前言
各種研究機構、組織、廠商對服務器虛擬化均有自己不同的定義，然而其核心思想是一致的，即它是一種方法，能夠通過區分優先次序并能隨時隨地將服務器資源分配給最需要它們的工作負載，來簡化管理和提高效率，從而減少為單個工作負載峰值而儲備的資源。服務器虛擬化是一種對服務器計算資源的抽象化，它在物理服務器的基礎上構建多個相互獨立的虛擬服務器，從而將CPU、內存、vo等服務器物理資源轉化為一組統一管理、可靈活調度、動態分配的邏輯資源。
不管云計算以IaaS，PaaS，SaaS的哪種業務形式出現，都需要基礎的計算能力資源。在云計算的計算能力構建過程中，通過服務器虛擬化技術，將服務器硬件資源虛擬成一個整體的邏輯資源池，這個邏輯資源池能配置運行多個業務應用，而且能根據應用的實際需要動態地分配邏輯資源，這種按需分配的模式和動態資源調整的能力能最大幅度地提高服務器資源的利用率。虛擬化技術的這種特點契合了云計算的本質，因此虛擬化是云計算的重要技術要素。
云計算中不可避免地需要使用服務器虛擬化技術，本文就服務器虛擬化的技術要點、服務器虛擬化應具備的功能要素等方面進行探討。
1 云計算為什么需要服務器虛擬化
IT技術的發展可以簡略地劃分為3個時代。第一代是靜態的IT，所有計算能力資源由系統獨享;第二代是共享的IT，主要體現在計算能力的共享，但計算資源不能動態調整;第三代則是云計算，所有的信息和數據都在動態的架構上，不僅實現技術能力的共享，還可以實現計算資源的調整)。
計算資源包括服務器資源、存儲資源、網絡資源等，其中重點在于實現服務器資源的虛擬化。若要實現服務器的“按需服務”，就一定要讓服務器變成動態的，而這都要看服務器在虛擬化方面的能力，虛擬化是動態的基礎，只有在虛擬化的環境下，云計算才有可能。
利用服務器虛擬化技術，將現有服務器物理資源抽象成一個擁有巨大計算能力的“云”資源池，應用系統運行時可以動態調用這個“池”中的所有資源)這樣，按照峰值設計服務器資源中浪費掉的那部分就被充分地利用起來了，服務器資源的利用率能提高到60%-80%，這與現有IT系統評價5%-10%的資源利用率形成巨大反差，我們僅需要原來服務器大約25%的資源即可滿足信息系統運行需求，節省了約75%的服務器運營成本。
圖1是一個典型的云計算平臺邏輯層次圖。在此架構下，由大量虛擬服務器所構成的虛擬化的硬件平臺共同托起了全部軟件層所提供的服務。在虛擬化與云計算共同構成的這樣一個整體的架構中，虛擬化有效地分離了硬件與軟件，而云計算則讓人們將精力更加集中在軟件所提供的服務上。
云計算必定是虛擬化的，虛擬化給云計算提供了堅定的基礎。但是虛擬化的用處并不僅限于云計算，這只是它強大功能中的一部分。
虛擬化給云計算所帶來的好處是多方面的，主要包括以下幾點。
a)效率。將原本一臺服務器的資源分配給了數臺虛擬化的服務器，有效地利用了閑置資源，確保企業應用程序發揮出最高的可用性和性能。
b)隔離。雖然虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源.但它們彼此之間仍然是完全隔離的，就像它們是不同的物理計算機一樣因此，在可用性和安全性方面，虛擬環境中運行的應用程序之所以遠優于在傳統的非虛擬化系統中運行的應用程序，隔離就是一個重要的原因。
c)可靠。虛擬服務器是獨立于硬件進行工作的，通過改進災難恢復解決方案提高了業務連續性，當一臺服務器出現故障時可在最短時間內恢復且不影響整個集群的運作，在整個數據中心實現高可用性。
d)成本。降低了部署成本，只需要更少的服務器就可以實現需要更多服務器才能做到的事情，也問接降低了安全等其他方面的成本。
e)兼容。所有的虛擬服務器都與正常的Xg6系統相兼容，可部署多套不同的系統，將因兼容性造成問題的可能性降至最低。
f)便于管理提高了服務器/管理員比率，一個管理員可以輕松管理比以前更多的服務器而不會造成更大的負擔。
2 常見虛擬化層次
服務器虛擬化允許具有不同操作系統的多個虛擬機在同一物理機上獨立并行運行。每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件(例如RAM ，CPU、網卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統和應用程序。無論實際采用了什么物理硬件組件，操作系統都將它們視為一組一致、標準化的硬件。
虛擬化技術并非云計算時代首創，虛擬化的概念在20世紀60年代首次出現，利用它可以對屬于稀有而昂貴資源的大型機硬件進行分區。隨著時間的推移，小型服務器和PC可更經濟地滿足計算能力需求，因此到20世紀80年代，虛擬技術已不再廣泛使用。到了20世紀90年代，計算能力需求的激增使得研究人員開始探索如何利用虛擬化技術解決與龐大的IT系統相關的一些問題，例如，利用率不足、管理成本不斷攀升和易受攻擊等、現在.虛擬化技術處于時代前沿、
圖1云計算平臺歲輯層次
按照虛擬化實現的要求，虛擬化技術應具備以下技術要點。
a)在一個物理系統中可以支持多個應用程序和操作系統。
b)可在擴展或擴張體系結構中將服務器整合到虛擬機中。
c)計算資源被視為以可控方式分配給虛擬機的統一資源池。
d)虛擬機與主機和其他虛擬機完全隔離，如果一個虛擬機崩潰，所有其他虛擬機不會受到影響。
s)虛擬機之間不會泄露數據，而且應用程序只能通過配置的網絡連接進行通信。
f)完整的虛擬機環境保存為單個文件，便于進行備份、移動和復制。
g)為應用程序提供標準化的虛擬硬件，可保證兼容性。
h)整合多余硬件和提高服務器利用率。
目前服務器虛擬化中的實現層次類別可以分為硬件層虛擬化、邏輯層虛擬化、軟件層虛擬化。
a)硬件層虛擬化。硬件層虛擬化指服務器硬件提供結構支持幫助創建虛擬機監視并允許客戶機操作系統獨立運行，不需要操作系統支持。可直接對硬件資源進行劃分，任一分區內的操作系統和硬件故障不影響其他分區。
b)邏輯層虛擬化。邏輯虛擬化是指在系統硬件和操作系統之間以軟件和固件的形式將硬件資源進行虛擬化。不需要操作系統支持，任一分區的操作系統故障不影響其他分區。
c)軟件層虛擬化。軟件虛擬化是指在主操作系統上運行一個虛擬層軟件，可以安裝多種客戶操作系統，任何一個客戶系統的故障不影響其他用戶的操作系統，需要主操作系統支持。
目前云計算中一般采用廉價的x86服務器構建資源池，也有部分系統根據其需求采用中高檔服務器構建資源池，而軟件層虛擬化技術使用較少。
相對硬件虛擬模式而言，邏輯虛擬模式會占用一定比例的系統資源。目前大中型服務器采用硬件虛擬化;A1X和HP-UX上的虛擬效率在90%以上，虛擬化損耗約為5%;而x86架構一般采用邏輯虛擬化，虛擬效率則在80%左右，虛擬化損耗大約為20%。
3 虛擬化技術探討
在云計算的實現中，上述虛擬化技術類別均有涉及，服務器虛擬化實現技術主要是分區(包括硬分區或軟分區，也稱物理或邏輯分區)和底層硬件模擬(部分模擬或完全模擬)。
3.1分區
分區是小型機中廣泛使用的一種虛擬化技術，通常由服務器的軟件層和硬件層共同實現，為上層操作系統和應用提供相互隔離的運行環境。采用分區技術的服務器中，服務器的固件記錄分區的配置信息，用以界定每個分區能夠訪問的GPU、內存等資源的范圍和數量。同時，服務器底層軟件可以通過對不同資源的激活和釋放等操作，實現資源在不同分區之間的調度。分區技術起源于大型主機，目前小型機廠家的許多虛擬化產品，例如HP的near ，IBM的1Par都是基于或部分基于分區技術實現的。
3.2底層硬件模擬
底層硬件模擬是目前大多數虛擬化產品使用的虛擬化技術，它利用虛擬機監視器(VMM，也叫虛擬機管理程序)來模擬底層硬件的功能，為上層操作系統提供虛擬的運行環境。從操作系統的角度來看，運行在虛擬機上與運行在其對應的物理服務器上幾乎沒有區別。
采用VMM實現的服務器虛擬化通常分為2種類型。
3.2.1 Type I:裸金屬架構
Type I虛擬化架構(見圖2中邏輯層虛擬化部分)不需要在服務器上先安裝操作系統，而是直接將VMM安裝在服務器硬件設備中，本質上Type I架構中的VMM也可以認為是一個操作系統，只不過是非常輕量級的操作系統(實現核心功能)。
圖2虛擬化技術層次
VMM實現從虛擬資源到物理資源的映射，當虛擬機中的操作系統通過特權指令訪問關鍵系統資源時，VMM將接管其請求，并進行相應的模擬處理。為了使這種機制能夠有效地工作，每條特權指令的執行都需要產生“自陷”以便VMM能夠捕獲該指令，從而使得VMM能夠模擬執行相應的指令。VMM通過模擬特權指令的執行，并將處理結果返回給指定的客戶虛擬系統的方式，實現了不同虛擬機的運行上下文保護與切換，從而能夠虛擬出多個硬件系統，保證了各個客戶虛擬系統的有效隔離。
然而，x86體系結構的處理器并不是完全支持虛擬化的，因為某些x86特權指令在低特權級上下文執行時，不能產生自陷，導致VMM無法直接捕獲特權指令的執行。
目前，針對這一問題的解決方案主要有基于動態指令轉換或硬件輔助的完全虛擬化技術和半虛擬化技術。
完全虛擬化是對真實物理服務器的完整模擬，在上層操作系統看來，虛擬機與物理平臺沒有區別。操作系統察覺不到是否運行在虛擬平臺之上，也無須進行任何更改，因此完全虛擬化具有很好的兼容性，在服務器虛擬化中得到廣泛應用。
從技術實現來說，完全虛擬化需要VMM能夠處理虛擬機所有可能的行為。完全虛擬化的發展經歷了基于軟件輔助和基于硬件輔助2個階段。
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本文標題：云計算中服務器虛擬化技術探討(上)
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