云计算与虚拟化


虚拟化技术在云计算中的研究进展 5 虚拟化技术在云计算中的研究进展 杨望仙  朱定局  谢毅  范朝冬 摘  要 虚拟化技术是云计算实现的关键技术,通过虚拟化可以为应用提供灵活可变、可扩展的服务。云计算的发展推动 了虚拟化技术的发展,近年来,虚拟化技术越来越受到产业界和学术界的关注。本文对虚拟化技术在云计算中的研究展开 了探讨,并对虚拟化技术进行了展望。 关键词 虚拟化技术;云计算;虚拟机;应用虚拟化;存储虚拟化 1  引言 2007年10月IBM和Google宣布在云计算领域的 合作后[1],云计算吸引了众多人的关注,并迅速成为 产业界和学术界研究的热点。云计算比传统逻辑抽 象概念更为高级,在它下面是多层虚拟化技术,实 现了物理运动向逻辑运动的抽象过程。从高层次来 看,云计算是一种资源整合和利用的技术,其下层 的技术支撑主要是虚拟化技术[2]。 虚拟化技术是云计算实现的关键技术[3]。单个 服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统和应 用,从而大大提高服务器的利用率,通过虚拟化 为应用提供了灵活可变、可扩展的平台服务。自从 1998年VMware将只有在大型机中采用的虚拟化技 术引入x86平台至今,虚拟化已经为全球用户节约了 大量成本,提升了服务器运营效率,更重要的是下 一代的数据中心也将基于虚拟化来进行构建,特别 是现在热门的云计算,更是离不开虚拟化技术的支 撑。 虚拟化技术正以惊人的速度发展,虚拟化将成 为云计算的支撑基础。美国纽约举行的第五届虚拟 化会议暨博览会议的主题:“用虚拟化改变数据中 心、虚拟化支撑云计算”。毫无疑问,虚拟化正在 重组IT工业,同时它也正在支撑起云计算。当前的云 计算系统如Scientific Cloud[4]、Amazon EC2[5]、 OpenNebula[6]等通常以虚拟机的形式满足用户的 计算资源需求。 本文对虚拟化技术在云计算中的研究进行探 讨,第2节对虚拟化技术的研究现状进行介绍,第3 节介绍虚拟化技术的特征、类型以及测评工具等, 第4节对虚拟化技术在云计算中的应用展开探讨,最 后,展望虚拟化技术的未来。 2 研究现状 虚拟化技术源于20世纪60年代,是创建某种事 物的虚拟版本的方法和过程[7],当今的虚拟化技术 已经产生了巨大变革。自“云计算”成为热点后, “虚拟化”和“云计算”一起被业界人时常提及, 促使了“虚拟化”的发展。 虚拟化技术像是一把双刃剑,在探索中前进, 虚实结合。2009年五大虚拟化事件:VMworld虚 拟化行业事件、甲骨文通过收购进一步深入虚拟化 市、Red Hat推广KVM技术、思科宣布与EMC和 VMware合作、VMware、思杰和微软以新的管理 程序和扩展的服务器虚拟化力量增加赌注,改变了 虚拟化行业游戏规则,2010年可能将是虚拟化市 场的一个丰收年[8]。2010年6月3日,首届“微软虚 拟化峰会”在北京举行,峰会以“秉虚为实畅游云 端”为主旨,邀请了戴尔、惠普、英特尔、日立、 NetApp、思杰等合作伙伴,以及为数众多的用户代 表与会,一起分享和探讨了微软虚拟化的解决方案 与应用实践[9]。2010年虚拟化领域预测[10]:随着新 一轮IT技术的发展,数据中心体系结构的变化,以及 企业对新一代数据中心建设提出的明确要求,面向 服务、绿色安全成为依据。在新一代数据中心,通 过服务器虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化等解决 方案,不仅可以帮助企业或机构减少服务器数量、 优化资源利用率、简化管理,还可以帮助企业或机 构实现动态IT基础设施环境,从而降低成本、快速响 应业务需求的变化。据Gartner预测[11],2012年虚 拟化将成为改变IT架构和运营的最重要的力量。 随着互联网技术的发展,虚拟化技术在许多 领域有了非常广泛的用途。虚拟化技术能提高服务 器的利用率,显著降低信息系统的运维成本;虚拟 化技术也为网格计算、可信计算提供了新的技术手 6 Vol. 4 No.8/ Aug. 2010 段。基于虚拟化技术可以实现操作系统和应用软件 的动态迁移,停止服务的时间在毫秒级别,从而能 够实现服务器的在线维护和升级,也为构建高可靠 系统提供了革新的技术手段[12]。迄今为止,虚拟化 在工业界还没有一个公认的定义,实际上,虚拟化 涉及的范围广泛,包括网络虚拟化、存储虚拟化、 服务器虚拟化、桌面虚拟化、应用程序虚拟化、表 示层虚拟化等[13]。 服务器虚拟化是目前虚拟化技术应用的重要领 域。服务器虚拟化技术可以大大提高服务器的使用 效率,随着计算机技术的发展,服务器虚拟化技术 已被越来越多的企业所采用。采用虚拟机技术可以 减少服务器数量的增加,简化服务器管理,同时明 显提高服务器利用率、网络灵活性和可靠性。从静 态的角度,虚拟机是一类系统软件,又称为虚拟机 监控器(virtual machine monitor,简称VMM)。 虚拟机监控器的核心功能是截获软件对硬件接口的 调用,并重新解释为对虚拟硬件的访问;从动态的 角度,虚拟机是一个独立运行的计算机系统,包括 操作系统、应用程序和系统当前的运行状态等。文 献[14,15]按照多种标准对虚拟机进行了分类。例 如:按照是否需要修改客户机操作系统,可将虚拟 机分为准虚拟化虚拟机和完全虚拟化虚拟机。如果 虚拟机需要修改客户机操作系统,则称为准虚拟化 (para virtualization)虚拟机;否则,称为完全虚拟 化(full virtualization)虚拟机。Xen、User-mode- Linux[16]和OpenVZ[17]都采用准虚拟化技术。完全虚 拟化具备很好的透明性,即不需要修改操作系统。 准虚拟化虽然需要修改操作系统源码,损失了一定 的透明性,但对于运行在虚拟机操作系统上的应用 程序来说仍然透明,而且准虚拟化技术可以降低虚 拟机的复杂度。按照虚拟机所在中间层位置的不 同,可以将虚拟机划分为硬件(HW)虚拟机、操作系 统(OS)虚拟机、应用程序二进制接口(Application Binary iInterface,简称ABI)虚拟机和应用程序接口 (Application Programming Interface,简称 API) 虚拟机。硬件虚拟机在操作系统和底层硬件之间截 获CPU指令,如VMWare、Virtual PC[18]、Boch、 Qemu等。操作系统虚拟机位于操作系统和应用 程序之间截获操作系统调用,如Linux VServer、 OpenVZ[17]、User-mode- Linux[16]等。ABI虚拟机 通过仿真其他操作系统的ABI运行该平台上的应用 程序,例如,Wine虚拟机支持在Linux系统中运行 Windows程序、FreeBSD系统中的Linux ABI虚拟机 支持在FreeBSD中运行Linux应用程序。 伴随着虚拟化技术蓬勃发展,虚拟化领域的 热门技术——桌面虚拟化得到了极大的发展。桌面 虚拟化是将桌面的软件进行虚拟化改造的技术,通 过某种技术使得用户仍然像使用桌面系统一样使用 现有的桌面软件,但是,软件程序的执行却不是原 来通常在本地进行执行的方式执行[19]。IT系统的复 杂性阻碍了业务的灵活性和恢复能力,简化管理成 为全球化办公趋势下的必然要求,桌面虚拟化能提 高系统安全性、降低成本、便于管理,是全球化办 公的需求。目前,提供桌面虚拟化解决方案的主 要厂商包括VMware、Citrix和微软。VMware是 x86虚拟机技术的创立者和领导者,也是全球虚拟 机软件市场的 “龙头老大”,无论是研发力量, 还是市场占有率,都首屈一指。2007年8月21日, Citrix宣布收购企业级虚拟架构解决方案的提供商 XenSource公司,这也正式宣告Citrix进军虚拟化 桌面市场。软件巨头微软2003年收购一家虚拟化 产品软件开发商后,开始踏入桌面虚拟化领域,正 式拉开了桌面虚拟化革命的序幕[20]。Vmware公司 已为桌面虚拟化提供了VMware Virtual Desktop Infrastructure(VDI)解决方案,将传统需要不断升级 的物理计算机桌面环境迁移到ESX Server的服务器 中运行,减轻了终端用户物理计算机的升级负担。 2010年3月9日、3月11日,思杰(Citrix Systems)公 司分別在上海及北京举办了Citrix XenDesktop桌面 虚拟化技术研讨会,与业界专家分享桌面虚拟化的 最新趋势,探讨桌面虚拟化解决方案,携手共迎全 新的2010——虚拟桌面元年。Citrix XenDesktop 4 能够按需将应用交付至物理或虚拟桌面,在性能、 安全性等方面做出了显著改进。 3 虚拟化技术 虚拟化技术将底层的计算资源切分(或合并)成多 个(或一个)运行环境,以实现部分或完全的机器模拟 和时间共享。虚拟技术在很多重要领域(服务集成、 安全计算、多操作系统并行运行、内核的调试与开 发、系统迁移等)都具有潜在的应用价值。现已有许 多系统采用虚拟技术来充分挖掘现代机器的丰富资 源。系统采用虚拟化技术后,对外表现出的运动方 式是一种逻辑化的运动方式,而不是真实的物理运 动方式,所以采用虚拟化技术能实现对物理层运动 虚拟化技术在云计算中的研究进展 7 物理硬件 准虚拟化层 管理组件 真实驱动 虚拟驱动 虚拟驱动 主控虚拟机 PV OS 虚拟机 客户 OS 虚拟机 客户 OS 物理硬件 Hypervisor 层 宿主操作系统 虚拟机 虚拟机 客户 操作系统 客户 操作系统 虚拟硬件 虚拟硬件 逻辑运动 物理运动 虚拟化层 复杂性的屏蔽,使系统对外运行状态呈现出简单的 逻辑运动形态(如图1所示)。 图1 虚拟化技术的一般性逻辑 3.1 虚拟化技术特性 综合虚拟化技术的发展过程和现状,结合其实 现原理,可以总结出虚拟化技术的6大特性[21]: (1) 软件实现。以软件的方式模拟硬件,通过软件的 方式逻辑切分服务器资源,形成统一的虚拟资源 池,创建虚拟机运行的独立环境。 (2) 隔离运行。运行在同一物理服务器上的多个虚拟 机之间相互隔离,虚拟机与虚拟机之间互不影 响。包括:计算隔离、数据隔离、存储隔离、网 络隔离、访问隔离,虚拟机之间不会泄露数据, 应用程序只能通过配置的网络连接进行通信。 (3) 封装抽象。操作系统和应用被封装成虚拟机,封 装是虚拟机具有自由迁移能力的前提。真实硬件 被封装成标准化的虚拟硬件,整个虚拟机以文件 形式保存,便于进行备份、移动和复制。 (4) 硬件独立。服务器虚拟化带来了虚拟机和硬件相 互依赖性的剥离,为虚拟机的自由移动提供了良 好的平台。 (5) 广泛兼容。兼容多种硬件平台,支持多种操作系 统平台。 (6) 标准接口。虚拟硬件遵循业界标准化接口,以保 证兼容性。 3.2 虚拟化技术类型 根据抽象层的位置不同,通常将虚拟化分为 四类:完全虚拟化(Full Virtualization)、准虚拟 化(Para Virtualization)、操作系统虚拟化(OS Virtualization)和应用程序虚拟化(Application Virtualization)。 (1) 完全虚拟化 完全虚拟化是目前最主要的虚拟化方法,使用 一种名为Hypervisor的软件,在虚拟服务器和底层硬 件之间建立一个抽象层,该虚拟化方案具有很高的 效率。Hypervisor可以捕获CPU指令,为指令访问 硬件控制器和外设充当中介,作为一个对硬件资源 进行访问的代理来协调上层OS对底层资源的访问, 如图2所示。从虚拟技术的发展历史来看,此虚拟化 方法也称为硬件虚拟化(Hardware Virtualization)。 在这种情况下,每个虚拟机完全独立而互不相干, 每个虚拟机提出的系统资源请求(处理器、硬盘、内 存或网络)均被Hypervisor捕捉(最初由软件实现.现 在已有CPU硬件支持)并被发送到物理硬件上进行处 理。市场上可见的该类虚拟化产品包括VM/370[22]、 微软的Virtual Server、VMware公司的VMware Server和VMware ESX。 图2 完全虚拟化结构示意图 (2) 准虚拟化 准虚拟化减轻了处理器的负担,客户操作系统 需要在核心层面进行改动,能够与Hypervisor协同 工作。准虚拟化技术同样支持在一个宿主机上运行 多个虚拟机,从广义角度来讲,宿主机可以由操作 系统和准虚拟化层共同构成,也可以仅仅包台一个 准虚拟化层。与完全虚拟化的不同之处在于准虚拟 化技术向虚拟机导出了一系列的API供虚拟机调用而 不是为虚拟机模拟硬件设备,适应于BSD、Linux、 Solaris等某些开源操作系统,典型的准虚拟化产品包 括开源项目Xen和Denai,以及很多由Xen所衍生出 来的商业版本,如Citrlx XenSource。Xen作为准虚 拟化技术的典型代表,其层次结构如图3。 图3 准虚拟化结构示意图 8 Vol. 4 No.8/ Aug. 2010 物理硬件 宿主操作系统 操作系统虚拟化层 虚拟机 虚拟机 (3)操作系统虚拟化 在准虚拟化或者完全虚拟化的基础上,将虚 拟化抽象层向上移动到宿主操作系统之上,形成了 操作系统虚拟化。操作系统层虚拟化没有独立的 Hypervisor层,主机操作系统本身负责在多个虚拟服 务器之间分配硬件资源,并且让这些服务器彼此独 立。与前面所述的虚拟化方案相比:操作系统虚拟 化技术提供了更高的运行效率;架构在所有虚拟服 务器上使用单一、标准的操作系统,管理起来比异 构环境要容易;各个虚拟机共享一套宿主操作系统 的机制,作为宿主操作系统的一种“快照”存在, 同时各个虚拟机在一定程度上来看都是在共享宿主 操作系统的文件,虚拟化结构得到简化;但是,所 有虚拟服务器必须同时运行同一操作系统(不过每个 实例有各自的应用程序和用户帐户),灵活性比较 差;操作系统虚拟化技术由于各个虚拟机的宿主操 作系统文件及其他相关资源的共享,使得其提供的 隔离性也不如前面所述的虚拟化方案。 在操作系统虚拟化领域,主要的成形方案和产 品是基于容器的虚拟化技术(COS Virtualization), 典型的代表有Solaris 10所提出的Zone和Parallels的 Virtuozzo容器。COS虚拟化方案往往在设计层次上 更加简单,如图4。在COS虚拟化中,虚拟机的启动 过程类似于创建一个文件一样简单,与之相伴的是 COS虚拟化可以更有效地对虚拟机需求资源进行动 态调配;同时由于虚拟机之间的相似性,COS通常 具有更高的系统整合比。而该方案最大的局限性在 于每个虚拟机具有同源性,因此所有运行的虚拟机 具有同样的版本,而且虚拟化抽象层必须严格控制 各个虚拟机之间的运行隔离性。 图4 操作系统虚拟化平台结构示意图 (4) 应用程序虚拟化 应用程序虚拟化的思想是将单个应用程序的 文件、注册键以及其他相关的配置封装称为一个新 的数据结构(通常为一个具有特定格式的文件),以 方便应用程序的安装和删除等。为了保护应用程序 的隔离性,通常虚拟层的封装不允许操作系统直接 与应用程序内部的组件进行交互,而应用程序内部 的构建可以利用系统资源来运行自己。通常有一组 工具与应用程序虚拟化相伴,使得应用程序可以被 “流化”到客户端,且这样“流化”过程只会对客 户端所需要的组件进行按需拷贝,从而提高程序运 行的效率。基于应用程序虚拟化的产品主要有:微 软的SoftGrid,Citrix的Stream Server,Thinstall Virtualization Suite和Vmware的ThinApp等。 随着虚拟化的应用推广和深入研究,甚至不同 的虚拟化技术在相互学习以吸收对方的优点。如现 在的Xen虚拟机不仅是一个简单的准虚拟化平台,还 支持全虚拟化的部分特性,这些得益于虚拟化硬件 技术的发展。 3.3 虚拟化性能评测工具 虚拟化性能评测工具分为两大类: (1) 微观评测工具:在明确定义的环境下测量 相互独立的基本操作性能。如lmbench和 hbench:OS等。 (2) 宏观评测工具:在宽松定义的环境下测量一个 实际应用程序的整体性能,专门反映这个应用 程序代表的系统某些方面的性能。 近几年来,人们对虚拟机性能评测工作取得了 一些研究成果:有人研究了怎样用一个统一的标准 来评定多个不同VM的性能;有人比较了有无硬件辅 助技术对VMware中VMM的性能影响;还有人专门 针对Xen的VMM做了性能评定工具包。 4 虚拟化技术在云计算中的应用 云计算的特征体现在虚拟化、分布式和动态可 扩展。虚拟化是云计算最主要特点。每一个应用部 署的环境和物理平台没有关系,通过虚拟平台进行 管理、扩展、迁移、备份,种种操作都通过虚拟化 层次完成;动态可扩展指通过动态扩展虚拟化的层 次,进而达到对以上应用进行扩展的目的;分布式 指计算所使用的物理节点分布。从云计算最重要的 虚拟化特点来看,大部分软件和硬件已经对虚拟化 有一定支持,可以把各种IT资源、软件、硬件、操作 系统和存储网络等要素都进行虚拟化,放在云计算 平台中统一管理。虚拟化技术打破了物理结构之间 的壁垒,代表着把物理资源转变为逻辑可管理资源 虚拟化技术在云计算中的研究进展 9 传统软件运行环境 虚拟运行环境 用户进程 操作系统用户态运行库 操作系统 计算机硬件系统 编程语言层虚拟机 API层虚拟机 操作系统层虚拟机 硬件抽象层虚拟机 操作系统用户态 系统调用 处理器指令 语言虚拟机指令 的必然趋势。未来的资源将透明地运行在各种物理 平台上,资源的管理都将按逻辑方式进行,完全实 现资源的自动化分配,而虚拟化技术则是实现这一 理想的唯一工具。针对云计算,虚拟化技术的融合 和应用应面向高级虚拟机、应用以及虚拟化存储等 方面。 4.1 高级虚拟机 随着互联网的普及,为用户提供的服务限制突 现,稳定性和安全性也难以保证。虚拟机技术的出 现,使得在互联网上建立站点的成本大大降低,为 实现安全稳定的计算力服务提供可能。虚拟机技术 允许在一台服务器上创建多个相互隔离的虚拟专用 服务器。每一个虚拟服务器均可独立进行重启,并 拥有自己的root访问权限、用户、IP地址、内存、 过程、文件、应用程序、系统函数库以及配置文 件。采用了虚拟服务器技术后,服务提供商即可为 客户提供更多新的、更具吸引力的高利润服务。从 而填补虚拟主机服务与独立主机服务之间的空缺。 目前,虚拟机用户对虚拟机服务也提出了更高的要 求,用户需要更安全、稳定的环境,甚至是对部分 资源的控制权。 虚拟机本质特征在于:利用下层应用或系统的 支持为上层应用或系统提供不同的接口,按照虚拟 机所在的中间层位置的不同,可以分为:硬件抽象 层虚拟机、操作系统层虚拟机、应用程序编程接口 (Application Programming Interface,API)层虚 拟机和编程语言层虚拟机四类[23](如图5所示)。 图5 虚拟机分类 4.2 应用虚拟化 受服务器虚拟化技术在创建更紧凑、高度灵 活和高性价比的服务器基础设施的应用的激发,近 年来开始研究应用的虚拟化技术,一些IT厂商纷纷 推出了各自的应用虚拟化产品。虽然各厂商对应用 虚拟化的提法不尽相同,但总体宗旨都是将关键应 用计算从用户设备中分离出来,通过集中化技术改 善了控制力和安全性,从而提高关键应用系统的利 用。比较典型的虚拟化应用实例有:Platform软件 有限公司专为金融业开发的网格计算产品Platform Symphony,可以将用户闲置的具有计算能力的 各种计算机集合起来,对CPU资源进行最合理的分 配利用。Symphony充分利用现有IT资源,构建容 错、可共享、可扩充,将计算密集型应用服务分布 于现有的异构IT资源中,并使之虚拟化,从而实现快 速执行,并创造出可共享、可扩充、容错的虚拟基 础设施。思杰公司针对Windows应用开发的Citrix Presentation Server将所有的Windows应用软件都 统一安装并存放在数据中心内,然后通过创新性的 应用虚拟化技术和应用流技术将应用按需交付给终 端用户,实现用户终端设备应用软件“零维护”。 DataSynapse为网格计算开发的GridServer应用 环境和为虚拟化Web应用开发的FabricServer。 FabricServer用于虚拟化Web应用以及在传统Java 应用服务器中运行的Web服务。它可以跨越不同 应用服务器来管理部署、激活以及可适应的负载均 衡。FabricServer比较关注如何简化应用的管理和部 署,提高操作的效率和灵活性,同时减少成本和复 杂性。它通过虚拟化平台对应用部署和执行的命令 和控制进行集中管理,实现基于业务策略和服务水 平的管理和服务的按需创建等,其结构如图6所示。 图6 FabricServer结构图 4.3 存储虚拟化 虚拟化存储把多个存储介质模块通过一定的手 段集中管理起来,所有存储模块在一个存储池中得 到统一管理,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。通过以资源池的方式对计算机处理器和存 储进行虚拟管理,可以大大提高资源的使用率。另 外,存储虚拟还可以减少成本和复杂性,并提供前 所未有的灵活性和选择,可以将高效信息流延伸到 10 Vol. 4 No.8/ Aug. 2010 服务的边界之外,改善横向的通信和协作,推动高 效计算服务的增长。 5 展望 虚拟化技术在企业服务器整合、多执行环境、 计算机安全、系统调试、灾难恢复等领域具有很高 应用价值,近年来受到重视并得到快速发展,是当 前热点技术之一。自从微软公布其云计算操作系 统,计算机领域可谓“云满天”,在这个新的技术 名词或技术领域内,虚拟化技术起着关键的作用, 有理由相信,随着虚拟化技术的发展,虚拟化技术 在云计算领域将发挥越来越大的作用,出现越来越 多的应用。 参考文献 [1 黄炜.虚拟化平台宿主换页内存管理机制的关键技术研究与 性能调优:[浙江大学硕士学位论文].浙江:浙江大学计算 机系统结构专业,2010,1. 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zhoucx1898

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