擬化技術(shù)應(yīng)用較好的行業(yè)的簡(jiǎn)要分析。
1、銀行類用戶
在虛擬化技術(shù)應(yīng)用上最為積極。銀行是國(guó)內(nèi)最早使用大型主機(jī)和小型機(jī)的行業(yè)，在應(yīng)用上得到的技術(shù)支持最多，對(duì)于虛擬技術(shù)較為熟悉，期待程度和應(yīng)用評(píng)價(jià)也最高。特點(diǎn)在于對(duì)成本敏感度低，對(duì)虛擬技術(shù)的安全性和使用效率關(guān)注度高。
2、政府部門(mén)類用戶
對(duì)虛擬技術(shù)的應(yīng)用雖然不如銀行用戶那樣熟悉，但通過(guò)技術(shù)人員的努力，仍能以最低的TCO(Total Cost of Ownership, 總體擁有成本 )獲得最多的計(jì)算性能。他們的特點(diǎn)是對(duì)預(yù)算較敏感，對(duì)系統(tǒng)效率提高感興趣。
3、科研單位
隨著數(shù)據(jù)計(jì)算量的加大，需要使用虛擬技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)使用效率。這類用戶對(duì)預(yù)算敏感度高，對(duì)虛擬技術(shù)本身倒并不是特別了解。
4、計(jì)算中心
如國(guó)家氣象中心，大多采用高性能計(jì)算機(jī)集群，對(duì)計(jì)算性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求很高，對(duì)系統(tǒng)管理控制方面要求較多，對(duì)預(yù)算敏感度低。
總體而言，與北美和歐洲相對(duì)廣泛的虛擬技術(shù)應(yīng)用狀況相比，國(guó)內(nèi)在虛擬技術(shù)應(yīng)用水平上還存在較大差距。
六、服務(wù)器虛擬化的優(yōu)勢(shì)
1、維護(hù)運(yùn)行在早期操作系統(tǒng)上的業(yè)務(wù)應(yīng)用
對(duì)于某些早期操作系統(tǒng)，發(fā)行廠商已經(jīng)停止了系統(tǒng)的維護(hù)，不再支持新的硬件平臺(tái)，而重寫(xiě)運(yùn)行在這些系統(tǒng)上的業(yè)務(wù)應(yīng)用又不現(xiàn)實(shí)。為此，可以將這些系統(tǒng)遷移到新硬件平臺(tái)上運(yùn)行的虛擬系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的延續(xù)。
2、提高服務(wù)器的利用率
《虛擬服務(wù)器環(huán)境》一書(shū)指出：“多數(shù)用戶承認(rèn)，系統(tǒng)平均利用率只有25%~30%之間” 。這對(duì)服務(wù)器硬件資源是一種浪費(fèi)。
將多種低消耗的業(yè)務(wù)利用整合到一臺(tái)服務(wù)器上，可以充分發(fā)揮服務(wù)器的性能，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的整體利用效率。
3、動(dòng)態(tài)資源調(diào)配，提升業(yè)務(wù)應(yīng)用整體的運(yùn)行質(zhì)量
可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的虛擬機(jī)之間或是集群系統(tǒng)的各個(gè)業(yè)務(wù)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)的的資源調(diào)配，進(jìn)而提升業(yè)務(wù)應(yīng)用的整體運(yùn)行質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用上，這一優(yōu)勢(shì)更偏重于集群系統(tǒng)。
4、提供相互隔離的，安全的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境
虛擬系統(tǒng)下的各個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立，即使一個(gè)子系統(tǒng)遭受攻擊而崩潰也不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成影響。而且在使用備份機(jī)制后，子系統(tǒng)可被快速的恢復(fù)。
5、提供軟件調(diào)試環(huán)境，進(jìn)行軟件測(cè)試，保證軟件質(zhì)量
采用虛擬技術(shù)后，用戶可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬多個(gè)系統(tǒng)，多種不同操作系統(tǒng)，使調(diào)試環(huán)境搭建簡(jiǎn)單易行，大大提高工作效率，降低測(cè)試成本。
七、服務(wù)器虛擬化技術(shù)存在的問(wèn)題
1、虛擬技術(shù)的認(rèn)知
用戶對(duì)虛擬技術(shù)不了解，不明確虛擬技術(shù)在提升用戶現(xiàn)有系統(tǒng)效率和降低總體運(yùn)營(yíng)成本上的優(yōu)勢(shì)，這是阻礙虛擬技術(shù)推廣的最大障礙。
2、虛擬系統(tǒng)的可靠性
客戶采用服務(wù)器，很大程度上是為了保障業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。如果用戶在一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)業(yè)務(wù)，類似于多個(gè)雞蛋放在一只籃子，一旦出現(xiàn)重大硬件故障勢(shì)必會(huì)影響到所有的應(yīng)用，這種威脅很難消除。而對(duì)于用戶，這種潛在的業(yè)務(wù)危險(xiǎn)往往也是不可接受的。
3、虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行效率
使用虛擬技術(shù)的目的在于提高用戶服務(wù)器的整體利用效率，如果虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行效率太低，也就失去了它在服務(wù)器上應(yīng)用的價(jià)值。
4、平臺(tái)支持
硬件支持方面，需要虛擬系統(tǒng)能夠不斷更新，以兼容新的硬件平臺(tái)。
操作系統(tǒng)支持，需要能夠支持老操作系統(tǒng)。這樣對(duì)于某些使用早期操作系統(tǒng)的客戶才有意義。
對(duì)于這兩方面，虛擬化平臺(tái)都需要不斷更新，這些都依賴虛擬化提供商的維護(hù)。
5、遷移能力
高端應(yīng)用需要做到零宕機(jī)，遷移成本較高，且需要SAN集中存儲(chǔ)設(shè)備的支持；
低端應(yīng)用，雖然可以使用系統(tǒng)備份還原的遷移模式，以降低系統(tǒng)遷移成本，但遷移效率低。
6、部署效率和易用性
當(dāng)前虛擬化標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，移植和管理工具還不夠成熟，這也影響到虛擬化的大面積普及。特別是遠(yuǎn)程管理功能需要配合虛擬化標(biāo)準(zhǔn)工作大力發(fā)展，以使得不同的虛擬化平臺(tái)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理。
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