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1、虚拟化技术与云计算虚拟化技术与云计算 商彦磊商彦磊 shangyl 北京邮电大学网络技术研究院 网络与交换技术国家重点实验室网络与交换技术国家重点实验室 教学内容 绪论 算体系架构与虚拟化技术计算体系架构与虚拟化技术 虚拟化概述虚拟化概述虚拟化概述虚拟化概述 CPU的虚拟化 内存虚拟化内存虚拟化 I/O虚拟化 虚拟化实施与应用 虚拟化的现状与未来虚拟化的现状与未来 目录 虚拟化概述 虚拟化定义 为什么要进行虚拟化？为什么要进行虚拟化？ 什么是虚拟化？ 虚拟化分类 虚拟机监视器体系虚拟机监视器体系 虚拟化概述 虚拟化将原本运行在真实环境上的计算机系统或组 件运行在虚拟出来的环境中件运行在虚拟出来
2、的环境中 可以在不同的层次上构建虚拟化层，向上提供与真 实层次相同或类似的功能，使得上层系统可以运行实层次相同或类似的功能使得层系统可以行 在该中间层之上 依据所处的层次，形成不同的虚拟化技术 虚拟化层解除了上下两层之间原本存在的耦合关系虚拟化层解除了上下两层之间原本存在的耦合关系 由于引入中间层，会对性能产生一定影响 虚拟化核心以一种透明的方式抽象底层资源虚拟化核心：以一种透明的方式抽象底层资源 虚拟化的三个基本需求：等价，资源控制和效率 虚拟化定义（1） 虚拟化：广泛而富于变化 “虚拟化是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以用与访问抽象虚拟化是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以用
3、与访问抽象 前资源一致的方法访问抽象后的资源。这种资源的抽象并不受实现、地 里位置或底层资源的物理配置的限制。” Wikipedia “虚拟化是为某些事物创造的虚拟（相对于真实）版本，比如操作系统 、计算机系统、存储设备和网络资源等。” WhatI “虚拟化是为一组类似资源提供一个通用的抽象接口集，从而隐藏属性 和操作之间的差异，并允许通过一种通用的方式来查看并维护资源。” Open Grid Services Architecture 虚拟化是资源的逻辑表示，它不受物理限制的约束。 IBM 虚拟化定义（2） 虚拟化的对象：各种各样的资源 虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必 要的细节要的细节
4、用户可以在虚拟环境中实现其在真实环 境中的全功能境中的部分或全部功能 为什么要进行虚拟化？ 整合资源 服务器端的整合服务器端的整合 客户端的整合 改善系统管理 硬件与软件硬件与软件 从桌面到数据中心 增强软件生命周期 在虚拟机上开发调试部署及维护应用在虚拟机上开发、调试、部署及维护应用 增强应用的可用性 快速自动地恢复 虚拟化使硬件和软件更灵活高效 虚拟化改善了人们使用管理计算机的方式 整合资源 服务器端整合 减少服务器的数量 减少空间，降低能耗 可以降低70-80% 客户端整合客户端整合 开发者：测试多个OS版本，在单个机器上 部署应用部署应用 避免管理多个物理机器 改善系统管理 数据中心管
5、理 实时迁移实时迁移 服务器间自动的资源调度 性能及能耗的优化 在行期间为新的应分资在运行期间为新的应用分配资源 增加/删除服务器而无需停止应用服务 桌面管理桌面管理 桌面VM的集中管理 桌面VM的自动部署及版本升级 在Servers或客户机上运行桌面VMs 工业界数据：虚拟化可以将系统管理效率提高10倍 提高软件生命周期 在虚拟机上开发、调试、部署及维护应用服务 软件可发人员强有力的工具软件可发人员强有力的工具 应用服务的在线及离线跟踪 d l di t ib t d hdflti timodel distributed hardware for multi-tier application
6、s Application and OS flexibilityApplication and OS flexibility run any application or operating system Virtual appliancesVirtual appliances a complete, portable application execution environmenteoe 虚拟化的类型 系统虚拟化：最常用的虚拟化技术 基础设施虚拟化基础设施虚拟化 网络虚拟化 存储虚拟化存储虚拟化 进程虚拟化 高级语言的虚拟化高级语言的虚拟化 Java, .NET Cross-ISA模拟Cr
7、oss ISA模拟 应用虚拟化 Sandboxing 网络虚拟化 网络虚拟化：将网络的硬件和软件资源整合，向用 户提供虚拟网络连接的虚拟化技术户提供虚拟网络连接的虚拟化技术 局域网虚拟化 广域网虚拟化 局域网虚拟化多个本地网络被组合成为个逻辑局域网虚拟化：多个本地网络被组合成为一个逻辑 网络，或者一个本地网络被分割为多个逻辑网络 提高内部网络的使用效率提高内部网络的使用效率 VLAN 广域网虚拟化：VPN 抽象化络连接使户感觉到物连接虚拟连接抽象化网络连接，使用户感觉不到物理连接和虚拟连接 的差异性 存储虚拟化 存储虚拟化：把物理上分散的众多文件整合为一个 统一的逻辑视图，用户可以通过这个视图
8、中的统一统的逻辑视图，用户可以通过这个视图中的统 逻辑接口来访问整合的存储资源 优点： 方便用户访问方便用户访问 提高文件管理效率 基于存储设备的存储虚拟化基于存储设备的存储虚拟化 通过将多块物理磁盘组合成为磁盘阵，用廉价的磁盘设 备实现了一个统一的、高性能的容错存储空间 基于网络的存储虚拟化基于网络的存储虚拟化 NAS：Network Attached Storage网络附加存储 SAN：Storage Area Network存储区域网g存储域 软件虚拟化 针对软件（用户使用的程序、编程语言等）的虚拟 化环境化环境 应用虚拟化 高级语言虚拟化 应用虚拟化将应用程序与操作系统解耦合为应应用虚
9、拟化：将应用程序与操作系统解耦合，为应 用程序提供了一个虚拟的运行环境 高级语言虚拟化：解决可执行程序在不同体系结构高级语言虚拟化：解决可执行程序在不同体系结构 计算机间迁移的问题 由高级语言编写的程序被编译成标准的中间指令。中间 指令在解释执行或动态翻译环境中被执行可以在运行指令在解释执行或动态翻译环境中被执行，可以在运行 不同体系架构之上 Java虚拟机 系统虚拟化 LinuxLinux (devel)XPVistaMacOS Virtual Machine Monitor Hardware 虚拟化性质 隔离性 封装性 介入性介入性 多实例 隔离性 故障隔离 虚拟化的基本特性 软件隔离软件
10、隔离 软件版本升级 DLL Hell 性能隔离性能隔离 通过调度及资源分配实现 封装性 所有VM状态可以封装在一个file中 通过在file操作来操作VM mv cp rmmv, cp, rm 复杂性 与虚拟HW模型成比例 独立于客户OS的软件配置客户的软件 介入性 所有客户OS的活动都通过VMM VMM可以检查、修改、拒绝操作 其他其他 压缩 加密 翻译翻译 多实例 通过服务器虚拟化，在一个物理服务器 上可以运行多个虚拟服务器，即可以支 持多个客户操作系统。物理系统的资源持多个客户操作系统。物理系统的资源 ，如处理器、内存、硬盘和网络等，可 以以可控方式分配给虚拟机以以可控方式分配给虚拟机
11、虚拟化应用 服务器整合 数据中心管理 高可用性高可用性 灾难恢复 故障容忍 测试与开发测试与开发 应用的灵活性应用的灵活性 VMM分类（1） 按虚拟平台分类 完全虚拟化：虚拟的是现实存在的平台，在 客户OS来看，虚拟的平台和现实的平台是 样的无需对做任何修改一样的，无需对OS做任何修改 基于软件虚拟化 硬件辅助虚拟化 类虚拟化：虚拟的平台是由VMM重新定义 的现实不存在的需要对客户OS进行修改， 客户OS知道运行在虚拟平台上 VMM分类（2） 按VMM实现结构分类 Hypervisor模型 寄宿模型寄宿模型 混合模型 基于软件的完全虚拟化 优先级压缩结合二进制代码翻译 VMM和客户OS运行在不
12、同的特权级上当客户VMM和客户OS运行在不同的特权级上。当客户 OS执行相关特权指令时，由于处于非特权的 Ring 1，因此会触发异常，VMM截获特权指令并 行虚拟化大部分 g 进行虚拟化。Ring Compression可以处理大部分 特权指令 二进制代码翻译用来处理这种不友好的指令通二进制代码翻译用来处理这种不友好的指令。通 过扫描并修改客户OS的二进制代码，将难以虚 拟化的指令转化为支持虚拟化的指令令令 MS Virtual PC；MS Virtual Server；VMware Workstation； Vmware ESX Server 硬件辅助完全虚拟化 在硬件加上虚拟化能力，截获
13、操作系统对敏 感指令的执行或者对敏感资源的访问，从而 通过异常报告给VMM 硬件虚拟化是一种完备的虚拟化方法：内存 和外设访问本身也是由指令来承载对处理和外设访问本身也是由指令来承载，对处理 器指令级别的截获就意味着VMM可以模拟 一个与真实主机一样的环境个与真实主机样的环境 Intel 的VT-x，AMD-V 类虚拟化 修改OS内核代码（API级），将敏感指令替换为 对底层虚拟化平台的超级调用使OS内核完全对底层虚拟化平台的超级调用，使OS内核完全 避免难以虚拟化的指令 类虚拟化可以用于优化I/O拟 类虚拟化不是去模拟真实世界中的设备，而是自定 义高度优化的基于事务的I/O协议，可达到近似物
14、 理机的速度理机的速度 客户OS与虚拟化平台必须兼容，类虚拟化对不 同版本OS的支持有所限制 Citrix的Xen；VMware的ESX Server；MS的 Hyper-V 完全虚拟化与类虚拟化 Applications Applications Ring 3 pp pp Ring 3 Ring 2 Guest OS Guest OS g Ring 1 Virtual Machine Guest OS Virtual Machine Guest OS Ring 1 Ri0BT HyperCVirtual Machine Monitor Virtual Machine Monitor Ring
15、 0BT HyperC all Hardware Hardware 系统虚拟机监视器（VMM） 寄宿虚拟化Hosted VMware Workstation 混合虚拟化Hybrid混合虚拟化Hybrid VMware ESX Xen 虚拟化平台Hypervisor虚拟化平台Hypervisor 寄宿虚拟化 目标 虚拟机作为已存在OS的一个应用运行 原因 应用的连贯性 重用已存在设备驱动 调节OS支持 文件系统 CPU调度 VM管理平台 寄宿虚拟化体系结构（1） Guest OS (Linux) User App Kl Virtual Machine MonitorHost OS (Window
16、 XP) Kernel Module Hardware 寄宿虚拟化体系结构（2） Guest OS (Linux) User App Kl CPU / Memory Virtual Machine MonitorHost OS (Window XP) Kernel Module CPU / Memory Virtualization Hardware 寄宿虚拟化体系结构（3） Guest OS (Linux) User App Kernel Device I/O Network, Disk, Display, Keyboard, Virtual Machine MonitorHost OS (Window
