張驍

一、服務(wù)器虛擬化相關(guān)要點

1.虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計算的基礎(chǔ)，起到資源池構(gòu)建的關(guān)鍵作用，虛擬化技術(shù)主要包括服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

2.服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化前每臺主機(jī)運行一個操作系統(tǒng)，軟件硬件緊密結(jié)合，在同一主機(jī)上運行多個應(yīng)用程序會遭遇沖突;服務(wù)器虛擬化后消除了操作系統(tǒng)和硬件的依賴，可通過虛擬機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)安全與故障隔離，其獨立于硬件， 能在任何硬件上運行。

3.虛擬機(jī)主要特征

分區(qū)：在一臺物理機(jī)上運行多個操作系統(tǒng)，即在虛擬機(jī)之間分配系統(tǒng)資源。

隔離：實現(xiàn)故障和安全隔離，保證安全性及可靠性。

封裝：虛擬機(jī)狀態(tài)可保存為文件，移動和復(fù)制虛擬機(jī)如同操作文件。

硬件獨立：虛擬機(jī)與硬件沒有相互依賴，可部署與遷移虛擬機(jī)到不同物理機(jī)。

4.虛擬化與熱遷移

服務(wù)器遷移分為冷遷移和熱遷移兩大類。冷遷移需要關(guān)閉或掛起服務(wù)器，因此其上的應(yīng)用要停止，冷遷移不需要主機(jī)處理器兼容，不需要共享存儲。熱遷移過程中虛擬機(jī)保持運行，其上的應(yīng)用不需要停止，熱遷移需要主機(jī)處理器兼容，需要共享存儲。借助虛擬化技術(shù)無需關(guān)閉物理主機(jī)，即可添加計算存儲等各類資源，當(dāng)物理服務(wù)器故障時可在其它物理服務(wù)器上自動重啟該虛擬機(jī)。

5.虛擬化與系統(tǒng)容錯

借助服務(wù)器虛擬化技術(shù)，可在不同的主機(jī)上同步運行相同的虛擬機(jī)，出現(xiàn)硬件故障時，所有虛擬機(jī)均可實現(xiàn)零宕機(jī)時間、零數(shù)據(jù)損失故障切換，無需集群同步或?qū)Ｓ没謴?fù)設(shè)備。

6.虛擬化與資源分配

借助虛擬化技術(shù)，可實現(xiàn)資源動態(tài)調(diào)度，達(dá)到應(yīng)用相關(guān)硬件資源按需分配。

二、服務(wù)器虛擬化常見架構(gòu)

1.寄生架構(gòu)

使用計算機(jī)之前，通常要先安裝操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)被稱為宿主操作系統(tǒng)（即Host OS）。采用虛擬機(jī)技術(shù)時，在操作系統(tǒng)之上再安裝一個虛擬機(jī)監(jiān)控程序（VMM），使用該VMM創(chuàng)建并管理虛擬機(jī)。因為VMM看起來像是“寄生”在操作系統(tǒng)上，因此這種后裝模式稱為寄生架構(gòu)。常見如Oracle公司的VirtualBox及VMware公司的VMware Workstation 都屬于寄生架構(gòu)的VMM。

2.裸金屬架構(gòu)

裸金屬架構(gòu)是指將VMM直接安裝在物理服務(wù)器之上，這種情況下無須先安裝操作系統(tǒng)。在安裝了VMM之后，再在VMM上安裝操作系統(tǒng)（如Windows、Linux等）。由于VMM看起來是直接安裝在物理計算機(jī)之上，所以稱為裸金屬架構(gòu)，常見的裸金屬架構(gòu)VMM如KVM、Xen、VMware ESX。有些觀點認(rèn)為裸金屬架構(gòu)VMM都是直接運行在物理硬件之上的，無須通過Host OS，其實并非如此。雖然裸金屬架構(gòu)VMM軟件大類上可以歸為應(yīng)用軟件范疇，但通常意義上的應(yīng)用軟件不具備直接對計算機(jī)硬件進(jìn)行調(diào)度管理的功能，下面通過分析Xen的工作流程進(jìn)行解釋說明。

Xen工作流程中有3個Domain。一些人在這里將Domain解釋為CPU狀態(tài)，這是因為在各類文檔中會讀到一些如“系統(tǒng)進(jìn)入Domain 0狀態(tài)”這樣的描述。相較于CPU狀態(tài)，Domain在虛擬化技術(shù)里而是更適合被翻譯為“域”，或者我們可以理解它就是一臺虛擬機(jī)。雖然Xen看起來像是直接運行于硬件之上，但Xen嚴(yán)重依賴于一個特殊的Domain，那就是Domain 0。Xen在發(fā)布其裸金屬版本的時候，里面包含了一個裁剪過的Linux內(nèi)核，它為Xen提供了除CPU調(diào)度和內(nèi)存管理之外的所有功能，包括硬件驅(qū)動、I/O、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)、進(jìn)程通信等操作系統(tǒng)所做的工作。如果Xen中沒有包含該Linux內(nèi)核，Xen將無法正常工作。這個Linux內(nèi)核就運行在Domain 0 之中，這也是為什么啟動裸金屬架構(gòu)Xen時要自動啟動Domain 0。通常基于裸金屬架構(gòu)的VMM中會內(nèi)嵌一個經(jīng)過修改過的Host OS，讀者若有興趣可自行對其它裸金屬架構(gòu)VMM進(jìn)行研究，此處不再展開。

三、非虛擬化服務(wù)器的主要問題

前面闡述了服務(wù)器虛擬化的常見架構(gòu)和主要特點，本節(jié)將對非虛擬化服務(wù)器的主要問題進(jìn)行簡要總結(jié)。

1.資源利用率低

由于每個時段的業(yè)務(wù)量不同，因此對服務(wù)器硬件資源需求也不同。非虛擬化服務(wù)器需要按照峰值業(yè)務(wù)對應(yīng)的服務(wù)器硬件需求進(jìn)行配置，大量時間資源利用率較低，考慮到雙機(jī)熱備和異地多活等策略，將造成服務(wù)器資源的巨大浪費。

2.擴(kuò)展性差

若業(yè)務(wù)應(yīng)用都獨占物理資源，即使一個業(yè)務(wù)應(yīng)用不使用時，也造成其它業(yè)務(wù)應(yīng)用無法使用。系統(tǒng)和應(yīng)用遷移到新的硬件需要和舊系統(tǒng)兼容。

3.效率及可用性低

新服務(wù)器和應(yīng)用部署時間長，影響服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時間，影響效率。系統(tǒng)維護(hù)升級或硬件資源擴(kuò)容時候需要服務(wù)器停機(jī)，造成業(yè)務(wù)中斷。

4.運維成本高

服務(wù)器數(shù)量日益增多，對數(shù)據(jù)中心的耗電、制冷、空間、網(wǎng)絡(luò)等消耗增加，從而造成資產(chǎn)、電力、人力成本增加。

四、服務(wù)器虛擬化收益分析

1.直接收益

減少硬件投資：由于服務(wù)器虛擬化可以使得多個操作系統(tǒng)共享硬件資源，因此會直接減少物理服務(wù)器的數(shù)量，虛擬化后的服務(wù)器數(shù)量通常降到原有服務(wù)器數(shù)量的五分之一或更少，極大節(jié)省服務(wù)器采購成本;由于存儲的共享性提高，對存儲設(shè)備的投資也明顯節(jié)省;服務(wù)器和存儲減少帶來的機(jī)房空間占用減少、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡化等都將節(jié)省相應(yīng)成本。

降低運行維護(hù)成本：硬件的減少降低了硬件的維護(hù)和服務(wù)費用，并且?guī)砹诉\營費用的降低，包括：機(jī)柜購買、設(shè)備及制冷用電等。

提高數(shù)據(jù)中心響應(yīng)能力：數(shù)據(jù)中心的管理從原來的縱向分割式多線管理變成了橫向統(tǒng)一管理，硬件人員專注于總體計算負(fù)載能力，軟件人員專注于業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器，服務(wù)器的使用和分配更加方便;采用動態(tài)數(shù)據(jù)中心技術(shù)后，為邏輯服務(wù)器分配計算能力的工作可以自動化完成，大大提高了企業(yè)數(shù)據(jù)中心的響應(yīng)能力。

提高業(yè)務(wù)連續(xù)性和災(zāi)備能力：采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)可以大大提高服務(wù)器的業(yè)務(wù)連續(xù)性和災(zāi)難備份能力，企業(yè)不用再因為服務(wù)器維護(hù)而終止業(yè)務(wù)運行，所有的服務(wù)器之間都具備了在線備份能力;數(shù)據(jù)集中管理更加安全，同時也使得異地災(zāi)備也變得更加實時方便。

2. 間接收益

服務(wù)器虛擬化技術(shù)使得服務(wù)器資源管理調(diào)度更有效、數(shù)據(jù)中心更低碳智能，無形中將為企業(yè)帶來巨大間接收益。

綜上，隨著對服務(wù)器需求的日益增加，服務(wù)器的利用和管理相關(guān)問題更加突出，服務(wù)器虛擬化技術(shù)正是解決該問題的有效方案。