【虚拟化与云计算架构师4.1】什么是虚拟化

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1、1什么是什么是虚拟化虚拟化初初识云云计算和虚算和虚拟化化 第第1部分部分2目标目标 虚拟化概论 虚拟化的种类和简介 企业虚拟化场合及目的 从虚拟化理解云计算（虚拟化和云计算、从虚拟化看云） 为什么要进行服务器虚拟化3目录目录 2.1 初识虚拟化 2.2 虚拟化的种类 2.3 从虚拟化理解云计算42.1 初识虚拟化52.1.1 走近虚拟化走近虚拟化虚拟虚拟 VS 真实真实：虚拟化就是将原本运行在真实环境上的操作系统运行在虚拟出来的环境中。由于 计算机系统分为很多模块，从下至上包括：底层硬件资源操作系统应用程序编程接口（由操作系统提供）应用程序（运行在操作系统之上）虚拟化技术可以在以上不同层次之间

2、构建一个中间层， 向上层提供与下层相同的功能，使得上层系统可以运行 在中间层之上。中间层可以解除原来上下两层间存在的 耦合关系，使上层系统的运行不依赖于下层的某些功能 。目前，应用比较广泛的虚拟化技术有基础设施虚拟化 、系统虚拟化和软件虚拟化等类型。虚拟虚拟内存技术内存技术是我们接触比较多的一种虚拟化技术，目 前主流操作系统都支持该功能。工作原理是在磁盘中划 分一部分作为内存的中转空间，用来存储内存中存放不 下且暂时不用的数据，当程序用到这些数据时，再将它 从磁盘调入到内存。由于该技术，程序员可以更专注于 程序本身，而且程序员和用户都无法感知内存切换的细 节，这也体现了虚拟化的核心理念，以一种

3、透明的方式 提供抽象了的底层资源。62.1.2 虚拟化的定义虚拟化的定义 不同的声音不同的声音 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前资源一致的方 法访问抽象后的资源。这种资源的抽象方法并不受实现、地理位置或底层资源的物理 配置的限制。” 维基百科维基百科 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。 信息技术信息技术术语库术语库 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。 OGSA（开放网络服务体系）（开放网络服务体系） 虚拟化是资源的

4、逻辑表示，它不受物理限制的约束。 IBM 上面各种声音不尽相同，上面各种声音不尽相同，但仔细但仔细分析，他们都分析，他们都阐述了三层含义：阐述了三层含义： 虚虚拟拟化的对象是各种各样的资源化的对象是各种各样的资源； 经过经过虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必要的细节虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必要的细节； 用户用户可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部分或者可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部分或者全部功能全部功能。72.1.3 虚拟化对用户的影响虚拟化对用户的影响 任何资源都可以被虚拟化任何资源都可以被虚拟化，如右图所示， 例如：CPU、内存、存储、网络、操作系 统、文件系统和应用程序

5、等。根据这个定 义，我们就可以更深入的理解内存虚拟化 的原理。内存是真实资源，而硬盘则是这 这种资源的替代品。经过虚拟化后，这两 者具有了相同的逻辑表示。虚拟化层向上 隐藏了如何在硬盘上进行内存交换、文件 读写，如何在内存与硬盘之间实现统一寻 址和换入换出等细节。 虚拟化的目标就是对基础设施、系统和软虚拟化的目标就是对基础设施、系统和软 件等件等IT资源的表示、访间和管理进行简化资源的表示、访间和管理进行简化， 并为这些资源提供标准的接口来接收输入和 提供输出。虚拟化的使用者可以是最终用户 、应用程序或服务进程。通过使用标准的接 口，当IT基础设施发生变化时，虚拟化可以 将对使用者的影响降到最

6、低。用户不需要改 变任何配置，即使底层IT资源的实现方式已 经发生了改变，他们也不会受到影响。虚拟 化技术降低了资源使用者与资源具体实现之 间的耦合程度，让使用者不再依赖于资源的 某种特定实现。82.1.4 虚拟化的常见类型虚拟化的常见类型在虚拟化技术中，被虚拟的实体是各种各样的IT资源。按照这些资源的类型分类，我们可以总结 出不同类型的虚拟化。目前，大家接触最多的是系统虚拟化。但它并不是虚拟化的全部。下面介 绍虚拟化的几种常见类型：基础设施虚拟化基础设施虚拟化：因为网络和存储是支撑数据中心的重要硬件设施，所以他们属于这一类。 网络网络虚拟化虚拟化：是指网络的硬件和软件协同工作，向用户提供虚拟

7、网络连接技术。网络虚拟 化可以分为局域网络虚拟化和广域网络虚化两种形式，它们的代表是VLAN、EC和VPN。 存储存储虚拟化虚拟化：是指把物理上分散众多存储空间整合为一个统一的逻辑视图，方便用户访问 ，提高文件管理的效率。存储虚拟化分为基于存储设备的存储虚拟化和基于网络的存储虚 拟化两种。它们的代表是RAID、NAS和SAN。系统虚拟化：系统虚拟化：核心思想是使用虚拟化软件在一台 物理机上虚拟出多台虚拟机。多个虚拟机可以互 不影响的在同一台物理机上同时运行，复用物理 机的资源。在操作系统内部的应用程序看来，与 直接使用安装在物理计算机上的操作系统没有任 何差异。软件虚拟化：软件虚拟化：目前业界

8、公认的这类虚拟化技术主 要包括应用虚拟化和高级语言拟化。 应用虚拟应用虚拟化：化：是指将应用程序与操作系统解 耦合，为应用程序提供一个虚拟的运行环境 高级语言虚拟高级语言虚拟化：化：解决了可执行程序在不同 体系结构计算机间迁移问题，例如Java虚拟 机，它解除下层的系统平台与上层的可执行 代码之间的耦合，实现代码的跨平台执行。92.2 虚拟化的种类102.2.1 服务器虚拟化服务器虚拟化 基本概念基本概念 简单来说，服务器虚拟化使得在单一物理服务器上可以运行多个虚拟服务器。该技术 最早在IBM制造的大型机中使用，90代由VMware将其引入x86平台，并在2000年后 迅速被业界接受，下面是几

9、种目前业界主流的虚拟化产品： Citrix的Xen IBM的PowerVM、zVM。 Microsoft的Virtual PC、Virtual Server和Hyper-V。 VMware的VMware Server、VMware Workstation、VMware Player和VMware ESX Server。 以上产品除了IBM有对应的硬件平台，其他厂 商的产品都是只能运行在x86架构上的通用软 件产品，PowerVM和zVM分别对应p系列和Z 系列服务器，不同于x86架构，它们在设计之 初就考虑到了虚拟化的需求，以便充分利用 服务器的运算能力，由于硬件性能强大，该 技术从诞生至今几

10、十年，非常成熟和稳定。 而x86架构在设计之初并没有考虑要支持服务 器虚拟化技术，这使得在其之上实现服务器 虚拟化相当困难，下面将着重讲解x86架构的 虚拟化种类。112.2.2 服务器虚拟化服务器虚拟化 典型架构典型架构X86架构下的服务器虚拟化主要是通过虚拟化软件向上提供对硬件设备的抽象和虚拟机的管理， 根据虚拟化软件实现方式的不同，相关术语也将出现在不同的地方，分别如下：虚拟机虚拟机监视器（监视器（Virtual Machine Monitor, VMM）：）：负责向虚拟机提供抽象的硬件资源；虚拟虚拟化化平台平台（Hypervisor ）：它直接运行在硬件之上，负责虚拟机的创建和管理；如

11、下图所示，结合上面的术语和图示，服务器虚拟化主要有两种类型：寄居架构：寄居架构：在这种架构中，虚拟化软件也就是VMM是运行在操作系统之上的应用程序，它利用 宿主操作系统的功能来实现硬件资源的抽象，由于虚拟机对资源的操作需要通过宿主操作系统来 完成，因此其性能通常较低。VMware Workstation和Virtual PC就是这种类型。原生架构：原生架构：在这种架构中，虚拟化平台（Hypervisor）是直接运行在硬件之上，相比寄居架构它 能直接与硬件沟通，因此性能更好，但也更为复杂，Xen、ESXi server和Hyper-V都是这种架构 ，下面是它们直接的比较。寄居架构原生架构是否依赖

12、于宿主操作系统完全不性能低高实现的难以程度易难122.2.3 服务器虚拟化服务器虚拟化 关键特性关键特性 无论采用哪种虚拟化技术，它们都具有下面一些共同的特性，来保证可以被运用： 多实例：多实例：虚拟化使在一个物理服务器上可以运行多个 虚拟服务器，服务器虚拟化将服务器的逻辑整合到虚 拟机中，而物理系统的资源，如处理器、内存、硬盘 和网络等，是以可控的方式分配给虚拟机的。 隔离性：隔离性：虚拟机之间是完全隔离的，即使有虚拟机出 现故障，其他虚拟机并不会受到影响，不会造成数据 泄露。虚拟机之间的通信需要经过真实网络中转，就 像物理服务器一样。 封装性：封装性：在实施了虚拟化之后，一个独立的虚拟机环

13、境由几个相关文件组成（ vmx/vmxf/vmdk），这样便于在不问的设备间移动和复制。 高性能：高性能：虚拟机上的操作系统与硬件之间多了一个虚拟化层（VMM或者 Hypervisor），这会产生一些开销，这些开销是虚拟化的性能损耗。而高性能 则是指虚拟化层的开销要被控制在可承受的范围之内。132.2.4 核心技术核心技术 CPU虚拟化（虚拟化（1） 解决方案解决方案 1：为了解决x86体系结构中的CPU 虚拟化问题，业界提出了全虚拟化（Full- virtualization）和半虚拟化（Para- virtualization）两种不同的软件方案。 解决解决方案方案 2：除了通过软件的方式

14、实现CPU 虚拟化外，业界还提出了在硬件层添加支持 功能的硬件辅助虚拟化(Hardware Assisted Virtualization)方案来处理这些敏感的高级别 指令。 服务器虚拟化技术最难的就是服务器虚拟化技术最难的就是CPU虚拟化，虚拟化，在x86架构中实现虚拟化，需 要在客户操作系统层以下加人虚拟化层，来对物理资源进行抽象。 而CPU 有4个运行级别，分别为Ring 0/1/2/3。Ring 0具有最高权限，可以执行任 何指令而没有限制，操作系统内核代码需要直接控制和修改CPU的状态， 因此它一般运行在Ring 0级别，而应用程序一般运行在Ring 3级别。因此 这个虚拟化层必须运

15、行在Ring 0级别，而客户操作系统就只能运行在Ring 0以上的级别，这就造成了一个问题，客户操作系统中的特权指令，如中断 处理和内存管理指令，如不运行在Ring 0级别将会具有不同的语义，产生 不同的效果，或者根本不产生作用。142.2.4 核心技术核心技术 CPU虚拟化虚拟化（2） 全全虚拟虚拟化：化：采用了二进制代码动态翻译技术，位于Ring 1操作系 统将在敏感指令前插入嵌入指令，VMM在扑捉到这种特殊指令后 ，会把它们转换成CPU能看懂的敏感指令。换句话说，在全虚拟 化环境中，VMM在关键的时候“欺骗”了虚拟机，使得客户操作 系统还以为自己在真实的物理环境下运行。优点：优点：代码的

16、转换是动态的，无需修改操作系统，兼容多种系统缺陷：缺陷：全虚拟化中的动态转换需要一定的性能开销产品产品： Virtual PC/Server、VMware WorkStation/早期ESX Server 半虚拟化：半虚拟化：是通过修改客户操作系统来解决虚拟机执行特权指令 的问题。在半虚拟化环境中，客户操作系统已经集成了与半虚拟 化有关的代码，使得客户操作系统能够非常好的配合Hypervisor 的工作，通过这种方式将无需重新编译特权指令，使其性能非常 接近物理机。换句话说，半虚拟化中的客户操作系统被修改后， 知道自己处在虚拟化环境中，从而主动配合对Hypervisor进行调 用来完成敏感指令的执行。优点：优点：与硬件结合更紧密，速度更快缺陷：缺陷：需要修改操作系统，兼容性差产品：产品：Citrix Xen、Vmware ESXi Server和H