武博文

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

一、引言

虛擬化技術(shù)（Virtualization）是隨著計算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，長久以來，虛擬化技術(shù)在計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中都扮演著重要的角色。虛擬化是將原本運行在真實環(huán)境上的計算機(jī)系統(tǒng)或組件運行在虛擬的環(huán)境中，并可以在硬件資源或軟件資源的不同層次間構(gòu)建虛擬化層，成為解除上下兩層間耦合關(guān)系的中間層。本文將從虛擬化的定義、類型和主要應(yīng)用技術(shù)幾方面進(jìn)行闡述。

二、虛擬化技術(shù)概述

（一）虛擬化的定義

“虛擬化”的概念很廣泛，很難清晰而精確的給出其定義。歸結(jié)起來，可以概括為以下三層含義：

虛擬化的對象是各種各樣的資源；經(jīng)過虛擬化后的邏輯資源對用戶隱藏了不必要的細(xì)節(jié)；用戶可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)七在真實環(huán)境中的部分或全部功能。

（二）虛擬化的類型

在虛擬化技術(shù)中，被虛擬的實體是多種多樣的資源，這些不同屬性類別之間的關(guān)系是交錯聯(lián)系的。

以實現(xiàn)層次劃分：硬件虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化。以被應(yīng)用的領(lǐng)域劃分：服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、桌面虛擬化。還有從以某類里衍生出來的，如CPU虛擬化、文件虛擬化等。

我們常用的虛擬化技術(shù)大致分為以下幾種類型：

1．基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化

我們可以將網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化這些支持?jǐn)?shù)據(jù)中心運行的基礎(chǔ)設(shè)施歸類為基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化為用戶提供了虛擬的網(wǎng)絡(luò)連接，包括局域網(wǎng)絡(luò)虛擬化和廣域網(wǎng)絡(luò)虛擬化，目前局域網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的代表是虛擬局域網(wǎng)（VLAN）；廣域網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的代表是虛擬專用網(wǎng)（VPN）。

存儲虛擬化為用戶提供一個整合的物理存儲設(shè)備邏輯接口，以便用戶訪問其存儲資源，主要有基于存儲設(shè)備的存儲虛擬化和基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化?；诖鎯υO(shè)備的存儲虛擬化典型代表是磁盤陣列技術(shù)（RAID）；基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化的典型代表是網(wǎng)絡(luò)附加存儲（NAS）和存儲區(qū)域網(wǎng)（SAN）。

2．系統(tǒng)虛擬化

在同一臺物理機(jī)上運行多個獨立的操作系統(tǒng)即為系統(tǒng)虛擬化，它實現(xiàn)了操作系統(tǒng)與物理計算機(jī)的分離。系統(tǒng)虛擬化的核心思想是使用虛擬化軟件在一臺物理機(jī)上虛擬出一臺或多臺虛擬機(jī)（VM），對于不同類型的系統(tǒng)虛擬化，其虛擬機(jī)運行環(huán)境的設(shè)計和實踐也是不盡相同的。

3．軟件虛擬化

除了上述兩種虛擬化技術(shù)，還有一種針對軟件的虛擬化環(huán)境，目前這類虛擬化技術(shù)主要包括應(yīng)用虛擬化和高級語言虛擬化。應(yīng)用虛擬化實現(xiàn)了應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的解耦合，用戶可以不局限于單一客戶端，而在不同終端上使用自己的應(yīng)用程序；高級語言虛擬化解決了程序在不同計算機(jī)系統(tǒng)間移植的問題。

三、虛擬化的實施步驟

可以想象，虛擬化技術(shù)為數(shù)據(jù)中心管理提供了諸多優(yōu)勢。一方面，它提升了基礎(chǔ)設(shè)備的利用率，實現(xiàn)了運行成本的最小化；另一方面，它可以通過整合應(yīng)用棧和即時應(yīng)用鏡像部署來實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理的高效敏捷。因此，如何在數(shù)據(jù)中心實施虛擬化和實施中的關(guān)鍵技術(shù)便成為了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的重點。

實施虛擬化的順序可以按其生命周期來簡單劃分為三個階段：創(chuàng)建、部署和管理。

1．創(chuàng)建階段

通常情況下，虛擬化的創(chuàng)建都是由服務(wù)提供商和集成商完成的。通過創(chuàng)建虛擬器件鏡像、發(fā)布虛擬器件鏡像、管理虛擬器件鏡像及遷移到虛擬化環(huán)境幾個步驟來實施。

2．部署階段

當(dāng)虛擬器件被創(chuàng)建、發(fā)布后，需要通過某種方式將它們部署到數(shù)據(jù)中心里，以便用戶使用。因此，就需要我們從規(guī)劃部署環(huán)境、部署虛擬器件、激活虛擬器件三個階段來進(jìn)行實施。

3．管理階段

數(shù)據(jù)中心的管理需要資源的自動化調(diào)度和與業(yè)務(wù)相關(guān)的智能，它既需要單個業(yè)務(wù)的自治管理，同時也需要一個負(fù)責(zé)全局控制和協(xié)調(diào)的中心節(jié)點對數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)和資源進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調(diào)度。如何為數(shù)據(jù)中心的管理和監(jiān)控提供便利條件成為這個階段急需解決的問題。集中監(jiān)控、快捷管理、動態(tài)優(yōu)化和高效備份這四個關(guān)鍵技術(shù)是解決數(shù)據(jù)中心管理的重要手段。

四、服務(wù)器虛擬化

（一）服務(wù)器虛擬化的概念

服務(wù)器虛擬化將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上，可以將一個服務(wù)器虛擬成多個服務(wù)器使用。例如，有多臺獨立的物理服務(wù)器，每臺服務(wù)器上都分別運行了不同的操作系統(tǒng)及應(yīng)用，這種傳統(tǒng)意義的服務(wù)器工作模式造成物理服務(wù)器的資源利用率低，管理復(fù)雜，維護(hù)也非常不便。當(dāng)采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)后，便可以在一臺物理服務(wù)器上虛擬出若干個虛擬服務(wù)器，同時服務(wù)器虛擬化也為虛擬服務(wù)器提供了虛擬硬件設(shè)施，并提供良好的隔離性和安全性。服務(wù)器虛擬化通過虛擬化軟件向上提供對硬件設(shè)備的抽象和對虛擬服務(wù)器的管理。服務(wù)器虛擬化的實現(xiàn)方式主要有兩種。其中寄宿虛擬化是完全依賴于宿主操作系統(tǒng)，性能較低，容易實現(xiàn)的方式；原生虛擬化則完全脫離了宿主操作系統(tǒng)，性能較高，且不易實現(xiàn)的方式。由于這兩種實現(xiàn)方式的產(chǎn)生，衍生出虛擬化軟件的兩個專用術(shù)語。其中虛擬機(jī)監(jiān)視器負(fù)責(zé)對虛擬機(jī)提供硬件資源抽象，為客戶操作系統(tǒng)提供運行環(huán)境；虛擬化平臺則負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的托管，直接運行在硬件之上，其實現(xiàn)直接受底層體系結(jié)構(gòu)的約束。無論采用何種方式實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化，它都具有多實例、隔離性、封裝性及高性能四個特性，以保證可以被有效地運用于實際環(huán)境中。

（二）服務(wù)器虛擬化的核心技術(shù)

服務(wù)器虛擬化必備的三種資源虛擬化為：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、設(shè)備與I／O虛擬化。

1．CPU虛擬化

CPU虛擬化技術(shù)把物理CPU抽象成虛擬CPU，任意時刻，一個物理CPU只能運行一個虛擬CPU指令。每個客戶操作系統(tǒng)可以使用一個或多個虛擬CPU，在各個操作系統(tǒng)之間，虛擬CPU的運行相互隔離，互不影響。

2．內(nèi)存虛擬化

內(nèi)存虛擬化技術(shù)把物理內(nèi)存統(tǒng)一管理，包裝成多個虛擬的物理內(nèi)存提供給若干虛擬機(jī)使用，每個虛擬機(jī)擁有各自獨立的內(nèi)存空間。

3．設(shè)備與I／O虛擬化

設(shè)備與I／O虛擬化技術(shù)把真實的設(shè)備統(tǒng)一管理起來，包裝成多個虛擬設(shè)備給若干個虛擬機(jī)使用，響應(yīng)每個虛擬機(jī)的設(shè)備訪問請求和I／O請求。目前主流的設(shè)備與I／O虛擬化都是通過軟件方式來實現(xiàn)的。

（三）服務(wù)器虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢

1．降低運營成本

服務(wù)器虛擬化降低了IT基礎(chǔ)設(shè)施的運營成本，令系統(tǒng)管理員擺脫了繁重的物理服務(wù)器、OS、中間件及兼容性的管理工作，減少人工干預(yù)頻率，使管理更加強(qiáng)大、便捷。

2．提高應(yīng)用兼容性

服務(wù)器虛擬化提供的封裝性和隔離性使大量應(yīng)用獨立運行于各種環(huán)境中，管理人員不需頻繁根據(jù)底層環(huán)境調(diào)整應(yīng)用，只需構(gòu)建一個應(yīng)用版本并將其發(fā)布到虛擬化后的不同類型平臺上即可。

3．加速應(yīng)用部署

采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)只需輸入激活配置參數(shù)、拷貝虛擬機(jī)、啟動虛擬機(jī)、激活虛擬機(jī)即可完成部署，大大縮短了部署時間，免除人工干預(yù)，降低了部署成本。

4．提高服務(wù)可用性

用戶可以方便地備份虛擬機(jī)，在進(jìn)行虛擬機(jī)動態(tài)遷移后，可以方便的恢復(fù)備份，或者在其他物理機(jī)上運行備份，大大提高了服務(wù)的可用性。

5．提升資源利用率

通過服務(wù)器虛擬化的整合，提高了CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的利用率，同時保證原有服務(wù)的可用性，使其安全性及性能不受影響。

6．動態(tài)調(diào)度資源

在服務(wù)器虛擬化技術(shù)中，數(shù)據(jù)中心從傳統(tǒng)的單一服務(wù)器變成了統(tǒng)一的資源池，用戶可以即時地調(diào)整虛擬機(jī)資源，同時數(shù)據(jù)中心管理程序和數(shù)據(jù)中心管理員可以靈活根據(jù)虛擬機(jī)內(nèi)部資源使用情況靈活分配調(diào)整給虛擬機(jī)的資源。

7．降低能源消耗

通過減少運行的物理服務(wù)器數(shù)量，減少CPU以外各單元的耗電量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

總之，虛擬化已成為智慧信息技術(shù)的重要支柱之一，是當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域備受矚目的概念，它勢必引起一場信息技術(shù)的變革，促使產(chǎn)業(yè)格局重新劃分、改變企業(yè)和個人使用信息資源的方式。

［1］虛擬化與云計算小組．虛擬化與云計算［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［2］魯松．計算機(jī)虛擬化技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．