云计算02虚拟化概念

虚拟化概论主要内容虚拟化的定义服务器虚拟化其他虚拟化技术2.1虚拟化的定义

2.1.1走进虚拟化虚拟相对于真实，虚拟化就是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。核心理念：以透明的方式提供抽象的底层资源基础设施虚拟化系统虚拟化软件虚拟化虚拟内存Java语言虚拟机2.1.2虚拟化的定义Wikipedia：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。这种资源的抽象并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制WhatI:信息技术术语库：虚拟化是为了某些事物创造的的虚拟版本，比如操作系统、计算机系统、存储设备和网络资源等OpenGridServicesArchitecture:虚拟化是为一组相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方式来查看并维护资源IBM：虚拟化是资源的逻辑表示，它不受物理限制的约束2.1.2虚拟化的定义三层含义：虚拟化的对象是各种各样的资源经过虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必要的细节用户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2.1.2虚拟化的定义虚拟化的目标对包括基础设施、系统和软件等IT资源的表示、访问和管理进行简化，并为这些资源提供标准的接口来接收输入和提供输出。降低了资源使用者和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2.1.3虚拟化的常见类型基础设施虚拟化系统虚拟化桌面虚拟化软件虚拟化2.1.3虚拟化的常见类型基础设施虚拟化网络虚拟化：将网络的硬件和软件资源整合，向用户提供虚拟网络连接虚拟局域网VLAN虚拟专用网VPN存储虚拟化：为物理的存储设备提供一个抽象的逻辑视图，用户可以通过这个视图中的统一逻辑接口来访问被整合的存储资源基于存储设备的存储虚拟化磁盘阵列技术（RAID）基于网络的存储虚拟化网络附加存储（NAS）、存储区域网（SAN）2.1.3虚拟化的常见类型系统虚拟化实现操作系统与物理计算机的分离，使得在一台物理计算机上可以同时安装和运行一个或多个虚拟的操作系统虚拟运行环境为虚拟机提供一套虚拟的硬件环境，包括虚拟的处理器，内存，设备与I/O及网络接口等。虚拟机：使用系统虚拟化技术，运行在一个隔离环境中、具有完整硬件功能的逻辑计算机系统，包括操作系统和其中的应用程序VMwareWorkstationIBMz系列和p系列服务器2.1.3虚拟化的常见类型系统虚拟化的应用个人电脑上使用系统虚拟化系统虚拟化技术应用于服务器虚拟化2.1.3虚拟化的常见类型桌面虚拟化解除个人电脑的桌面环境与物理机间的耦合关系桌面虚拟化采用的是集中化管理方式，IT人员无需逐一维护终端设备,所有桌面镜像都存储在远程服务器上，因而增强了数据安全性，简化了数据备份和恢复。所有的程序和数据都运行和最终被保存在远程服务器上由于用户可按需访问其完整的桌面环境，再也不用依靠单一的专用设备进行访问，大大提高了灵活性，可随时随地开展工作。2.1.3虚拟化的常见类型软件虚拟化应用虚拟化：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，实时地将程序组件推送到客户端的应用虚拟化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计算机之间迁移问题,如JAVA虚拟机2.2服务器虚拟化2.2.1基本概念服务器虚拟化将系统虚拟化技术应用于服务器上，将一个服务器虚拟成若干个服务器使用。是数据中心最主要的虚拟化技术服务器虚拟化为虚拟服务器提供了能够支持其运行的硬件资源抽象，并为虚拟机提供良好的隔离性和安全性2.2服务器虚拟化思杰：XENIBM:POWERVM,ZVM微软:HyperV,VirtualPC,VirtualServerVMware:VmwareWorkstation,VmwareServer,VmwareESXServer2.2.2典型实现X86在设计之初没有考虑服务器虚拟化服务器虚拟化通过虚拟化软件向上提供对硬件设备的抽象和对虚拟服务器的管理虚拟化软件：实现对硬件的抽象,资源的分配、调度和管理,虚拟机和宿主操作系统及多个虚拟机之间的隔离2.2.2典型实现虚拟机监视器(VirtualMachineMonitor):负责对虚拟机提供硬件资源抽象,为客户操作系统提供运行时环境虚拟化平台(Hypervisor):负责虚拟机的托管和管理,直接运行在硬件上,实现受底层体系结构的约束2.2.2典型实现服务器虚拟化的两种类型：寄宿虚拟化原生虚拟化是否依赖于宿主操作系统完全不性能低高实现的难易程度易难2.2.3关键特性多实例隔离性封装性高性能2.2.3关键特性多实例：一个物理服务器上可以运行多个虚拟服务器，物理系统的资源以可控方式分配给虚拟机隔离性：虚拟机之间相互隔离封装性：硬件无关性,虚拟机环境表现为一个单一的实体高性能：降低虚拟化抽象层的性能开销2.2.4核心技术虚拟化CPU虚拟化内存虚拟化设备和I/O虚拟化虚拟机的实时迁移2.2.4核心技术（CPU虚拟化）CPU虚拟化把物理CPU抽象成虚拟CPU，任何时刻一个物理CPU只能运行一个虚拟CPU的指令在x86体系中实现虚拟化，需要在客户操作系统以下加入虚拟化,来实现物理资源的共享，虚拟化层运行在Ring0级,客户操作系统运行在Ring0以上级别虚拟化x86体系结构问题的关键在于虚拟机里执行的敏感指令不能直接作用于真实硬件之上，需要被虚拟机监视器接管和模拟2.2.4核心技术（CPU虚拟化）解决x86体系结构下CPU虚拟化问题的软件方案全虚拟化采用二进制代码动态翻译技术（敏感指令前插入陷入指令）将敏感指令转换成可以通过虚拟机监视器执行的具有相同功能的指令序列后执行非敏感指令可以直接在物理处理器上执行MicrosoftVirtualPC,VMwareWorkStationBinaryTranslatorTranslatorGuestCodeTranslationCacheTCIndexCPUEmulationRoutinesBinaryTranslationvPCmovebx,eaxcliandebx,~0xfffmovebx,cr3stiretmovebx,eaxcallHANDLE_CLIandebx,~0xfffmov[CO_ARG],ebxcallHANDLE_CR3callHANDLE_STIjmpHANDLE_RETstartGuestCodeTranslationCache2.2.4核心技术（CPU虚拟化）半虚拟化修改客户操作系统来解决虚拟机执行特权指令的问题客户操作系统将敏感指令转换为对底层虚拟化平台的超级调用虚拟化平台不需要做耗费资源的指令翻译工作CitrixXen，VMwareESXServer2.2.4核心技术(CPU虚拟化)硬件辅助虚拟化在CPU中加入新的指令集和处理器运行模式来完成与CPU虚拟化的相关功能客户操作系统可直接在CPU上运行虚拟化相关指令，无需进行二进制翻译或超级调用INTELVT技术增加一套名为虚拟机扩展VMX的指令集,支持与虚拟化相关的操作定义根模式和非根模式,虚拟化平台运行在根模式,客户操作系统运行在非根模式2.2.4核心技术（内存虚拟化）内存虚拟化：把物理机的真实物理内存统一管理，包装成多个虚拟机的物理内存给若干虚拟机使用,使得每个虚拟机拥有独立的内存空间虚拟机监视器管理物理机器上的内存，并按每个虚拟机的需要分配内存，并保持每个虚拟机对内存访问的相互隔离需要维护物理机里的内存地址块和虚拟机内部的连续内存块的映射关系，具备管理虚拟机内存的机制传统地址空间两种地址空间—虚拟地址空间(VAS)和物理地址空间(PAS)操作系统和用户进程运行在VAS中。操作系统通过使用处理器中提供的内存管理单元(MMU)来管理从VAS到PAS的映射操作系统维持着一个把当前VAS中的每一页映射到PAS中的某一页的页表04GB当前进程04GB操作系统虚拟地址空间物理地址空间RAMROM设备帧缓冲器内存管理单元(MMU)虚拟地址到物理地址的转换使用固定大小的页面页保护旁路转换缓冲器

TLB缓存了最近的虚拟地址到物理地址的映射控制寄存器页表位置对齐检查2.2.4核心技术（内存虚拟化）虚拟机监视器必须具备管理虚拟机内存的机制，即虚拟机内存管理单元2.2.4核心技术（内存虚拟化）逻辑内存与机器内存之间的映射关系由虚拟化管理单元来负责的，其实现方法有：影子页表法页表写入法2.2.4设备与I/O虚拟化设备与I/O虚拟化：把物理机的设备统一管理,包装成多个虚拟设备给若干个虚拟机使用，响应每个虚拟机的设备访问请求和I/O请求VMware虚拟化平台

物理设备虚拟设备虚拟机2.2.4核心技术（设备与I/O虚拟化）主流的设备和I/O虚拟化通过软件的方式实现将物理机的设备虚拟化，将设备标准化为一系列虚拟设备，为虚拟机提供一个虚拟设备集合不依赖于底层物理设备的实现2.2.4核心技术（设备和I/O虚拟化）服务器虚拟化中每个虚拟机都是一个独立的逻辑服务器，之间通信通过网络接口进行需对宿主操作系统的网络接口驱动进行修改每个虚拟机分配了虚拟的网络接口I/O虚拟化体系结构I/O虚拟化体系结构包含客户驱动虚拟设备虚拟设备和虚拟栈之间的通讯机制虚拟化I/O栈物理设备驱动实际设备I/O虚拟化体系结构（续）虚拟设备实际设备建模例如：Intele1000、LSImptscsi简单虚拟友好设备建模例如：VMwarevmxnetI/O虚拟化体系结构虚拟化I/O栈客户I/O地址翻译到主机地址处理虚拟机之间的通讯复用从/到物理设备的I/O请求提供企业级I/O特性2.2.4核心技术（实时迁移技术）实时迁移技术是在虚拟机运行过程中，将整个虚拟机的运行状态完整、快速地从原来的宿主机硬件平台迁移到新的宿主机硬件平台上整个过程是平滑的，用户不会察觉需要虚拟机监视器的协助2.2.4核心技术（实时迁移技术）实时迁移技术用途系统硬件维护资源整合2.2.5性能分析服务器应用三种类型：处理器密集型内存密集型I/O密集型2.2.5性能分析处理器密集型：处理器的调度由物理服务器的操作系统内核或虚拟化平台的内核管理物理服务器：操作系统直接对应用进程进行调度虚拟化平台：对虚拟机的进程进行调度，间接的影响虚拟机内部应用的进程，引入调度开销2.2.5性能分析内存密集型：物理内存到虚拟内存的映射由物理服务器的操作系统内核(内存管理单元)或虚拟化平台的内核管理。物理服务器：内存管理单元负责虚拟内存和物理内存的寻址虚拟化平台：虚拟机操作系统负责虚拟内存和伪物理内存的间的映射，虚拟化平台的内存管理单元负责伪物理内存到机器内存之间的映射2.2.5性能分析I/O密集型：需要通过网络和外界进行频繁的通信。物理服务器：操作系统的网络驱动直接作用于物理网卡，应用能直接通过网络驱动和物理网卡与与外部网络通信虚拟化平台：虚拟机的虚拟网卡分时共享物理服务器的网卡，应用在网络通信过程中，需要在虚拟网卡和物理网卡之间转发分组。2.2.5性能分析服务器虚拟化的性能测试报告VMware测试报告：物理服务器,VMwareESXV3.0.1,XENV3.03XEN测试报告：物理服务器,VmwareESXV3.0.1,XENV3.22.2.5性能分析衡量一个具体类型的商业应用的综合性能：吞吐量，服务质量IBM和Vmware评估Websphere在VmwareESXV3.5虚拟环境下的性能单台虚拟机,

吞吐量相对物理服务器有10%的下降多台虚拟机组成的WAS集群运行在同一个配有单个多核处理器的虚拟化平台上,吞吐量甚至超过直接在物理服务器上运行的吞吐量2.2.5性能分析大型机虚拟化平台(ZVM)和X86虚拟化平台的比较：吞吐量，响应时间8核心,4GHz响应时间：X86平台,虚拟机数量超过20,响应时间迅速增加;ZVM平台,虚拟机数量达到100,响应时间微量增长吞吐量：X86平台,25-50个虚拟机,吞吐量维持在每秒50个事务;ZVM平台,最大能达到每秒150个事务2.2.5性能分析结论服务器虚拟化会引入一定的系统开销不同实现技术之间存在差异大型机的服务器虚拟化技术具有优势虚拟化环境的企业应用上线之前需进行针对应用特点的实际测试调优2.2.6技术优势降低运营成本提高应用兼容性加速应用部署提高服务可用性提升资源利用率动态调度资源降低能源消耗2.2.6技术优势降低运营成本：系统管理员能够摆脱大量繁重的与物理服务器、操作系统、中间件及兼容性问题打交道的管理工作，专注于应用的管理提供了功能强大的虚拟化环境管理工具,降低管理员人工干预的频率。2.2.6技术优势提供应用兼容性大量的应用运行在各种互不兼容的环境中,开发应用需要考虑硬件平台,操作系统,中间件等各个级别。服务器虚拟化提供的封装性和隔离特性使得所在平台与底层服务器环境隔离，只需构建一个应用版本,并发布到被虚拟化封装后的不同类型平台上2.2.6技术优势加速应用部署过程繁琐,且需要部署人员全程跟踪部署进度,执行下一步操作,切容易出错仅需部署一个封装好的操作系统和应用程序的虚拟机,部署过程简单(输入激活配置参数,拷贝,启动,激活虚拟机),无需人工干预。2.2.6技术优势提高服务可用性：高可用性,服务能够持续、可靠运行的能力传统数据中心采用多机备份,冗余等技术虚拟机是单个的逻辑文件,处理器和内存资源由虚拟机管理程序封装和隔离。方便建立虚拟机快照、备份镜像、动态迁移、恢复、在其他物理机上运行。2.2.6技术优势提升资源利用率：绝大多数X86服务器只运行一个应用，资源利用率偏低服务器虚拟化技术可对服务器进行虚拟化整合，提高CPU利用率,内存利用率,存储利用率,网络利用率2.2.6技术优势动态调度资源实时迁移：在不中断服务的情况下将虚拟服务器从一台物理服务器迁移到另一个物理服务器统一的资源池,虚拟机