1．云計(jì)算與虛擬化技術(shù)

    云計(jì)算是IT產(chǎn)業(yè)的又一次變革，它將各種傳統(tǒng)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源以及網(wǎng)絡(luò)資源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)全部轉(zhuǎn)移到“云中”，用戶不必了解設(shè)備的位置，也不必了解計(jì)算的過(guò)程，而只要“按需使用”就行了。其基本原理是使計(jì)算從本地計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中分布到大量的分布式計(jì)算機(jī)上。云計(jì)算是隨著處理器技術(shù)、分布式技術(shù)、虛擬化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，它也可以說(shuō)是能夠提供動(dòng)態(tài)資源池、虛擬化和高可用性的下一代計(jì)算平臺(tái)。

    虛擬化技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，它的發(fā)展過(guò)程可以概括為圖1所示。但正因?yàn)樘摂M化技術(shù)的發(fā)展與完善，才使得數(shù)據(jù)中心的資源被激活，同時(shí)也使得云計(jì)算或網(wǎng)格內(nèi)的各項(xiàng)資源調(diào)度和分配真正意義上實(shí)現(xiàn)了靈活性和按需分配。虛擬化使得用戶不用關(guān)心特定應(yīng)用軟件的服務(wù)方式、不用關(guān)心計(jì)算平臺(tái)的操作系統(tǒng)以及軟件環(huán)境等底層資源的物理配置與管理、不用關(guān)心計(jì)算中心的地理位置，實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟件作為服務(wù)(SaaS)、平臺(tái)作為服務(wù)（PaaS） 、基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)（IaaS)。

    圖1：虛擬化的發(fā)展過(guò)程

    虛擬化是支撐云計(jì)算的重要技術(shù)基石，云計(jì)算中所有應(yīng)用的物理平臺(tái)和部署環(huán)境都依賴虛擬平臺(tái)的管理、擴(kuò)展、遷移和備份，各操作都通過(guò)虛擬化層次完成。從云計(jì)算的最重要的虛擬化特點(diǎn)來(lái)看，大部分軟件和硬件已經(jīng)對(duì)虛擬化有一定支持，可以把各種IT資源、軟件、硬件、操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等要素都進(jìn)行虛擬化，放在云計(jì)算平臺(tái)中統(tǒng)一管理。虛擬化技術(shù)打破了各種物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘，代表著把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬁晒芾碣Y源的必然趨勢(shì)，不久的將來(lái)所有的資源都透明地運(yùn)行在各種物理平臺(tái)上，資源的管理都將按邏輯方式進(jìn)行，完全實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)化分配，而虛擬化技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想重要的工具。下面將從服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)三方面探討虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用。

2．服務(wù)器虛擬化

    服務(wù)器虛擬化是將底層物理設(shè)備與上層操作系統(tǒng)、軟件分離的一種去耦合技術(shù)，它將硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序一同裝入一個(gè)可遷移的虛擬機(jī)檔案文件中。虛擬化通過(guò)其管理軟件將多個(gè)物理設(shè)備納入統(tǒng)一的資源池進(jìn)行管理，從而增強(qiáng)了物理設(shè)備和物理設(shè)備之間的耦合性。在單一物理服務(wù)器上可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，同時(shí)虛擬機(jī)之間相互隔離，以提高資源利用率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的共享和隔離。虛擬機(jī)可以根據(jù)其需求彈性增加或減少其分配的硬件資源，提高資源配置的靈活性，以實(shí)現(xiàn)資源彈性。虛擬機(jī)將整個(gè)系統(tǒng)，包括硬件配置、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用等封裝在文件里，用于系統(tǒng)快速部署、軟件發(fā)布、系統(tǒng)備份，可以在不同服務(wù)器上不加修改直接遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。圖2為服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用于云計(jì)算的簡(jiǎn)單示意圖。

    圖2：云計(jì)算服務(wù)器虛擬化模型

    從技術(shù)原理來(lái)看，通常使用虛擬機(jī)監(jiān)視器(VMM)或虛擬化平臺(tái)(Hypervisor)來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器硬件設(shè)備的分離、虛擬機(jī)的管理及資源的調(diào)度。根據(jù)虛擬化層實(shí)現(xiàn)的不同，可將服務(wù)器虛擬化分為寄宿虛擬化和原生虛擬化，根據(jù)虛擬化核心技術(shù)的不同，又可分別對(duì)服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、設(shè)備及IO實(shí)現(xiàn)虛擬化。云計(jì)算利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的部署和配置，通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)的快速部署和實(shí)時(shí)遷移能大大提高系統(tǒng)的效能，還可通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)資源的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的可伸縮性，確保系統(tǒng)能迅速?gòu)墓收现谢謴?fù)并繼續(xù)提供服務(wù)，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。服務(wù)器虛擬化技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)將高負(fù)載節(jié)點(diǎn)中的某些虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移到低負(fù)載的節(jié)點(diǎn)，把多個(gè)低負(fù)載的虛擬機(jī)合并到一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，并將多余的空閑物理節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，以提高資源的使用效率，使負(fù)載達(dá)到均衡，從而使上層應(yīng)用的性能得到了保障，同時(shí)還達(dá)到了減少能耗的目的。

    目前，全球各大服務(wù)器提供商在云服務(wù)器及虛擬化軟件的研發(fā)上都下足了力氣，同時(shí)也出現(xiàn)了不少虛擬化技術(shù)產(chǎn)品，如Citrix的XEN Hypervisor、Microsoft的Hyper-V、Redhat的KVM以及Huawei的UVP等，它們?cè)谔摂M化架構(gòu)、CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、客戶0S及虛擬機(jī)遷移、存儲(chǔ)遷移等多項(xiàng)虛擬化技術(shù)上都有各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。如Hyper-V采用微內(nèi)核的架構(gòu)，兼顧了安全性和性能的要求，其底層的Hypervisor代碼量很小，且不包含任何第三方驅(qū)動(dòng)，因此具有高效率的VMbus架構(gòu)，并完美支持Linux系統(tǒng)；而KVM是一個(gè)開(kāi)源的系統(tǒng)虛擬化模塊，它使用Linux自身的調(diào)度器進(jìn)行管理，相對(duì)于Xen其核心源碼很少，但KVM的虛擬化需要硬件支持，是基于硬件的完全虛擬化。

3．存儲(chǔ)虛擬化

    存儲(chǔ)虛擬化(Storage Virtualization)是指對(duì)存儲(chǔ)硬件資源進(jìn)行抽象化的表現(xiàn)，通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)服務(wù)或功能與其它附加的功能集成，統(tǒng)一提供有用的全面功能服務(wù)。虛擬化是作用在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)體上的，而這些實(shí)體則是用來(lái)提供存儲(chǔ)資源或服務(wù)，存儲(chǔ)虛擬化是一種貫穿于其中，用于簡(jiǎn)化本來(lái)可能會(huì)相對(duì)復(fù)雜的底層基礎(chǔ)架構(gòu)的技術(shù)。存儲(chǔ)虛擬化的思想是將資源的邏輯映像與物理存儲(chǔ)分開(kāi)，從而為系統(tǒng)和管理員提供一幅簡(jiǎn)化、無(wú)縫的資源虛擬視圖(如圖3)。典型的虛擬化包括屏蔽系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加或集成新的功能，仿真、整合或分解現(xiàn)有的服務(wù)功能等。

    圖3：存儲(chǔ)虛擬化模型

    虛擬存儲(chǔ)技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)鏡像復(fù)制技術(shù)、數(shù)據(jù)遷移技術(shù)和存儲(chǔ)整合。數(shù)據(jù)鏡像復(fù)制技術(shù)一般來(lái)說(shuō)鏡像是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常使用的遠(yuǎn)程鏡像根據(jù)采用的協(xié)議不同又分為同步和異步兩種技術(shù)；數(shù)據(jù)遷移技術(shù)是將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并裝載到新系統(tǒng)的過(guò)程，它是新系統(tǒng)成功上線的重要技術(shù)前提，也是系統(tǒng)后期業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障；存儲(chǔ)整合集中容量分配、供應(yīng)、以及數(shù)據(jù)移動(dòng)能力，為多層 多用戶存儲(chǔ)環(huán)境提供更大靈活性，從而降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性 另外，存儲(chǔ)虛擬化實(shí)現(xiàn)的方法可分三類：基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)依賴于代理或管理軟件，它們安裝在一個(gè)或多個(gè)主機(jī)操作系統(tǒng)上，比如VMware Server或Virtual Server，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化的控制和管理；基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化，它對(duì)后臺(tái)使用的具體硬件的兼容性要求高，但可以將存儲(chǔ)和主機(jī)獨(dú)立起來(lái)；既不基于存儲(chǔ)設(shè)備也不基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)虛擬化存儲(chǔ)，它在兩者之間的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部完成。

    在云計(jì)算構(gòu)架中，云用戶終端沒(méi)有任何儲(chǔ)存設(shè)備，他們只管享用“云中”的存儲(chǔ)服務(wù)，而不需擁有具體的存儲(chǔ)設(shè)備，也不必了解具體的存儲(chǔ)過(guò)程。云存儲(chǔ)是一個(gè)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)，它是一個(gè)復(fù)雜的存儲(chǔ)虛擬化和自動(dòng)化過(guò)程。存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)應(yīng)用于云計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)中能夠提高硬件利用率，它將整個(gè)SAN中的存儲(chǔ)資源視為一個(gè)存儲(chǔ)池，從而掩蓋異構(gòu)存儲(chǔ)之間的差異，通過(guò)通用管理界面就能進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和控制，減少互操作方面的工作，同時(shí)大幅簡(jiǎn)化存儲(chǔ)資源的分配與管理。存儲(chǔ)虛擬化降低了用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，云用戶可以自由選擇最能滿足應(yīng)用需求的存儲(chǔ)系統(tǒng)。存儲(chǔ)虛擬化還使得每個(gè)虛擬機(jī)都是在被分配在劃定的云計(jì)算資源模塊中工作，內(nèi)存、磁盤(pán)等和數(shù)據(jù)安全密切相關(guān)的存儲(chǔ)資源相互之間實(shí)現(xiàn)了資源隔離，虛擬機(jī)中的數(shù)據(jù)與信息形成相對(duì)獨(dú)立的資源，保證了數(shù)據(jù)的隔離性和安全性。

4．網(wǎng)絡(luò)虛擬化

    虛擬化的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源最終都以網(wǎng)絡(luò)形式為用戶提供服務(wù)。如何通過(guò)虛擬化技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，如何讓網(wǎng)絡(luò)具備靈活的可擴(kuò)展性和可管理性，這些都是云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化能使不同需求的用戶組訪問(wèn)同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，但邏輯上卻進(jìn)行一定程度的隔離，使其保持相對(duì)的獨(dú)立性，以確保網(wǎng)絡(luò)的安全使用。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù) 可把多個(gè)封閉的用戶組設(shè)置在單一物理基礎(chǔ)設(shè)施上，更能確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持高度的實(shí)用性。安全性、可管理性和可擴(kuò))展性。網(wǎng)絡(luò)虛擬化安全、彈性、易管理和自適應(yīng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)特征，能充分滿足服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等云計(jì)算所需其他虛擬化技術(shù)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

    云計(jì)算的基本架構(gòu)主要包括云服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)又可分為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和泛在的云接人網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分(如圖4)。

    圖4：云計(jì)算中網(wǎng)絡(luò)層次

    數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬化包括核心層虛擬化、接入層虛擬化和虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換。核心層網(wǎng)絡(luò)虛擬化是數(shù)據(jù)中心核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，可提高資源的利用率以及交換系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，為資源的動(dòng)態(tài)伸縮和靈活調(diào)度提供支撐；接入層虛擬化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心接入層的分級(jí)設(shè)計(jì)，支持新的以太網(wǎng)技術(shù)和各種靈活的部署方式；虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)交換通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和物理網(wǎng)卡虛擬化，在服務(wù)器內(nèi)部形成相應(yīng)的交換機(jī)和網(wǎng)卡功能。

    數(shù)據(jù)中心之間通過(guò)跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算或存儲(chǔ)資源的遷移和調(diào)度，我們可以通過(guò)構(gòu)建大范圍的二層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行大型的集群計(jì)算，也可以通過(guò)構(gòu)建路由網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)滿足多個(gè)虛擬數(shù)據(jù)中心提供云計(jì)算服務(wù)。在跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)各層間進(jìn)行虛擬化的橫向擴(kuò)展，還有利于數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，同時(shí)又不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)管理拓?fù)�。另外，云�?jì)算中心通過(guò)泛在的云接入網(wǎng)絡(luò)為云用戶提供各項(xiàng)服務(wù)。由于云用戶分布廣、數(shù)量大，且接人方式各不相同，為此泛在的云接入網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能為云用戶提供更為安全可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保障，能夠兼容多種方式接入和不同的終端，使更多的用戶能夠使用云計(jì)算服務(wù)，具備可擴(kuò)展性，能夠方便的接入新的云計(jì)算，以提供更為快捷服務(wù)，同時(shí)在物理網(wǎng)絡(luò)上利用虛擬化技術(shù)劃分多個(gè)邏輯子網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間具有相對(duì)的獨(dú)立性，以保證云計(jì)算服務(wù)的安全使用。

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本文標(biāo)題：探析虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用

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