虚拟化的主流技术介绍

Posted 2021-05-02 架构师社区

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虚拟化，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机上可以运行不同的操作系统，并且应用程序都可以相互独立的空间内运行而互不影响，显著提高计算机的工作效率。

虚拟化实现了用软件的方法重新划分和定义了IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高IT资源的利用率，使资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

虚拟化的目的就是要对IT基础设施进行简化，可以简化对资源以及对资源管理的访问。现在主流的虚拟化技术有：CPU虚拟化、网络虚拟化、服务器虚拟化、存储虚拟化和应用虚拟化。下面我们来主要介绍一下这几种虚拟化技术的基本原理：

CPU虚拟化

通俗来讲，CPU虚拟化就是用单个CPU模拟出多个并行的CPU，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，原因是纯软件虚拟化解决方案存在很多限制 。“客户”操作系统很多情况下是通过VMM(Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)来与硬件进行通信，由VMM来决定其对系统上所有虚拟机的访问。(注意，大多数处理器和内存访问独立于VMM，只在发生特定事件时才会涉及VMM，如页面错误。)。在纯软件虚拟化解决方案中，VMM在软件套件中的位置是传统意义上操作系统所处的位置。如处理器、内存、存储、显卡和网卡等)的接口，模拟硬件环境。这种转换必然会增加系统的复杂性。支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能。

虚拟化技术可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM软件能够改进纯软件解决方案。由于虚拟化硬件可提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，从而无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写，性能更加强大。另外，在纯软件VMM中，目前缺少对64位客户操作系统的支持，而随着64位处理器的不断普及，这一严重缺点也日益突出。而CPU的虚拟化技术除支持广泛的传统操作系统之外，还支持64位客户操作系统。

虚拟化技术是一套解决方案。完整的情况需要CPU、主板芯片组、Bios和软件的支持，例如VMM软件或者某些操作系统本身。即使只是CPU支持虚拟化技术，在配合VMM的软件情况下，也会比完全不支持虚拟化技术的系统有更好的性能。

英特尔自2005年末开始便在其处理器产品线中推广应用英特尔Virtualization Technology(Intel VT)虚拟化技术。目前，英特尔已经发布了具有Intel VT虚拟化技术的一系列处理器产品，包括桌面平台的Pentium 4 6X2系列、Pentium D 9X0系列和Pentium EE 9XX系列，还有Core Duo系列和Core Solo系列中的部分产品，以及服务器/工作站平台上的Xeon LV系列、Xeon 5000系列、Xeon 5100系列、Xeon MP 7000系列以及Itanium 2 9000系列；同时绝大多数的Intel下一代主流处理器，包括Merom核心移动处理器，Conroe核心桌面处理器，Woodcrest核心服务器处理器，以及基于Montecito核心的Itanium 2高端服务器处理器都将支持Intel VT虚拟化技术。

而AMD方面也已经发布了支持AMD Virtualization Technology(AMD VT)虚拟化技术的一系列处理器产品，包括Socket S1接口的Turion 64 X2系列以及Socket AM2接口的Athlon 64 X2系列和Athlon 64 FX系列等等，并且绝大多数的AMD下一代主流处理器，包括即将发布的Socket F接口的Opteron都将支持AMD VT虚拟化技术。

网络虚拟化

网络虚拟化是目前业界关于虚拟化细分领域界定最不明确，存在争议较多的一个概念。微软眼中的“网络虚拟化”，是指虚拟专用网络 (VPN)。VPN 对网络连接的概念进行了抽象，允许远程用户访问组织的内部网络，就像物理上连接到该网络一样。网络虚拟化可以帮助保护 IT环境，防止来自 Internet 的威胁，同时使用户能够快速安全的访问应用程序和数据。

但是思科（Cisco）不那么认为。出身、成名且目前称霸于网络的思科公司，当然在对IT未来的考虑上以网络为核心。它认为在理论上，网络虚拟化能将任何基于服务的传统客户端/服务器安置到“网络上”。那么，这意味着可以让路由器和交换机执行更多的服务，自然，思科在业界的重要性和生意额都将大幅增加。思科表示网络虚拟化由三个部分组成： 访问控制、路径提取，以及服务优势。从思科的产品规划图上看，该公司的路由器和交换机将拥有诸如安全、存储、VoIP、移动和应用等功能。 对思科而言，他们的战略是通过扩大网络基础设备的销售来持续产生盈利。 而对用户来讲，这能帮助他们提高网络设备的价值，并调整原有的网络基础设备。

对于网络阵营的另一巨头，3Com公司在网络虚拟化方面的动作比思科更大。3Com的路由器中可以插入一张工作卡。 该卡上带有一套全功能的Linux服务器，可以和路由器中枢相连。在这个Linux服务器中，你可以安装诸如sniffer、VoIP、安全应用等等。此外，该公司还计划未来在Linux卡上运行VMware，以让用户运行Windows Server。 3Com的这个开源网络虚拟化活动名为3Com ON(又名开放式网络)。

现在，网络虚拟化依然处于初期的萌芽阶段，但在人类网络信息化飞速需求的现在，我们有理由相信它的突破和成长将是飞速的。

服务器虚拟化

与网络虚拟化不同，服务器虚拟化却是虚拟化技术最早细分出来的子领域。根据2006年2月Forrester Research的调查，全球范围的企业对服务器虚拟化的认知率达到了75%。三分之一的企业已经在使用或者准备部署服务器虚拟化。这个产生于20世纪60年代的技术日益显示出其重要价值。由于服务器虚拟化发展时间长，应用广泛，所以很多时候人们几乎把服务器虚拟化等同于虚拟化。

关于服务器虚拟化的概念，各个厂商有自己不同的定义，然而其核心思想是一致的，即它是一种方法，能够通过区分资源的优先次序并随时随地能将服务器资源分配给最需要它们的工作负载来简化管理和提高效率，从而减少为单个工作负载峰值而储备的资源。

似乎与所有颠覆性技术一样，服务器虚拟化技术先是悄然出现，然后突然迸发，最终因为节省能源的合并计划而得到了认可。如今，许多公司使用虚拟技术来提高硬件资源的利用率，进行灾难恢复、提高办公自动化水平。本组文章分别从服务器、存储、应用程序和桌面虚拟化技术三个角度介绍了如何消除物理硬件的限制。

有了虚拟化技术，用户可以动态启用虚拟服务器（又叫虚拟机），每个服务器实际上可以让操作系统（以及在上面运行的任何应用程序）误以为虚拟机就是实际硬件。运行多个虚拟机还可以充分发挥物理服务器的计算潜能，迅速应对数据中心不断变化的需求。

虚拟化概念并不是新概念。早在20世纪70年代，大型计算机就一直在同时运行多个操作系统实例，每个实例也彼此独立。不过直到最近，软硬件方面的进步才使得虚拟化技术有可能出现在基于行业标准的大众化x86服务器上。

微软于2004年底宣布了其Virtual Server 2005计划。与其他服务器虚拟化技术一样，Virtual Server 2005允许用户对服务器进行分区，以使这些服务器能够支持多个操作系统和应用。计划于2005年面市的Virtual Server建立在去年年初时通过购买Connectix而获得的技术基础之上，该软件可以在Windows、Linux和Mac OS服务器及工作站上运行。

微软宣布Windows Server 2008发行版将包括虚拟化服务器 (WSV)的测试版在内，Windows Server 2008是微软最新的服务器操作系统，可在一个服务器上虚拟化多种操作系统，如Windows、Linux 等等。服务器操作系统内置的虚拟化技术和更加简单灵活的授权策略，获得前所未有的易用性优势并降低成本。借助Terminal Services Gateway 和 Terminal Services RemoteApp ，可轻松进行远程访问并与本地桌面应用程序进行集成，还可实现在无需 VPN 的情况下，安全无缝地部署应用程序。

另外，在服务器虚拟化技术方面走得比较靠前的应该是IBM和HP等服务器厂商。这两家公司在虚拟化领域也非常积极，在最新的RISC架构服务器及最新版的操作系统中，都嵌入了虚拟化技术。

存储虚拟化

所谓虚拟存储，就是把多个存储介质模块（如硬盘、RAID）通过一定的手段集中管理起来，所有的存储模块在一个存储池（Storage Pool）中得到统一管理，从主机和工作站的角度，看到就不是多个硬盘，而是一个分区或者卷，就好象是一个超大容量（如1T以上）的硬盘。这种可以将多种、多个存储设备统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统，就称之为虚拟存储。　　

随着信息业务的不断运行和发展，存储系统网络平台已经成为一个核心平台，大量高价值数据积淀下来，围绕这些数据的应用对平台的要求也越来越高，不光是在存储容量上，还包括数据访问性能、数据传输性能、数据管理能力、存储扩展能力等等多个方面。可以说，存储网络平台的综合性能的优劣，将直接影响到整个系统的正常运行。因为这个原因，虚拟化技术又一子领域——虚拟存储技术，应运而生。

随着计算机技术以及相关信息处理技术的不断发展，人们对存储的需求越来越大。这样的需求刺激了各种新技术的出现，比如磁盘性能越来越好、容量越来越大。但是在大量的大中型信息处理系统中，单个磁盘是不能满足需要，这样的情况下存储虚拟化技术就发展起来了。在这个发展过程中也由几个阶段和几种应用。首先是磁盘条带集（RAID，可带容错）技术，将多个物理磁盘通过一定的逻辑关系集合起来，成为一个大容量的虚拟磁盘。而随着数据量不断增加和对数据可用性要求的不断提高，又一种新的存储技术应运而生，那就是存储区域网络（SAN）技术。

SAN的广域化则旨在将存储设备实现成为一种公用设施，任何人员、任何主机都可以随时随地获取各自想要的数据。目前讨论比较多的包括iSCSI、 FC Over IP 等技术，由于一些相关的标准还没有最终确定，但是存储设备公用化、存储网络广域化是一个不可逆转的潮流。

应用虚拟化

应用虚拟化是将应用程序与OS进行解耦合，为应用程序提供了一个虚拟的运行环境。在这个环境中，不仅包括应用程序的可执行文件，还包括应用程序运行时所需的运行环境。从本质上来说，应用虚拟化就是把应用最底层的系统和硬件的依赖给抽象出来，可以解决版本不兼容等问题。

应用虚拟化，其技术原理是基于应用/服务器计算A/S架构，采用类似虚拟终端的技术，把应用程序的人机交互逻辑（应用程序界面、键盘及鼠标的操作、音频输入输出、读卡器、打印输出等）与计算逻辑隔离开来。在用户访问一个服务器虚拟化后的应用时，用户计算机只需要把人机交互逻辑传送到服务器端，服务器端为用户开设独立的会话空间，应用程序的计算逻辑在这个会话空间中运行，把变化后的人机交互逻辑传送给客户端，并且在客户端相应设备展示出来，从而使用户获得如同运行本地应用程序一样的访问感受。

前面几种虚拟化技术，主要还专注于对硬件平台资源的虚拟优化分配，随着IT应用的日益广泛，应用虚拟化作为虚拟化家族的明日之星登上了历史舞台。2006年7月由Forrester咨询公司在美国对各种不同行业的高层IT管理人员所做的一项研究显示，当今的机构现在将应用虚拟化当作是业务上的一个必由之路，而不是一个IT决策。据统计，全世界目前至少有超过18万个机构在利用应用虚拟化技术进行集中IT管理、加强安全性和减少总体成本。

尽管在过去十年间虚拟技术有了迅速的发展，但现实情况是，当需要使用应用系统的时候，我们仍然把自己的思维局限在电脑机箱之内。从键盘、鼠标、麦克风或扫描仪接收用户输入的设备，通常也是处理和存储数据、通过对显示器、打印机和扬声器的输出来进行响应的同一设备。然而，随着虚拟化概念的发展和变化，“应用虚拟化”成为一个正在迅速发展的市场。

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