虚拟化技术在企业的应用

第1章虚拟化技术在企业的应用1.1虚拟化技术的现状与发展趋势1.1.1虚拟化的定义虚拟化（Virtualization）是一个广义的术语，简单来说，是指计算机相关模块在虚拟的基础上而不是真实的独立的物理硬件基础上运行，这种把有限的固定的资源根据不同需求进行重新规划以达到最大利用率的思路，从而实现简化管理，优化资源等目的的解决方案，就叫做虚拟化技术。以下是一些业界标准组织对虚拟化的定义。“虚拟化是以某种用户和应用程序都可以很容易从中获益的方式来表示计算机资源的过程，而不是根据这些资源的实现、地理位置或物理包装的专有方式来表示它们。换句话说，它为数据、计算能力、存储资源以及其他资源提供了一个逻辑视图，而不是物理视图。”——JonathanEunice，IlluminataInc。“虚拟化是表示计算机资源的逻辑组（或子集）的过程，这样就可以用从原始配置中获益的方式访问它们。这种资源的新虚拟视图并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制。”——Wikipedia“虚拟化：对一组类似资源提供一个通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过一种通用的方式来查看并维护资源。”——OpenGridServicesArchitectureGlossaryofTerms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逐渐出现在基于行业标准的中低端服务器上。然而，虚拟化技术的内涵远远不止于虚拟服务器。目前，我们已经有了网络虚拟化、CPU虚拟化、和存储虚拟化等技术。如果我们在一个更广泛的环境中或从更高级的抽象来思考虚拟化技术，虚拟化技术就变成了一个非常强大的概念，可以为最终用户、应用程序和企业提供很多帮助。1.1.2虚拟化的发展历史1.虚拟化技术的萌芽上世纪60年代开始，美国的计算机学术界就有了虚拟技术思想的萌芽。1959年克里斯托弗（ChristopherStrachey）发表了一篇学术报告，名为《大型高速计算机中的时间共享》（TimeSharinginLargeFastComputers），他在文中提出了虚拟化的基本概念，这篇文章也被认为是虚拟化技术的最早论述。L.W.Comeau和R.J.Creasy创造性地设计了一种名为CP-40的新型操作系统，该操作系统实现了虚拟内存和虚拟机。2.20世纪60-70年代：虚拟化技术在大型机上的实现虚拟化技术在20世纪60年代首次出现，由IBM率先实施：对大型机进行逻辑分区以形成若干独立虚拟机的一种方式。这些分区允许大型机进行“多任务处理”：同时运行多个应用程序和进程。原因是当时大型机是十分昂贵的资源，因此设计了虚拟化技术来进行分区，作为一种充分利用投资的方式，解决了大型机的僵化和使用率不足的情况。1965年8月，IBM推出System/360Model67和TSS分时共享系统（TimeSharingSystem），通过虚拟机监视器（VirtualMachineMonitor）虚拟所有的硬件接口，允许很多远程用户共享同一高性能计算设备的使用时间。在IBM内部，Model67与另一个被称为CP-67的系统配合使用，以保证使用一台360/67模仿多台不同型号的计算机。同年还发布了M44/44X计算机项目，定义了虚拟内存管理机制，用户程序可以运行在虚拟的内存中，对于用户来说，这些虚拟内存就好像一个个虚拟机，为多个用户的程序提供了独立的计算环境。1972年，IBM发布用于创建灵活大型主机的虚拟机（VM）技术，该技术可根据动态的需求快速而有效地使用各种资源。一批新的拥有虚拟化功能的产品涌现了出来，这些机器在当时都具有虚拟机功能，通过一种叫VMM（虚拟机监控器）的技术在物理硬件之上生成了很多可以运行独立操作系统软件的虚拟机实例。3.20世纪80-90年代：虚拟化技术在小型机上的实现在20世纪80年代和90年代，由于客户端-服务器应用程序以及价格低廉的x86服务器和台式机组成了分散的计算机架构，大型机上的虚拟化技术处于停滞不前的状态。由于虚拟化技术技术在商业应用上的优势，RISC服务器与小型机成为了虚拟化技术第二代受益者。，IBM公司在AS/400上提出了上逻辑分区（LPAR）技术和新的高可用性集群解决方案。在POWER管理程序上运行的AS/400LPAR令单台服务器工作起来如同12个独立的服务器。随后这项技术还应用在了IBMRS/6000服务器(后来的pSeries服务器)上。4.21世纪：虚拟化技术在x86服务器上的实现20世纪90年代Windows的广泛使用以及Linux作为服务器操作系统的出现奠定了x86服务器的行业标准地位。x86服务器和桌面部署的增长带来了新的IT基础架构和运作难题。这些难题包括：基础架构利用率低：根据市场调研公司美国国际数据集团(InternationalDataCorporation,IDC)的报告，典型的x86服务器部署平均达到的利用率仅为总容量的10%到15%。组织通常在每台服务器上运行一个应用程序，以避免出现一个应用程序中的漏洞影响同一服务器上其他应用程序的可用性的风险。物理基础架构成本日益攀升：为支持不断增长的物理基础架构而需要的运营成本稳步攀升。大多数计算基础架构都必须时刻保持运行，因此耗电量、制冷和设施成本不随利用率水平而变化。IT管理成本不断攀升：随着计算环境日益复杂，基础架构管理人员所需的专业教育水平和经验以及此类人员的相关成本也随之增加。组织在与服务器维护相关的手动任务方面花费过多的时间和资源，因而也需要更多的人员来完成这些任务。故障切换和灾难保护不足：关键服务器应用程序停机和关键最终用户桌面不可访问对组织造成的影响越来越大。安全攻击、自然灾害、流行疾病以及恐怖主义的威胁使得对桌面和服务器进行业务连续性规划显得更为重要。最终用户桌面的维护成本高昂：企业桌面的管理和保护带来了许多难题。在不影响用户有效工作的能力的情况下控制分布式桌面环境并强制实施管理、访问和安全策略，实现起来十分复杂且成本高昂。必须不断地对桌面环境应用数目众多的修补程序和升级以消除安全漏洞。在早期，由于x86计算机性能的低下和推广程度有限，以上问题并未突出。随着技术的发展，以上矛盾日益尖锐，基于x86体系结构的计算机开始出现了20世纪60年代大型机经历过的同样问题：缺乏灵活性和未得到充分利用以及上述提到的一系列问题。针对以上问题，VMware公司在1999年推出了针对x86系统的虚拟化技术，旨在解决上述很多难题，并将x86系统转变成通用的共享硬件基础架构，以便使应用程序环境在完全隔离、移动性和操作系统方面有选择的空间。5.今天：百花齐放的虚拟化技术在20世纪，虚拟化技术基本上都是服务器虚拟化，进入了21世纪，随着IT的发展，虚拟化的思路被借用到服务器以外的领域(包括存储，网络，桌面应用等)，形成了各种各样的虚拟化技术。存储虚拟化技术：所谓虚拟存储技术，就是把各种不同的存储设备有机的结合起来使用，从而得到一个容量很大的“存储池”，可以给各种服务器进行灵活的使用，并且数据可以在各存储设备间灵活转移，这就称之为虚拟存储。存储虚拟化的基本概念是将实际的物理存储实体与存储的逻辑表示分离开来，应用服务器只与分配给它们的逻辑卷（或称虚卷）打交道，而不用关心其数据是在哪个物理存储实体上。逻辑卷与物理实体之间的映射关系，是由安装在应用服务器上的卷管理软件（称为主机级的虚拟化），或存储子系统的控制器（称为存储子系统级的虚拟化），或加入存储网络SAN的专用装置（称为网络级的虚拟化）来照管的。主流的虚拟存储技术厂商和产品有EMC的Invista,IBM的SVC,HDS的UPS等。服务器虚拟化技术的进一步发展：就算是在历史悠久的服务器硬件虚拟化方面，在RISC领域，IBM还更进一步，其2002年发布的AIX5Lv5.2还首次包括了IBM实现的动态逻辑分区（DLPAR）。DLPAR允许在无需重启系统的情况下，将包括处理器、内存和其它组件在内的系统资源分配给独立的分区。这种在不中断运行的情况下进行资源分配的能力不仅令系统管理变得更加轻松，而且因为能够更好地使用资源而帮助降低总拥有成本。应用虚拟化技术：在桌面应用来看，开始出现了应用虚拟化(也称为桌面虚拟化)的技术，该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，客户端无需安装软件，通过网络连接到应用服务器上，计算逻辑从本地迁移到后台的服务器完成，实现应用的快速交付和统一管理。网络虚拟化技术：在网络方面，虚拟设备，如虚拟交换的出现就是网络虚拟化最好的体现。企业网络管理者通过在交换机上开启虚拟交换机，从而实现虚拟化共享IT资源并将它们按需求分配给特定的任务，使用户可以用更少的物理资源满足应用需求。同时很多网络技术诸如帧中继、逻辑分区和RAID等都可使用虚拟化。虚拟化正在通过新的方式被用于数据中心，使网络功能得以巩固自动完成。1.1.3虚拟化的优势和传统IT资源分配的应用方式相比，虚拟化有以下优势：虚拟化技术可以大大提高资源的利用率为了达到资源的最大利用，虚拟化把一个硬件虚拟成多个硬件，这里的一个硬件指的不是一个个体，而是有多个个体组成的一组资源，例如可以将多个硬盘组成阵列，将多个硬盘视为计算机的硬盘部分。用户将许多资源组成一个庞大的、计算能力十分巨大的“巨型计算机”，再将这个巨型计算机虚拟成多个独立的系统，这些系统相互独立，但共享资源，这就是虚拟化的精髓。传统的IT企业为每一项业务应用部署一台单独的服务器，服务器的规模通常是针对峰值配置，服务器规模（处理能力）远远大于服务器的平均负载，服务器在大部分时间处于空闲状态，资源得不到最大利用。虚拟化技术能够动态调用空闲资源，减小服务器规模，提高资源利用率。提供相互隔离、安全、高效的应用执行环境用户可以在一台计算机上模拟多个系统，多个不同的操作系统，虚拟系统下的各个子系统相互独立，即使一个子系统遭受攻击而崩溃，也不会对其他系统造成影响，而且，在使用备份机制后，子系统可以被快速的恢复。同时，应用执行环境简单易行，大大提高了工作效率，降低总体投资成本。采用虚拟化技术后，虚拟化系统能够方便的管理和升级资源传统的IT服务器资源是硬件相对独立的个体，对每一个资源都要进行相应的维护和升级，会耗费企业大量的人力和物力，虚拟化系统将资源整合，在管理上十分方便，在升级时只需添加动作，避开传统企业进行容量规划、定制服务器、安装硬件等工作，提高了工作效率。1.2现有虚拟化技术的分析与对比现有的较成熟的虚拟化技术主要分为服务器虚拟化(也称为操作系统虚拟化)，存储虚拟化，网络虚拟化，应用虚拟化(也称为桌面虚拟化)四种。1.2.1服务器虚拟化服务器虚拟化是虚拟化技术最早细分出来，最成熟的领域。在2006年2月ForresterResearch的调查，全球范围的企业对服务器虚拟化的认知率就达到了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。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。服务器虚拟化按实现原理来分，主要分为基于CPU的虚拟化，基于硬件的虚拟化，以及基于操作系统的虚拟化，详述如下：1.2.1.1基于CPU的虚拟化在Intel，AMD等厂商的设计蓝图中，CPU的虚拟化技术的最终目标是可以单CPU模拟多CP