◆李東興

作者：李東興，北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院助理工程師，研究方向為虛擬化、高性能計算、大數(shù)據(jù)分析與處理（100875）。

1 虛擬化技術(shù)

虛擬化有狹義和廣義之分。狹義虛擬化指的是物理資源的抽象化，是單一物理資源的多個邏輯表示，或者多個物理資源的單一邏輯表示。廣義虛擬化是一種簡化管理、優(yōu)化資源的解決方案，計算機元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行[1]。虛擬化技術(shù)即實現(xiàn)虛擬化的方法，它具有屏蔽同一類物理設(shè)備的專有特性、將相同特性的物理設(shè)備進行資源整合、將整合的資源虛擬出多個類似的虛擬設(shè)備和對虛擬設(shè)備進行統(tǒng)一管理等多種功能。根據(jù)不同的分類標準，虛擬化技術(shù)有不同的分類方法。

根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)位于系統(tǒng)的不同層次，虛擬化技術(shù)分為軟件虛擬化技術(shù)和硬件虛擬化技術(shù) 傳統(tǒng)PC由操作系統(tǒng)控制、管理和分配軟硬件資源，存在資源利用率低、計算機的存儲和IO系統(tǒng)長期處于“閑”的狀態(tài)等缺陷[2]。軟件虛擬化技術(shù)通過第三方軟件把計算機虛擬為多個獨立的虛擬機，解決上述缺陷，提高資源利用率。常用的虛擬化軟件有VMW的VMware、VMS的Workstation、Oracle的VirtualBox和 Microsoft的 Virtual PC。

硬件虛擬化，首先底層硬件必須支持虛擬化技術(shù)，另外，作為該結(jié)構(gòu)核心的VMM（虛擬機監(jiān)視器，為系統(tǒng)管理程序，可以理解為平臺硬件和操作系統(tǒng)的抽象）不僅要直接控制管理硬件資源，還需要為虛擬機提供虛擬環(huán)境。常用的VMM有 Ken、KVM。

根據(jù)虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)方法不同，虛擬化可分為完全虛擬化、并行虛擬化和操作系統(tǒng)虛擬化 完全虛擬化又稱為原始虛擬化，其原理如表1所示。VMM（Hypervisor）在裸機硬件和虛擬機操作系統(tǒng)之間，負責裸機硬件資源的分配與管理，所以，底層裸機硬件并不是操作系統(tǒng)所擁有，而是操作系統(tǒng)通過VMM共享。

表1 完全虛擬化示意表

并行虛擬化又稱超虛擬化，其原理如表2所示。與完全虛擬化類似，也使用VMM實現(xiàn)對底層硬件的共享訪問，并且將與虛擬化有關(guān)的程序集成到操作系統(tǒng)中。

表2 并行虛擬化示意表

操作系統(tǒng)虛擬化，其原理如表3所示。所有的虛擬機必須運行同一種操作系統(tǒng)，沒有VMM，在物理機操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化，提供一種更瘦的虛擬架構(gòu)體系[3]。

表3 操作系統(tǒng)虛擬化示意表

根據(jù)虛擬化技術(shù)的具體應(yīng)用和解決方案不同，虛擬化技術(shù)可以分為服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化 服務(wù)器虛擬化又稱為基于主機的虛擬化，是將服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、IO設(shè)備等物理資源轉(zhuǎn)化為多個虛擬的邏輯資源。具有同一接口標準的邏輯資源被組裝成多個完全獨立的服務(wù)器。

存儲虛擬化又稱為存儲控制器的虛擬化，在物理存儲系統(tǒng)和服務(wù)器之間增加一個虛擬層——控制器，它管理和控制所有存儲并對服務(wù)器提供存儲服務(wù)。

應(yīng)用虛擬化將應(yīng)用程序與底層操作系統(tǒng)邏輯隔離，為應(yīng)用程序提供了一個虛擬的運行環(huán)境，從而實現(xiàn)應(yīng)用程序（或軟件）即服務(wù)[4]。通過應(yīng)用虛擬化技術(shù)，可以增強軟件的可移植性，有利于保障底層操作系統(tǒng)的安全，提高應(yīng)用程序的兼容性。

桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化通過任何設(shè)備，在任何地點、任何時間訪問在網(wǎng)絡(luò)上的屬于個人的桌面系統(tǒng)。

不同的虛擬化技術(shù)適用于不同的領(lǐng)域、應(yīng)用環(huán)境和用戶需求。如：基于軟件朝著開源的方向發(fā)展，從成本開銷和應(yīng)用上看，軟件虛擬化較硬件虛擬化的開銷更低，更傾向于普通用戶用于軟件測試；從數(shù)據(jù)中心的安全和發(fā)展的角度看，應(yīng)用更多的是硬件虛擬化，所以軟件虛擬化越來越受到普通用戶的青睞，硬件虛擬化更適用于大型數(shù)據(jù)中心。

不同類型的虛擬化技術(shù)也有不同的實現(xiàn)方法。如服務(wù)器虛擬化方法有完全虛擬化、并行虛擬化和操作系統(tǒng)虛擬化；服務(wù)器硬件虛擬化技術(shù)包括CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

2 幾種主要的虛擬化技術(shù)

服務(wù)器虛擬化 服務(wù)器虛擬化將物理主機的CPU、內(nèi)存、IO設(shè)備等物理資源轉(zhuǎn)化為可以統(tǒng)一管理的邏輯資源，充分發(fā)揮服務(wù)器硬件的性能，提升硬件資源的利用率。虛擬化的邏輯資源必須具有同一接口標準才能成為一臺虛擬機，邏輯資源實際上不存在，沒有實際的意義；服務(wù)器虛擬化的目的是實現(xiàn)資源共享，提高物理資源整體利用率，使資源使用最大化，如表4所示。

表4 物理體系結(jié)構(gòu)（上表）和虛擬體系結(jié)構(gòu)（下表）對比

應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件 …… 應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)1 操作系統(tǒng)2 操作系統(tǒng)3虛擬機軟件主機操作系統(tǒng)裸機

服務(wù)器虛擬化包括兩種形式：一對多，如以上定義所述，將單臺物理服務(wù)器虛擬出多臺相互獨立的虛擬服務(wù)器；多對一，將多臺物理服務(wù)器資源進行整合，提供資源動態(tài)調(diào)配，即使用多臺物理主機虛擬成一臺超級計算機，如云計算平臺和高性能計算集群。第一種主要用于普通用戶測試和學習，第二種主要用于科學計算和云服務(wù)，需要專業(yè)人士實現(xiàn)和維護。

第一種形式的服務(wù)器虛擬化主要有四個特點：同時性，在單一物理服務(wù)器上可以同時運行多個虛擬機，即可以同時運行多個操作系統(tǒng)；獨立性，在同一服務(wù)器上的虛擬機之間相互隔離、相互獨立、互不干擾，并且獨立于物理硬件；封裝性，整個虛擬機以文件形式保存，可以通過移動和復(fù)制文件的方式實現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化；跨平臺性，無需修改任何配置文件就可在任何服務(wù)器上運行。

第二種服務(wù)器虛擬化具有以下特點：各服務(wù)器型號和性能相同；各服務(wù)器操作系統(tǒng)相同；封裝良好，任意一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障不影響整體使用；高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

存儲虛擬化 存儲虛擬化一般在存儲設(shè)備（主盤柜）的控制器中實現(xiàn)，可以整合IBM、EMC、HP、NetAPP等多臺不同品牌、型號、類型、接口的存儲設(shè)備，形成一個統(tǒng)一的存儲池，從而提高存儲容量、性能。在虛擬化層通過利用多路徑軟件、瘦供給、快照、卷拷貝、卷鏡像、遠程鏡像、數(shù)據(jù)自動分層等存儲特性實現(xiàn)統(tǒng)一管理，當存儲池發(fā)生變化時，主機應(yīng)用不會被迫中斷。

存儲虛擬化通過控制器將存儲模塊（包括硬盤和raid卡）統(tǒng)一管理，主機操作系統(tǒng)操作的是一塊硬盤（物理卷組），然后可以根據(jù)用戶需求劃分不同的邏輯卷。用戶只是管理自己的邏輯數(shù)據(jù)，不必關(guān)心數(shù)據(jù)實際的存儲位置。服務(wù)器不直接與存儲硬件打交道，而與控制器交流，存儲硬件的增減、調(diào)換、分拆、合并對服務(wù)器完全透明。

存儲虛擬化的優(yōu)勢為：隱藏了復(fù)雜程度，特別對使用者而言，不必了解其內(nèi)部實現(xiàn)；允許將現(xiàn)有的功能集成使用、統(tǒng)一管理，降低了管理人員的難度；擺脫了物理容量的局限，擴大了邏輯容量；減少硬盤碎片的產(chǎn)生，提高硬盤容量的使用率。磁盤陣列存儲是目前虛擬化技術(shù)最成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用。

桌面虛擬化 桌面虛擬化技術(shù)利用虛擬化技術(shù)將終端用戶同底層操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序分開，終端用戶可獨立連接多個獨立操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的鏡像，而操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都集中在數(shù)據(jù)中心，實質(zhì)上是將用戶使用與系統(tǒng)管理進行了有效的分離。

桌面虛擬化的優(yōu)點：靈活的訪問和使用；廣泛與簡化的終端設(shè)備支持；終端設(shè)備采購、維護成本大大降低；集中管理、統(tǒng)一配置；使用安全；降低耗電、節(jié)能減排。常用的桌面虛擬化軟件有遠程桌面協(xié)議（RDP）、Hyper-V、View（ICA）、Xen。另外，TeamViewer和VNC應(yīng)用也比較廣泛。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化 網(wǎng)絡(luò)虛擬化在日常工作中最典型的應(yīng)用有虛擬網(wǎng)卡、VPN和VLAN。

虛擬網(wǎng)卡是硬件虛擬化的一部分?？梢园褑我晃锢砭W(wǎng)卡根據(jù)用戶的應(yīng)用需求抽象為不同的邏輯網(wǎng)卡，即虛擬IP；VPN，虛擬專用網(wǎng)，為節(jié)省成本，不同用戶通過VPN主機進行加密通訊接入互聯(lián)網(wǎng)；VLAN，虛擬局域網(wǎng)，通過三層協(xié)議交換機將不同網(wǎng)段的設(shè)備或用戶組織起來，他們之間的通信好像在同一網(wǎng)段中一樣。服務(wù)器分散部署而導(dǎo)致的利用率低下的弊端，提高服務(wù)器的可靠性和利用率。

2）簡化資源使用的復(fù)雜度，更快、更方便部署系統(tǒng)。虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)是一項復(fù)雜的工程，運用虛擬化技術(shù)的目的是使用者更快更方便地完成自己的部署，滿足自我需求，簡化實現(xiàn)的流程和過程。虛擬化技術(shù)良好的封裝性使得用戶不必了解內(nèi)部實現(xiàn)，從而實現(xiàn)用戶的需求。就如操作系統(tǒng)的發(fā)展一樣，虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展會使應(yīng)用在多個層面朝著傻瓜模式發(fā)展。

3）簡化資源管理，提供自動的資源分配、回收方式。利用虛擬化技術(shù)，可以在一臺機器上模擬出許多不同的操作系統(tǒng)，建立一個高效、方便的測試環(huán)境，實現(xiàn)集中式管理，簡化操作流程，系統(tǒng)維護簡便快捷。

4）降低開銷和管理成本。虛擬化技術(shù)的實施，最大程度地降低基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)的成本和開銷。服務(wù)器的整合，不僅提高了硬件利用率，還減少了硬件需求，即硬件數(shù)量的減少。服務(wù)器數(shù)量的減少，數(shù)據(jù)中心的占用面積、機架空間以及電源、制冷、電纜、存儲和網(wǎng)絡(luò)組件也相應(yīng)減少，專業(yè)人員的設(shè)備管理成本和安全風險也必然降低。

虛擬化技術(shù)在提高資源利用率和給用戶提供便利的同時，也凸顯出很多弊端

1）降低物理設(shè)備的使用壽命，對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提出嚴峻的考驗。據(jù)統(tǒng)計，利用虛擬化技術(shù)可以使物理資源的使用率提高到80%，但同時帶來的是物理設(shè)備的使用壽命降低30%，宕機率達到51%，如圖1所示。

2）增加物理設(shè)備更新頻率和維護成本。任何事物都有兩面性，虛擬化技術(shù)在提高設(shè)備使用率的同時，使用壽命縮短，從長期看，設(shè)備的維護成本和開銷也必然提高。

3）增大服務(wù)器的使用風險。雖然虛擬化技術(shù)提供了安全機制，但安全不是絕對的。一臺服務(wù)器上出現(xiàn)重大的硬件故障只會影響這臺服務(wù)器上的服務(wù)，但該服務(wù)器在運行10臺虛擬服務(wù)器時，面臨的風險就大得多，可能導(dǎo)致所有

3 虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢與不足

虛擬化技術(shù)在十幾年的發(fā)展過程中呈現(xiàn)了若干優(yōu)勢

1）整合資源，提高資源利用率。隨著信息化水平的不斷提高和業(yè)務(wù)的增長，必然需要更多的服務(wù)器支持新的應(yīng)用。這種解決方式的弊端在于造成資源的浪費，增加了網(wǎng)絡(luò)成本。而虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，可以有效整合分散的物理資源，提供統(tǒng)一的管理和服務(wù)，避免因虛擬機全部崩潰；多個獨立存儲（物理卷）要比存儲虛擬化組成的物理卷組出現(xiàn)問題帶來的風險小得多。

4）數(shù)據(jù)遷移帶來的困難。從表面上看，從物理環(huán)境遷移到虛擬環(huán)境與物理服務(wù)器遷移到物理服務(wù)器沒什么不同。然而，數(shù)據(jù)遷移工作更多地依靠以太網(wǎng)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度使數(shù)據(jù)遷移不僅費時費錢，更容易造成數(shù)據(jù)丟失。

4 虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心（IDC）主要提供VPS服務(wù)、云存儲和高性能計算三種業(yè)務(wù)。筆者結(jié)合自己管理的北京師范大學某高性能計算中心說明虛擬化技術(shù)在其中的應(yīng)用。該高性能計算機由計算節(jié)點、存儲節(jié)點和計算網(wǎng)絡(luò)三部分組成，主要用于科學計算。

服務(wù)器虛擬化的應(yīng)用 當前世界上用于科學計算的超級計算機80%以上都是計算機集群，這種分布式高性能計算機集群是由功能和特性相同的普通服務(wù)器虛擬化成一臺超級計算機，用于滿足用戶的模式運算。這種服務(wù)器虛擬化方式是上文提到的第二種服務(wù)器虛擬化技術(shù)。當前性能較好的服務(wù)器其資源有限，特別是CPU的性能和總核數(shù)，不能滿足用戶的計算需求。以IBM最新的IBM System x3850 X6產(chǎn)品為例，該服務(wù)器CPU為英特爾至強E7-4800/8800 v2，CPU主頻高達3.2 GHz，有4個處理器，60個內(nèi)核，最大支持6 TB內(nèi)存。在獨立服務(wù)器中，其計算性能出色，內(nèi)存容量較大，浮點計算能力理論值達到1.5 TFLOPS。而該高性能計算平臺計算集群由256個低端的Intel(R)Xeon(R) CPU E5540，主頻為2.53 GHz，共1024核組成，其計算能力達到10 TFLOPS。該平臺單臺服務(wù)器（刀片）其計算性能遠低于IBM System x3850 X6，但總計算性能高其一個數(shù)量級，而且資源的維護成本要低于IBM System x3850 X6。對于客戶（使用者）來講，不必了解集群的內(nèi)部實現(xiàn)，只需要申請滿足自己需要的資源（核數(shù)）即可。

另外，在該高性能計算中心托管的其他幾十臺獨立運行的服務(wù)器有80%采用上文提到的第一種服務(wù)器虛擬化技術(shù)，作為技術(shù)測試和低數(shù)據(jù)量的計算。數(shù)據(jù)中心的設(shè)備使用壽命最高為10年，隨著使用周期的延長，設(shè)備的物理磨損程度的提高，管理和維護開銷不斷增加，因此在設(shè)備的使用壽命周期內(nèi)最大化的利用服務(wù)器資源的性能也可以節(jié)約最終的開銷。

存儲虛擬化的應(yīng)用 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是該高性能計算機的重要組成部分。磁盤陣列存儲是目前虛擬化技術(shù)最成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用。這種設(shè)備采用虛擬化技術(shù)，把若干相同特性的物理硬盤通過磁盤陣列技術(shù)變成一塊raid盤，該raid盤可以根據(jù)用戶需求劃分成不同的邏輯卷供不同的主機使用，既能實現(xiàn)硬盤整合，提高容量，減少硬盤碎片，對存儲空間和連接主機進行集中管理，更能滿足多用戶多任務(wù)的需求。

數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)中心運營的重要功能，而磁盤陣列是存儲虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的基本應(yīng)用，目前所有品牌的存儲都支持磁盤陣列，磁盤陣列的類型也從raid0發(fā)展到raid6。除了磁盤陣列技術(shù)，存儲虛擬化在高性能計算中心還有兩方面的應(yīng)用。一是把多個存儲盤柜虛擬整合為一個邏輯盤柜。眾所周知，一個盤柜一般由12或16塊硬盤組成，每塊硬盤的容量目前最大為4 TB，即單個盤柜的容量最大為64 TB，遠遠達不到數(shù)據(jù)中心建設(shè)的規(guī)模。一般而言，一個存儲系統(tǒng)通常由主盤柜和擴展柜組成，在該中心的存儲通常通過Mapper技術(shù)虛擬化為一個物理盤組。二是在虛擬化盤柜的技術(shù)上，采用Google File System升級物理盤柜的文件系統(tǒng)，提高其并行讀寫能力。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化的應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中。該高性能計算平臺網(wǎng)絡(luò)主要包括管理網(wǎng)絡(luò)和計算網(wǎng)絡(luò)。管理網(wǎng)絡(luò)通過普通千兆因特網(wǎng)互聯(lián)實現(xiàn)，計算網(wǎng)絡(luò)是計算平臺達到高性能的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是通過單向帶寬為40 Gb的infiniBand交換機互聯(lián)實現(xiàn)的，所以物理設(shè)備除了交換機外，計算節(jié)點（刀片服務(wù)器）必須支持上述網(wǎng)卡。除了計算網(wǎng)絡(luò)采用虛擬化技術(shù)外，VLAN和VPN也應(yīng)用于該平臺的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，高性能計算平臺的大量數(shù)據(jù)具有保密性，高風險是其顯著特征之一，網(wǎng)絡(luò)安全是平臺管理和監(jiān)控的重要任務(wù)之一。比如2014年在比特幣等虛擬貨幣盛行市場的時候，很多黑客利用高性能計算平臺的眾核優(yōu)勢來盈利，如該性能計算平臺被黑客用來挖礦，在安全監(jiān)控的保障下，問題得到發(fā)現(xiàn)，及時解決。當時，筆者切斷所有用戶的公網(wǎng)訪問權(quán)限，用戶必須通過校園網(wǎng)VPN服務(wù)和校內(nèi)賬號認證才能順利申請資源和提交任務(wù)。

此外，桌面虛擬化技術(shù)也被應(yīng)用于該高性能計算平臺。筆者利用桌面虛擬化的優(yōu)勢，使用KVM來解決管理網(wǎng)絡(luò)不能正常訪問狀況的問題查詢和歸因，這樣既方便管理操作，又充分利用了其降低能耗的特點，緩解中心運營中高能耗的壓力。由此可見，虛擬化技術(shù)構(gòu)成了該分布式高性能集群的基礎(chǔ)架構(gòu)，保證其順利運轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，虛擬化技術(shù)將被更多地應(yīng)用于手機業(yè)務(wù)，對提升移動終端的效率和安全性，降低移動終端的成本起著極大的推動作用。

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