用一个创业故事串起操作系统原理

Posted popsuper1982

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了用一个创业故事串起操作系统原理相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

上一节我们说到,马哥的公司现在接个千万级别的项目没有任何问题,但是投资人说,要想冲一把上市,还差点劲,目前的项目虽然大,但是想象力不够丰富。

第十二回:亿级项目创品牌,战略合作遵协议

马哥突然想到,西部有一个智慧城市的打单,金额几个亿,绝对标杆性质的。如果能够参与其中,应该是很有想象力的事情。

可是,甲方明确地说,“整个智慧城市的建设体系非常的大,一家公司做不下来,需要多家公司合作才能完成。你们有多家公司合作的经验和机制吗?“

马哥咬牙说道:“当然有!“先应下来再说呗,可是这心里是真没底。原来公司都是独自接单,现在要和其他公司合作,协议怎么签,价格怎么谈呢?

马哥找到鲁肃。鲁肃说:“我给你推荐一个人吧!这个人人脉广,项目运作能力强,叫陆逊,说不定能帮上忙。“

鲁肃找来陆逊。陆逊说:“这个好办。公司间合作嘛,就是条款谈好,利益分好就行,关键是大家要遵守行规。大家都按统一的规则来,事情就好办。“

这其实就像机器与机器之间合作,一台机器将自己想要表达的内容,按照某种约定好的格式发送出去。当另外一台机器收到这些信息后,也能够按照约定好的格式解析出来,从而准确、可靠地获得发送方想要表达的内容。这种约定好的格式就是网络协议。

现在业内知名的有两种网络协议模型,一种是OSI的标准七层模型,一种是业界标准的TCP/IP模型。它们的对应关系如下图所示:

             

我们先从第三层网络层开始,因为这一层有我们熟悉的IP地址,所以这一层我们也叫IP层。

连接到网络上的每一个设备都至少有一个IP地址,用于定位这个设备。无论是近在咫尺的、你旁边同学的电脑,还是远在天边的电商网站,都可以通过IP地址进行定位。因此,IP地址类似互联网上的邮寄地址,是有全局定位功能的。

就算你要访问美国的一个地址,也可以从你身边的网络出发,通过不断地打听道儿,经过多个网络,最终到达目的地址,和快递员送包裹的过程差不多。打听道儿的协议也在第三层,我们称为路由协议。将网络包从一个网络转发给另一个网络的设备,我们称为路由器。

总而言之,第三层干的事情,就是网络包从一个起始的IP地址,沿着路由协议指的道儿,经过多个网络,通过多次路由器转发,到达目标IP地址。

从第三层,我们往下看。第二层是数据链路层。有时候我们简称为二层或者MAC层。所谓MAC,就是每个网卡都有的唯一的硬件地址(不绝对唯一,相对大概率唯一即可,类比UUID)。这虽然也是一个地址,但是这个地址是没有全局定位功能的。

就像给你送外卖的小哥,不可能根据手机尾号找到你家,但是手机尾号有本地定位功能的,只不过这个定位主要靠“吼“。外卖小哥到了你的楼层就开始大喊:“尾号xxxx的,你外卖到了!“

MAC地址的定位功能局限在一个网络里面,也即同一个网络号下的IP地址之间,可以通过MAC进行定位和通信。从IP地址获取MAC地址要通过ARP协议,是通过在本地发送广播包,也就是“吼“,获得的MAC地址。

由于同一个网络内的机器数量有限,通过MAC地址的好处就是简单。匹配上MAC地址就接收,匹配不上就不接收,没有什么所谓路由协议这样复杂的协议。当然坏处就是,MAC地址的作用范围不能出本地网络,所以一旦跨网络通信,虽然IP地址保持不变,但是MAC地址每经过一个路由器就要换一次。

所以第二层干的事情,就是网络包在本地网络中的服务器之间定位及通信的机制。

我们再往下看第一层,物理层。这一层就是物理设备。例如,连着电脑的网线,我们能连上的WiFi。

从第三层往上看,第四层是传输层,这里面有两个著名的协议,TCP和UDP。尤其是TCP,更是广泛使用,在IP层的代码逻辑中,仅仅负责数据从一个IP地址发送给另一个IP地址,丢包、乱序、重传、拥塞,这些IP层都不管。处理这些问题的代码逻辑写在了传输层的TCP协议里面。

我们常说,TCP是可靠传输协议,也是难为它了。因为从第一层到第三层都不可靠,网络包说丢就丢,是TCP这一层通过各种编号、重传等机制,让本来不可靠的网络对于更上层来讲,变得“看起来”可靠。哪有什么应用层的岁月静好,只不过是TCP层在负重前行。

传输层再往上就是应用层,例如,咱们在浏览器里面输入的HTTP,Java服务端写的Servlet,都是这一层的。

二层到四层都是在Linux内核里面处理的,应用层例如浏览器、nginx、Tomcat都是用户态的。内核里面对于网络包的处理是不区分应用的。

从四层再往上,就需要区分网络包发给哪个应用。在传输层的TCP和UDP协议里面,都有端口的概念,不同的应用监听不同的端口。例如,服务端Nginx监听80、Tomcat监听8080;再如客户端浏览器监听一个随机端口,FTP客户端监听另外一个随机端口。

应用层和内核互通的机制,就是通过Socket系统调用。所以经常有人会问,Socket属于哪一层,其实它哪一层都不属于,它属于操作系统的概念,而非网络协议分层的概念。

操作系统对于网络协议的实现模式是这样的:二到四层的处理代码在内核里面,七层的处理代码让应用自己去做。两者需要跨内核态和用户态通信,就需要一个系统调用完成这个衔接,这就是Socket。

如果公司想要和其他公司沟通,我们将请求封装为HTTP协议,通过Socket发送到内核。内核的网络协议栈里面,在TCP层创建用于维护连接、序列号、重传、拥塞控制的数据结构,将HTTP包加上TCP头,发送给IP层,IP层加上IP头,发送给MAC层,MAC层加上MAC头,从硬件网卡发出去。

最终网络包会被转发到目标服务器,它发现MAC地址匹配,就将MAC头取下来,交给上一层。IP层发现IP地址匹配,将IP头取下来,交给上一层。TCP层会根据TCP头中的序列号等信息,发现它是一个正确的网络包,就会将网络包缓存起来,等待应用层的读取。

应用层通过Socket监听某个端口,因而读取的时候,内核会根据TCP头中的端口号,将网络包发给相应的应用。

             

这样一个大项目中,各个公司都按协议来,别说两家公司合作,二十家也没有问题。

于是陆逊带着马哥,到甲方那里,将自己的方案,以及和其他公司的合作模式讲述清楚。马哥成功入围。

这次参与竞标的公司可不少,马哥公司的竞争力和专业性一点都不差,最后终于拿下了智慧生态合作平台的建设部分。这下不得了,一提马哥的公司,业内无人不知,无人不晓,大家纷纷称呼他为“马总“。

第十三回:公司大了不灵活,鼓励创新有妙招

慢慢地,马总发现,公司大有大的好处,自然也有大的毛病,也就是咱们常见的“大公司病“——不灵活。

这里面的不灵活,就像Linux服务器,越来越强大的时候,无论是计算、网络、存储,都越来越牛。例如,内存动不动就是百G内存,网络设备一个端口的带宽就能有几十G甚至上百G。存储在数据中心至少是PB级别的,自然也有不灵活的毛病。

资源大小不灵活:有时候我们不需要这么大规格的机器,可能只想尝试一下某些新业务,申请个4核8G的服务器试一下,但是不可能采购这么小规格的机器。无论每个项目需要多大规格的机器,公司统一采购就限制几种,全部是上面那种大规格的。

资源申请不灵活:规格定死就定死吧,可是每次申请机器都要重新采购,周期很长。

资源复用不灵活:反正我需要的资源不多,和别人共享一台机器吧,这样不同的进程可能会产生冲突,例如socket的端口冲突。另外就是别人用过的机器,不知道上面做过哪些操作,有很多的历史包袱,如果重新安装则代价太大。

按说,大事情流程严禁没问题,很多小事情也要被拖累走整个流程,而且很容易出现资源冲突,每天跨部门的协调很累人,历史包袱严重,创新没有办法轻装上阵。

很多公司处理这种问题采取的策略是成立独立的子公司,独立决策,独立运营。这种办法往往会用在创新型的项目上。

Linux也采取了这样的手段,就是在物理机上面创建虚拟机。每个虚拟机有自己单独的操作系统、灵活的规格,一个命令就能启动起来。每次创建都是新的操作系统,很好地解决了上面不灵活的问题。

在物理机上的操作系统看来,虚拟机是一个普通的应用,他和Excel一样,只能运行在用户态。但是对于虚拟机里面的操作系统内核来讲,运行在内核态,应该有高的权限。

要做到这件事情,第一种方式,完全虚拟化。其实说白了,这是一种“骗人”的方式。虚拟化软件会模拟假的CPU、内存、网络、硬盘给到虚拟机,让虚拟机里面的内核自我感觉良好,感觉他终于又像个内核了。在Linux上,一个叫作qemu的工具可以做到这一点。

qemu向虚拟机里面的客户机操作系统模拟CPU和其他的硬件,骗客户机,GuestOS认为自己和硬件直接打交道,其实是同qemu模拟出来的硬件打交道,qemu会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从qemu里面过一手,因而性能就会比较差。

第二种方式,硬件辅助虚拟化。可以使用硬件CPU的Intel-VT和AMD-V技术,需要CPU硬件开启这个标志位(一般在Bios里面设置)。当确认开始了标志位之后,通过内核模块KVM,GuestOS的CPU指令将不用经过Qemu转译,直接运行,大大提高了速度。qemu和KVM融合以后,就是qemu-kvm。

             

第三种方式称为半虚拟化。对于网络或者硬盘的访问,我们让虚拟机内核加载特殊的驱动,重新定位自己的身份。虚拟机操作系统的内核知道自己不是物理机内核,没那么高的权限。他很可能要和很多虚拟机共享物理资源,所以学会了排队。虚拟机写硬盘其实写的是一个物理机上的文件,那我的写文件的缓存方式是不是可以变一下。我发送网络包,根本就不是发给真正的网络设备,而是给虚拟的设备,我可不可以直接在内存里面拷贝给它,等等等等。

网络半虚拟化方式是virtio_net,存储是virtio_blk。客户机需要安装这些半虚拟化驱动。客户机内核知道自己是虚拟机,所以会直接把数据发送给半虚拟化设备,然后经过特殊处理(例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式),最终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。

有了虚拟化的技术,公司的状态改观了不少,在主要的经营方向之外,公司还推出了很多新的创新方向,都是通过虚拟机创建子公司的方式进行的,例如跨境电商、工业互联网、社交等。一方面,能够享受大公司的支持;一方面,也可以和灵活的创业公司进行竞争。

于是,公司就变成集团公司了。

第十四回:独占鳌头定格局,上市敲钟责任重

随着公司越来越大,钱赚的越来越多,马总的公司慢慢从行业的追随者,变成了领导者。这一方面,让马总觉得“会当凌绝顶,一览众山小“;另一方面,马总也觉得“高处不胜寒“。原来公司总是追着别人跑,产业格局,市场格局从来不用自己操心,只要自己的公司能赚钱就行。现在做了领头羊,马总也就慢慢成了各种政府论坛、产业论坛,甚至国际论坛的座上宾。

穷则独善其身,达则兼济天下。马总的决策可能关系到产业的发展、地方的GDP和就业,甚至未来的国际竞争力。因此,即便是和原来相同的事情,现在来做,方式和层次都不一样了。

就像对于单台Linux服务器,最重要的四种硬件资源是CPU、内存、存储和网络。面对整个数据中心成千上万台机器,我们只要重点关注这四种硬件资源就可以了。如果运维数据中心依然像的运维一台台物理机的前辈一样,天天关心哪个程序放在了哪台机器上,使用多少内存、多少硬盘,每台机器总共有多少内存、多少硬盘,还剩多少内存和硬盘,那头就大了。

对于数据中心,我们需要一个调度器,将运维人员从指定物理机或者虚拟机的痛苦中解放出来,实现对于物理资源的统一管理,这就是Kubernetes,也就是数据中心的操作系统。

             

对于CPU和内存这两种计算资源的管理,我们可以通过Docker技术完成。

容器实现封闭的环境主要要靠两种技术,一种是看起来是隔离的技术,称为namespace。在每个namespace中的应用看到的,都是不同的 IP地址、用户空间、进程ID等。另一种是用起来是隔离的技术,称为cgroup,即明明整台机器有很多的 CPU、内存,但是一个应用只能用其中的一部分。

另外,容器里还有镜像。也就是说,在你焊好集装箱的那一刻,将集装箱的状态保存下来的样子。就像孙悟空说“定!”,集装箱里的状态就被“定”在了那一刻。然后,这一刻的状态会被保存成一系列文件。无论在哪里运行这个镜像,都能完整地还原当时的情况。

通过容器,我们可以将CPU和内存资源,从大的资源池里面隔离出来,并通过镜像技术,在数据中心里面实现计算资源的自由漂移。

没有操作系统的时候,汇编程序员需要指定程序运行的CPU和内存物理地址。同理,数据中心的管理员,原来也需要指定程序运行的服务器以及使用的CPU和内存。现在,Kubernetes里面有一个调度器Scheduler,你只需要告诉它,你想运行10个4核8G的Java程序,它会自动帮你选择空闲的、有足够资源的服务器,去运行这些程序。

对于存储,无论是分布式文件系统和分布式块存储,需要对接到Kubernetes,让Kubernetes管理它们。如何对接呢?Kubernetes会提供CSI接口。这是一个标准接口,不同的存储可以实现这个接口来对接Kubernetes。是不是特别像设备驱动程序呀?操作系统只要定义统一的接口,不同的存储设备的驱动实现这些接口,就能被操作系统使用了。

对于网络,也是类似的机制,Kubernetes同样是提供统一的接口CNI。无论你用哪种方式实现网络模型,只要对接这个统一的接口,Kubernetes就可以管理容器的网络。

到此,有了这套鼎定市场格局的策略,作为龙头企业,马总的公司终于可以顺利上市敲钟,走向人生巅峰。从此,江湖人称“马爸爸“。

好了,马同学的创业故事就讲到这里了,操作系统的原理也给你串了一遍。你是否真的记住了这些原理呢?试着将这个创业故事讲给你的朋友听吧!

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