云计算与虚拟化技术研究

云计算与虚拟化技术研究摘要：随着互联网的发展，原有的网络计算模式已经不适应现有的飞速发展的信息通信产业的需要，ICT产业迫切需要一种新的网络计算模式来促进该产业的发展。基于多机和HPC虚拟化的云计算随之孕育而生，从广泛的意义上讲，没有虚拟化就没有云计算。从多种服务器虚拟化的各种体系架构模型和云计算的基本原理，讨论了多种虚拟化技术和云计算的关系，分别分析了单机和多机虚拟机对云计算的贡献，对由虚拟化构建出的云计算的发展进行了探究。关键词：云计算；虚拟化；ICT；网格计算；效用计算1云计算相关概念从本质来看，云计算是一个软件概念，云计算的目标就是通过各种各样的软件技术，整合、挖掘、管理和高效利用两极化发展的单机整机和多机整机硬件系统资源。从公众的角度来看，云计算就是网格计算、瘦客户端、负载均衡、效用计算的混合体，是一种通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的计算模式。2云计算和虚拟化的关系云计算是网络技术发展到一定阶段的产物，其核心在于网格计算，它通过整合离散的计算资源来形成一个统一的基础计算设施（Infrastructure），作为提供服务的主体，然后通过效用计算，在这个庞大的资源池里，按使用资源的多少进行收费。由此看来，云计算研究的重点在于网络计算，本质就是计算机的虚拟化。虚拟化最初的目标是提高机器的使用效率，最常用的虚拟化技术可能是通用的OS系统都支持的虚拟内存技术，它使应用程序认为它拥有连续的可用的内存，而实际上，它通常是被分割为多个物理内存碎片，在需要的时候进行数据交换。目前就虚拟化的研究与应用来说，虚拟化朝着两个方面发展：单机虚拟化（SingleSystemVirtualization）和多机虚拟化（MultiSystemVirtualization）。单机虚拟化是基于Hypervisior技术，把一个机器分为若干个机器使用，自VMWare技术出现之后，得到异常迅猛的发展，它可以把一台普通计算机或PC模拟成同时运行多个操作系统的机器，如图1。早期的单机虚拟化应用主要是一台机器上模拟各种系统去做测试，在一台PC机器上可以模拟Mac、Linux等不同平台，这对于需要制作跨平台软件的小公司来说，无需配置那么多的测试机器，大大节约了成本及能耗；VMWare也被用在各种数据中心模拟各种OS环境，为不同的应用服务，以及用于安全考虑的孤立环境（Jail）的建立。图1VMWareworkstation实例由于以VMWare为主的单机虚拟化在IDC数据中心获得巨大的成功，所以，人们在讨论云计算的时候很容易把它和云计算混为一团。而实际情况是单机虚拟化和云计算并无直接关联，在Google内部后台中运行着大部分的LinuxPC或者RISCWorkstation服务器，所使用的虚拟化技术并非是单机VMWare虚拟化技术，而是类似于PVM（parallelVirtualmachine）和MPP（MassivelyParallelProcessing）那样的专用多机高性能集群（HPC）虚拟化技术。同样，Amazon、Microsoft、Yahoo等大型企业也都是使用类似的多机虚拟化技术，让用户感觉是一台专用的计算机在为自己服务。多机虚拟化技术结合了基于网络的分布式计算，才能算是真正的云计算技术。多机虚拟化技术是促使云计算发展的里程碑的技术之一。云计算是基于HPC（HighPerformanceComputer）技术，它也是基于机群、集群技术，具体一些就是多机虚拟技术。在这里我们所说的多机其实是多系统，是分布式并行耦合的多机系统，是把异构OS虚拟化为同构的系统，即把不同的机器虚拟化为运行在同一个OS版本的机器，以便于多机虚拟化系统的管理及其他功能。为更好地支持云计算，许多单机虚拟化的厂商都在原有Hypervisor虚拟化技术的基础上开发多机虚拟机，即云计算操作系统（CloudOS），从而进军云计算市场。典型的云计算市场有VMWare的vSphere4（图2）、微软的oVirt系统和Google的Hadoop。图2VMWare的vSphere4体系结构其中，最著名的机群技术当属COW（ClusterofWorkstations），它属于MPP（MassivelyParallelProgressing，大规模并行处理），只不过它只是一种松耦合的MPP，而且它可以把机构内的所有机器都集群到一起。由于它采用了基于机群（Clustering）技术，所以又叫做HPC（HighPerformanceClustering）高性能机群系统。COW系统中的计算节点主要都是闲置的计算资源，如办公室中的PC等，都是采取普通的局域网进行联机的。这些工作站点白天都是作为普通的工作站来使用的，但是大部分的计算机都是处理文档编辑或者是收发邮件、网页浏览等工作，90%的CPU和内存都处在空闲状态，其实这些空闲的计算机资源是可以被充分利用的。这就是HPC调度管理软件要处理的问题，使用COW把这些闲散的计算机资源的计算节点组成机群，通过网格计算、高度的多机虚拟化技术，把这些闲散的计算节点按照一定的组合方式组合起来，并提供一定限度的计算机资源给中央节点。从用户的角度看来，这些中央节点就类似一台超级高性能计算机了。这就是多机虚拟化技术，它把多机多系统的计算节点组成群组，统一通过一个入口向外提供服务.从另一个层面来看，虚拟化是一个接口封装和标准化的过程，封装的过程会根据不同的硬件会不同，通过封装和标准化，为在虚拟容器里运行的程序提供适合的运行环境。这样，通过虚拟化技术，可以屏蔽不同硬件平台的差异性，屏蔽不同硬件的差异所带来的软件兼容问题；通过虚拟化技术，可以将硬件的资源通过虚拟化软件再重新整合后分配给软件使用。虚拟化技术实现了硬件无差别的封装，这种方式很适合于部署在云计算的大规模应用中。但是虚拟化只是云计算中的重要技术之一，并非是云计算的所有，云计算技术中还包括分布式计算、效用计算等。但是，在当前云计算浪潮汹涌的态势下，各个地区都纷纷建立了所谓的云计算中心，其实只不过是将若干台计算机进行虚拟化罢了，然后将虚拟化后的资源提供给用户使用，这种所谓的云计算实际上是不伦不类多台计算机虚拟化而已。虚拟化的本质核心是摆脱硬件束缚，在各种硬件上部署虚拟化产品之后，形成统一的操作界面，类似于JVM或者是C#的主机托管，其实都是虚拟化技术的体现，从应用软件的跨平台，到硬件上的平台无关性，再到用户界面，都是一致标准化的。对于这个方面，云计算恰恰相反，它是提供各种不同的平台来适应不同的界面，以满足不同的用户需求。正是由于虚拟化拥有在软件层的封装和在硬件层的隔离这类特征，所以虚拟化技术能够成为众多云计算方案中所采用的技术平台。但是虚拟化不能解决本地终端的计算问题，同时，虚拟化也不能实现将所有的计算都转移到远程执行。但是虚拟化可以实现动态资源分配，并非针对远程的计算机资源。将资源池里的计算资源当做本地计算资源来使用也是一种实用虚拟化技术，它的本质是将资源池的资源进行本地化虚拟的过程，而且将计算资源本地化也需要虚拟化计算来重新分配资源。3结语虚拟化和云计算这两个概念是相辅相成的，确切来说，没有虚拟化就没有云计算。虚拟化在计算机发展历程中扮演了重要的角色，无论是大型机的单机多系