分布式与云计算系统第3章

虚拟化技术–浅析虚拟化与云计算–常见厂商虚拟化产品介绍–虚拟化的类型–虚拟化的定义–VMware服务器虚拟化解决方案介绍虚拟化从何而来？发展历史？何为虚拟化？虚拟化从何而来？发展历史？目前的IT设备应用现状–全球最过剩的资源是计算资源，计算机利用率严重不足，全球计算资源的平均利用率仅为9％。–—计算机调查研究–《报告》显示，通过政府网站发布公告、新闻、政策等信息比例超过60%的网站，仅占全部政府网站的44.5%，发布比例低于20%的网站占全部政府网站的21.7%，政府网站的利用率不足50％。–—国务院信息化工作办公室–尽管我们需要越来越多数量及功能强大的计算机，可是我们却不得不承认，现有的计算机资源利用率是非常低的。且不说机器在晚上基本上是闲置，就是工作的时间里，我们的计算机的资源利用率也是非常低的990%的服务器90%的时间CPU占用率低于10%919-9-1原则（现在）（20世纪60年代）（20世纪80--90年代）---虚拟机技术出现于上世纪60年代，当时为了提高对珍贵的计算资源的利用率促使虚拟机技术得到了广泛的研究和应用。----到了80和90年代，多任务多用户操作系统的普及以及硬件成本下降使虚拟机技术无法发挥其优势，人们冷却了对它的研究热情。---现在，在计算机硬件强大性能的前提下，如何降低系统成本、提高系统资源利用率、降低管理成本，如何提高安全性和可靠性、增强可移植性以及提高软件开发效率等课题使虚拟机技术的重要性越来越明显。使虚拟机技术重新成为计算机技术研究的焦点之一。何为虚拟化？虚拟化是指计算机元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，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。虚拟化是一个广义的术语，是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行，是一个为了简化管理，优化资源的解决方案图3-1虚拟化前后的计算机系统体系结构，其中，VMM代表虚拟机监视器业界对虚拟化的定义含义：1、虚拟化的对象是各种各样的资源；2、经过虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必要的细节；3、用户可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部分或者全部功能*虚拟化的含义和目标*目标：1、对包括基础设施、系统和软件等IT资源的表示、访问和管理进行简化，并为这些资源提供标准的接口来接收和提供输出；2、降低了资源使用者和资源具体实现之间的耦合程度，让使用者不再依赖于资源的某种特定实现。–虚拟化的类型虚拟化专用名词虚拟机（VM）虚拟机监视层VMM（virtualMachineMonitor）HostOS/GuestOSVMM必须满足的三个条件:第一，VMM应该为程序提供与原始硬件机器基本一致的环境；第二，运行在该环境中的程序的性能损失应较低；第三，系统资源应处于VMM的完全控制之中。（同质、资源受控、高效）虚拟化核心技术：CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化CPU虚拟化内存虚拟化I/O虚拟化系统虚拟化可虚拟化架构不可虚拟化架构A、把物理CPU抽象成虚拟CPU，任何时刻一个物理CPU只能运行一个虚拟CPU的指令；B、物理机的真实物理内存统一管理，包装成多个虚拟机的物理内存给若干虚拟机使用,使得每个虚拟机拥有独立的内存空间；C、把物理机的设备统一管理,包装成多个虚拟设备给若干个虚拟机使用，响应每个虚拟机的设备访问请求和I/O请求虚拟化分区技术完全虚拟化技术准虚拟化技术抽象仿真虚拟机服务器虚拟化桌面虚拟化网络虚拟化存储虚拟化应用虚拟化分区技术这种虚拟化技术是最早诞生的，原因是当时人们想要提高大型机的利用率。（硬件）分区技术是将硬件资源划分成数个分区，每个分区享有独立的CPU、内存，并安装独立的操作系统。抽象仿真虚拟机这种虚拟机的典型实例是Java虚拟机。它们在实际的计算机上通过软件模拟来实现一些抽象的指令，拥有自己的处理器、堆栈、寄存器和相应的指令系统等。完全虚拟化技术该技术不再对底层硬件资源进行划分，而是拥有一个统一的宿主系统。该宿主可以是一个传统操作系统，也可以是一个vMM，其上可以安装多个未经更改的客户操作系统(GuestOs)。其代表实例有vmware系列、微软的virtualPC等。这种虚拟技术以xen为代表，它在硬件上覆盖一层xenHypervisor，并需要修改操作系统的内核。准虚拟化技术虚拟机不知道自己是“虚拟机”虚拟机知道自己是“虚拟机”虚拟化服务器虚拟化桌面虚拟化网络虚拟化存储虚拟化应用虚拟化网络虚拟化存储虚拟化为物理的存储设备提供一个抽象的逻辑视图，用户可以通过这个视图中的统一逻辑接口来访问被整合的存储资源应用虚拟化服务器虚拟化将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，我们不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力--------这就是服务器的虚拟化。桌面虚拟化桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，在数据中心的服务器上进行服务器虚拟化，生成大量的独立的桌面操作系统（虚拟机或者虚拟桌面），同时根据专有的虚拟桌面协议发送给终端设备。用户终端通过以太网登陆到虚拟主机上，只需要记住用户名和密码及网关信息，即可随时随地的通过网络访问自己的桌面系统，从而实现单机多用户。桌面虚拟化架构–虚拟桌面是基于桌面虚拟化架构（VirtualDesktopInfrastructure,VDI）提供的可远程访问的桌面，即服务器为每个用户分配一个虚拟机（安装WindowsXP、Windows7等桌面操作系统），用户远程访问自己的虚拟机，并可拥有独立、完全的桌面使用和控制权限。VDI虚拟桌面的优势数据安全性高，虚拟桌面的存储和执行都集中在数据中心，终端不保存任何用户数据；完整的桌面体验，每位用户具有独立的操作系统，有独立分配的CPU内存资源，使用方式与物理PC无差异；业务连续性好，由于后台采用了虚拟化技术，虚拟桌面可以在任何可用物理服务上载入运行，降低业务使用风险；隔离性好，不同用户有自己的独立的、个性化的桌面，用户在自己桌面的任何改动不影响其他用户桌面，某一个桌面损坏不会影响其它桌面；集中管理，系统部署和维护集中在后台数据中心，可以严格控制桌面的标准化。适用场景–VDI方式适用于个性化需求比较强的OA桌面办公、研发等多种场景，由于跟外设及应用兼容性好，特别适用于营业厅和OA桌面办公。–常见厂商虚拟化产品介绍三大主流虚拟化厂商–主攻虚拟化领域十多年–是全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商–主要产品：–VMware-ESX-Server–VMware-GSX-Server（现叫VMwareServer）–VMware-WorkStation–VMwarevSphere4–WindowsServer2008Hyper-V–MicrosoftHyper-VServer2008R2–MicrosoftVirtualServer2005R2–VirtualPC–XenDesktop–XenServer（免费）–VMware服务器虚拟化解决方案介绍–满足高峰应用–100单位计算资源–满足高峰应用–100单位计算资源–满足高峰应用–100单位计算资源–一共需要300单位–服务器配置选型–无法控制的成本增加–Exchange–OperatingSystem–VPN–OperatingSystem–File/Print–OperatingSystem–CRM–OperatingSystem•硬件投资成本大•资源利用率低•服务器功耗大•新应用上线时间长•业务连续性差–服务器的百分比–主时间–高峰时间–20%–40%–60%–80%–0%–CPU利用率•当前服务器利用率很低–为未使用的计算资源买单0.04.08.012.0200420052006200720082009年度单位(M)–x86服务器采购量/年–需要管理的服务器数量不断增长–服务器部署：20%–杂项30%–安全：10%–支持：20%–备份和监视：15%–在低价值的任务上花费了太多的时间，例如采购和调配–数据中心管理效率低–系统管理员如何使用他们的时间–低价值任务–硬件采购：5%–除了硬件的成本，服务器对空间的不断侵占还带来了管理成本的增长–费用（以十亿美元为单位）–管理和管制成本–服务器费用–50–100–150–0–200–100%–X86服务器应用现状VMware服务器虚拟化的基础概念虚拟化前:–每台主机一个操作系统–软件硬件紧密地结合–在同一主机上运行多个应用程序通常会遭遇沖突–系统的资源利用率低–硬件成本高昂而且不够灵活虚拟化后:–打破了操作系统和硬件的互相倚賴–通过封装到到虚拟机的技术,管理操作系统和应用程序为单一的个体–強大的安全和故障隔离–虚拟机是独立于硬件的,它们能在任何硬件上运行VMware虚拟技术的四大特性相对于硬件独立无需修改即可在任何服务器上运行虚拟机分区在单一物理服务器上同时运行多个虚拟机隔离在同一服务器上的虚拟机之间相互隔离封装整个虚拟机都保存在文件中，而且可以通过移动和复制这些文件的方式来移动和复制该虚拟机例如：ESXServer依赖虚拟层内核代理和帮助应用的服务控制台VMware虚拟化架构例如：GSXServer,VMwareServer,Workstation安装和运行应用程序依赖于主机操作系统对设备的支持和物力资源的管理寄居架构（HostedArchitecture）裸金属架构(“BareMetal”Architecture)VMware运行流程如下：1.用户对虚拟出来的操作系统（Windows、Linux、Solaris等）进行常规操作，比如在Linux命令下：ps–ef|grepftpd2.Linux会解析这条命令的含义，然后传给底层，在虚拟环境中，所谓的底层就是VMware的ESX3.VMware把系统的指令转换成自己认知的虚拟化指令4.再在用户给限定的系统资源分配情况下，执行这条命令5.结果返回给用户。服务器虚拟技术由来x86服务器虚拟技术发展及应用推力–36服务器整合–满足各应用错位高峰叠加值–100单位计算资源–100单位计算资源–一共需要200单位–错位叠加后对资源的消耗–37资源池化，共享–OperatingSystem–Exchange–OperatingSystem–虚拟化层–OperatingSystem–VPN–OperatingSystem–虚拟化层–OperatingSystem–File/Print–OperatingSystem–虚拟化层–OperatingSystem–CRM–OperatingSystem–虚拟化层–虚拟层–连接部件池–CPU池–内存池–存储池–传统数据中心视图–虚拟架构视图–38–虚拟架构–连接部件池–CPU池–内存池–存储池CRMOperatingSystemCRMOperatingSystemVPNOperatingSystemVPNOperatingSystemFile/PrintOperatingSystemFile/PrintOperatingSystemExchangeOperatingSystemExchangeOperatingSystemCRMOperatingSystemCRMOperatingSystemVPNOperatingSystemVPNOperatingSystemFile/PrintOperatingSystemFile/PrintOperatingSystemExchangeOperatingSystemExchangeOperatingSystem资源池化，共享–39–整合提高硬件使用率–虚拟化之前–虚拟化之后–虚拟化使得低利用率的服务器负载整合到一台服务器，–安全可靠地达到很高的硬件利用率–40–快速统一部署服务器整合前整合后