郭清溥 張桂香

河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，鄭州 450002

云計(jì)算中的虛擬技術(shù)

郭清溥 張桂香

河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，鄭州 450002

云計(jì)算是分布式處理、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等概念的發(fā)展和商業(yè)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是計(jì)算、存儲、服務(wù)器、應(yīng)用軟件等IT軟硬件資源的虛擬化?，F(xiàn)在，整個IT環(huán)境已逐步向云計(jì)算時代跨越，虛擬化技術(shù)也從最初的側(cè)重于整合數(shù)據(jù)中心內(nèi)的資源，發(fā)展到可以跨越IT架構(gòu)實(shí)現(xiàn)包括資源、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和桌面在內(nèi)的全系統(tǒng)虛擬化。

云計(jì)算；核心技術(shù)；虛擬化

1 云計(jì)算的框架

云計(jì)算（cloud computing），是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬資源和信息可以按需提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。通俗的說就是，云計(jì)算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器集群上的資源，它包括硬件資源（服務(wù)器、存儲器、CPU等）和軟件資源（如應(yīng)用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等），本地計(jì)算機(jī)只需要通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個需求信息，遠(yuǎn)端就會有成千上萬的計(jì)算機(jī)為你提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計(jì)算機(jī)。這樣，本地計(jì)算機(jī)幾乎不需要做什么，所有的處理都由云計(jì)算提供商所提供的計(jì)算機(jī)群來完成。

云計(jì)算的出現(xiàn)，改變了信息服務(wù)的提供方式。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴(kuò)展的，并且可以隨時獲取，隨時擴(kuò)展或縮小，按需使用，計(jì)量付費(fèi)。

目前，云計(jì)算的主要服務(wù)形式有：SaaS(Software as a Service)，PaaS(Platform as a Service)，IaaS(Infrastructure as a Service)。

1.1 軟件即服務(wù)(SaaS)

SaaS服務(wù)提供商將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務(wù)器上，用戶根據(jù)需求通過互聯(lián)網(wǎng)向廠商訂購應(yīng)用軟件服務(wù)，服務(wù)提供商根據(jù)客戶所定軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費(fèi)，并且通過瀏覽器向客戶提供軟件的模式。這種服務(wù)模式的優(yōu)勢是，由服務(wù)提供商維護(hù)和管理軟件、提供軟件運(yùn)行的硬件設(shè)施，用戶只需擁有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的終端，即可隨時隨地使用軟件。這種模式下，客戶不再像傳統(tǒng)模式那樣花費(fèi)大量資金在硬件、軟件、維護(hù)人員等方面，而只需要支出一定的租賃服務(wù)費(fèi)用，通過互聯(lián)網(wǎng)就可以享受到相應(yīng)的硬件、軟件和維護(hù)服務(wù)，這是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最具效益的營運(yùn)模式。對于小型企業(yè)來說，SaaS是采用先進(jìn)技術(shù)的最好途徑。

以企業(yè)管理軟件來說，SaaS模式的云計(jì)算ERP可以讓客戶根據(jù)并發(fā)用戶數(shù)量、所用功能多少、數(shù)據(jù)存儲容量、使用時間長短等不同組合按需支付服務(wù)費(fèi)用，既不用支付軟件許可費(fèi)用，也不需要支付采購服務(wù)器等硬件設(shè)備費(fèi)用，不需要支付購買操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等平臺軟件費(fèi)用，不需要承擔(dān)軟件項(xiàng)目定制、開發(fā)、實(shí)施費(fèi)用，不需要承擔(dān)IT維護(hù)部門開支費(fèi)用。

1.2 平臺即服務(wù)(PaaS)

把開發(fā)環(huán)境作為一種服務(wù)來提供。這是一種分布式平臺服務(wù)，廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺、硬件資源等服務(wù)給客戶，用戶在其平臺基礎(chǔ)上定制開發(fā)自己的應(yīng)用程序并通過其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他客戶。PaaS能夠給企業(yè)或個人提供研發(fā)的中間件平臺，提供應(yīng)用程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、試驗(yàn)、托管及應(yīng)用服務(wù)。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)

IaaS是把廠商的由多臺服務(wù)器組成的“云端”基礎(chǔ)設(shè)施，作為計(jì)量服務(wù)提供給客戶。它將內(nèi)存、I/O設(shè)備、存儲和計(jì)算能力整合成一個虛擬的資源池為整個業(yè)界提供所需要的存儲資源和虛擬化服務(wù)器等服務(wù)。這是一種托管型硬件方式，用戶付費(fèi)使用廠商的硬件設(shè)施。

IaaS的優(yōu)點(diǎn)是用戶只需低成本硬件，按需租用相應(yīng)計(jì)算能力和存儲能力，大大降低了用戶在硬件上的開銷。

2 云計(jì)算中的核心技術(shù)

云計(jì)算是分布式處理、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等概念的發(fā)展和商業(yè)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是計(jì)算、存儲、服務(wù)器、應(yīng)用軟件等IT軟硬件資源的虛擬化，云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)用了許多技術(shù)，其中以虛擬化、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、并行編程、云計(jì)算平臺管理等方面具有自身獨(dú)特的技術(shù)。

2.1 虛擬化技術(shù)

通過虛擬化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，它包括將單個資源劃分成多個虛擬資源的裂分模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。虛擬化技術(shù)根據(jù)對象可分成存儲虛擬化、計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

2.2 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

云計(jì)算系統(tǒng)由大量服務(wù)器組成，同時為大量用戶服務(wù)，因此云計(jì)算系統(tǒng)采用分布式存儲的方式存儲數(shù)據(jù)，用冗余存儲的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性。云計(jì)算系統(tǒng)中廣泛使用的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是Google的GFS（Google File System）和Hadoop團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源系統(tǒng)HDFS（Hadoop Distributed File System）。

2.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計(jì)算需要對分布的、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠高效的管理大量的數(shù)據(jù)。云計(jì)算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT(Big Table)數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團(tuán)隊(duì)開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBase。

2.4 并行編程技術(shù)

MapReduce是Google開發(fā)的Java、Python、C++編程模型，它是一種簡化的分布式編程模型和高效的任務(wù)調(diào)度模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運(yùn)算。嚴(yán)格的編程模型使云計(jì)算環(huán)境下的編程十分簡單。MapReduce模式的思想是將要執(zhí)行的問題分解成Map(映射)和Reduce(化簡)的方式，先通過Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計(jì)算機(jī)處理，達(dá)到分布式運(yùn)算的效果，再通過Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯整輸出。

2.5 平臺管理技術(shù)

云計(jì)算資源規(guī)模龐大，服務(wù)器數(shù)量眾多并分布在不同的地點(diǎn)，同時運(yùn)行著數(shù)百種應(yīng)用，如何有效的管理這些服務(wù)器，保證整個系統(tǒng)提供不間斷的服務(wù)是巨大的挑戰(zhàn)。

云計(jì)算系統(tǒng)的平臺管理技術(shù)能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便的進(jìn)行業(yè)務(wù)部署和開通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化的手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運(yùn)營。

3 虛擬化技術(shù)

隨著企業(yè)的成長，業(yè)務(wù)和應(yīng)用不斷增加，IT系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，帶來高能耗、數(shù)據(jù)中心空間緊張、IT系統(tǒng)總體擁有成本過高等問題；而現(xiàn)有服務(wù)器、存儲系統(tǒng)等設(shè)備又沒有充分被利用起來，資源極度浪費(fèi)；IT基礎(chǔ)架構(gòu)對業(yè)務(wù)需求反映不夠靈活，不能有效地調(diào)配系統(tǒng)資源適應(yīng)業(yè)務(wù)需求。因此，企業(yè)需要建立一種可以降低成本、具有智能化和安全特性、并能夠與當(dāng)前的業(yè)務(wù)環(huán)境相適應(yīng)的靈活、動態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用環(huán)境，以更為快速地響應(yīng)業(yè)務(wù)環(huán)境的變化，并且降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本。

虛擬化技術(shù)是一種調(diào)配計(jì)算資源的方法，它將應(yīng)用系統(tǒng)的不同層面——硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、存儲等一一隔離開來，從而打破數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用中的物理設(shè)備之間的劃分，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)動態(tài)化，并達(dá)到集中管理和動態(tài)使用物理資源及虛擬資源，以提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的彈性和靈活性，降低成本、改進(jìn)服務(wù)、減少管理風(fēng)險等目的。

計(jì)算機(jī)的虛擬化使單個計(jì)算機(jī)看起來像多個計(jì)算機(jī)或完全不同的計(jì)算機(jī)，從而提高資源利用率并降低IT成本。而后，隨著IT架構(gòu)的復(fù)雜化和企業(yè)應(yīng)用計(jì)算需求的急劇加大，虛擬化技術(shù)發(fā)展到了使多臺計(jì)算機(jī)看起來像一臺計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理、調(diào)配和監(jiān)控。比如說服務(wù)器聚合(Server Aggregation)或網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)。現(xiàn)在，整個IT環(huán)境已逐步向云計(jì)算時代跨越，虛擬化技術(shù)也從最初的側(cè)重于整合數(shù)據(jù)中心內(nèi)的資源，發(fā)展到可以跨越IT架構(gòu)實(shí)現(xiàn)包括資源、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和桌面在內(nèi)的全系統(tǒng)虛擬化，進(jìn)而提高靈活性。

現(xiàn)在，當(dāng)整個IT界正處于逐漸步入云計(jì)算時代的過程中，單個虛擬化技術(shù)雖然都為企業(yè)在IT方面帶來了收益，但是人們更看重的是基于所面對的各自不同的獨(dú)特環(huán)境發(fā)展出一個適合自己的全面的虛擬化戰(zhàn)略。我們需要考慮的是將所有可用的虛擬化技術(shù)作為一個整體來考慮和組合，以使從中產(chǎn)生的效益最大化。也就是說在云計(jì)算環(huán)境下，所有虛擬化解決方案都是集服務(wù)器、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件及服務(wù)于一體的系統(tǒng)整合方案。它們包括了硬件資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施虛擬化、應(yīng)用虛擬化、桌面虛擬化等多種虛擬化技術(shù)的多個層面，并根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境靈活地將若干層面組合以實(shí)現(xiàn)不同模式虛擬化方案。

在這種云環(huán)境下的整體虛擬化戰(zhàn)略中，我們可以利用虛擬化技術(shù)提供的多種機(jī)制，在無需重要的硬件和物理資源擴(kuò)展的前提下，通過不同的方案快速模擬不同的環(huán)境和試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)先構(gòu)建操作IT系統(tǒng)、應(yīng)用程序、提高安全性以及實(shí)現(xiàn)管理環(huán)境的目的，便于以后以更為簡化和有效的方式將它們投入到生產(chǎn)環(huán)境中，進(jìn)而提供更大的靈活性，并迅速確定潛在的沖突。同時，我們可以利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)將大量分散的、沒有得到充分利用的物理服務(wù)器工作負(fù)荷，整合到獨(dú)立的、聚合的、數(shù)量較少的物理服務(wù)器上，甚至使一臺單一的大型網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)取代數(shù)以百計(jì)甚至于計(jì)較小的服務(wù)器并使其在長時間內(nèi)在高利用率下運(yùn)行，從而更好地管理IT成本、最大化能源效率及提高資源利用率。我們還會利用存儲虛擬化技術(shù)來支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多種多樣的磁盤存儲系統(tǒng)，通過將存儲容量整合到一個存儲資源池中，幫助IT系統(tǒng)簡化存儲基礎(chǔ)架構(gòu)，對信息進(jìn)行生命周期管理并維護(hù)業(yè)務(wù)持續(xù)性。當(dāng)然，我們還會利用應(yīng)用及桌面虛擬化技術(shù)提供應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化功能，降低創(chuàng)建、管理和運(yùn)行企業(yè)應(yīng)用程序及SOA環(huán)境所需的運(yùn)營和能源成本，并達(dá)成提高靈活性和敏捷性，確保業(yè)務(wù)流程完整性，以改進(jìn)服務(wù)，提高應(yīng)用程序性能并更好地管理應(yīng)用程序運(yùn)行狀況等目的。除此之外，虛擬化的系統(tǒng)管理及監(jiān)控服務(wù)還能幫助我們通過一個共同的接入點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控和管理包括系統(tǒng)和軟件在內(nèi)的所有的虛擬和物理資源，并提供完全的跨企業(yè)服務(wù)管理，減少支持多種類型服務(wù)器所需管理工具的數(shù)量。

4 結(jié)語

虛擬化打開了云計(jì)算的大門，而云計(jì)算帶給大家的從本質(zhì)上講正是虛擬化服務(wù)。從虛擬化到云計(jì)算的過程，我們實(shí)現(xiàn)了跨系統(tǒng)的資源動態(tài)調(diào)度，將大量的計(jì)算資源組成IT資源池，用于動態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源供給用戶使用，從而最云計(jì)算深刻改變未來終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、數(shù)據(jù)和IT資源以服務(wù)的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶，并以前所未見的高速和富有彈性的方式來完成任務(wù)。

我們正在經(jīng)歷一場發(fā)生在IT內(nèi)外地邁向云計(jì)算時代的巨大變革，而推動這場變革的正是由不斷發(fā)展的虛擬化技術(shù)所帶來的從組件走向?qū)蛹壢缓笞呦蛸Y源池的過程。云計(jì)算是虛擬化的最高境界，虛擬化是云計(jì)算的底層結(jié)構(gòu)。

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.039

河南省軟科學(xué)資助項(xiàng)目：云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究，項(xiàng)目編號：112400450478

郭清溥（1963-），男，河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。

張桂香（1971-），女，河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用。