摘 要：虛擬化是云計算數(shù)據中心的核心技術。通過虛擬化技術可以將數(shù)以萬計的型號、規(guī)格、配置不一的服務器資源進行整合，形成一個獨立于底層物理設備的抽象資源池。從而極大地提高了資源的利用率，降低了數(shù)據中心運營的成本。

關鍵詞：虛擬化；服務器；資源整合

中圖分類號：TP368.5

1 虛擬化

虛擬化技術通過軟件將底層的硬件資源切分（或整合）成多個（或一個）邏輯的運行環(huán)境，以實現(xiàn)部分或完全的機器模擬和時間共享。虛擬技術在服務集成、安全計算、多操作系統(tǒng)并行運行、內核的調試與開發(fā)、系統(tǒng)遷移、軟件測試等方面都具有潛在的應用價值。目前許多大型數(shù)據中心已經應用了虛擬化技術。服務器虛擬化后，實現(xiàn)對物理層運動復雜性的屏蔽，讓系對外表現(xiàn)出的不是真實的物理運動方式，而是一種邏輯化的運行方式。目前按虛擬化的層次可以將虛擬化分為分網絡虛擬化、存儲虛擬化、服務器虛擬化、桌面虛擬化、應用程序虛擬化、表示層虛擬化等[1]。

2 服務器虛擬化

在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，大型服務器往往都具有很高的性能，但每個服務器都只能運行一個操作系統(tǒng)，而一個操作系統(tǒng)一般只能運行一個服務程序，其本質是所有用戶的進程都是在同一個操作系統(tǒng)的實例中運行。因此服務器的諸多功能得不到應用。服務器虛擬化在硬件的基礎上構建一個虛擬平臺，并在此基礎上將物理服務器封裝成多個虛擬服務器（虛擬機），從而將CPU、內存、I/O等服務器資源轉化為一組統(tǒng)一管理、可靈活調度、動態(tài)分布的邏輯資源[2]。并且虛擬機之間彼此隔離，互不干擾，共同享用物理服務器提供的資源。這樣就可以將原先運行在多個服務器上的不同應用運行在虛擬出來的若干虛擬機上，從而可以減少服務器數(shù)量，達到提高資源的利用率、降低運營成本、節(jié)省物理存儲空間和電能的目的。

3 服務器虛擬化的優(yōu)勢

對數(shù)據中心服務器進行虛擬化改進能使服務器或者服務器群在以下幾方面得到顯著的提高。

（1）提升了服務器資源的利用率，服務器虛擬化可以將原來空閑的資源充分利用起來。實現(xiàn)資源的動態(tài)調度和按需分配；（2）降低了數(shù)據中心的運營成本，服務器虛擬化將不同的物理設備抽象成一個透明的抽象的資源池，一方面可以充分利用原有的低級的異構的設備。另一方面使管理者擺脫了與分散的異構的繁瑣的物理服務器、操作系統(tǒng)、中間件及兼容性等問題打交道的管理工作；（3）減少了能源的浪費，服務器虛擬化可以在同一臺服務器上虛擬出若干虛擬機來運行多個程序，減少了電能消耗，達到了綠色節(jié)能的目的；（4）實現(xiàn)資源動態(tài)調部，虛擬化技術將服務器抽象成無數(shù)標準的統(tǒng)一的虛擬服務器池，資源調配工具可以將運行中的虛擬機在線遷移至擁有更多資源的其他服務器上，或者靈活調整其他虛擬機，從而匹配工作負載，實現(xiàn)業(yè)務和資源的最優(yōu)化[3]；（5）提高了應用的兼容性，在大量的異構的設備上兼容性問題特別突出，虛擬化可以避免異構帶來的不兼容性問題。

4 服務器虛擬化的目標

服務器虛擬化的目標主要是將物理機的三種硬件資源虛擬化：CPU虛擬化、內存虛擬化、設備與I/O虛擬化。

4.1 CPU虛擬化

CPU虛擬化技術把服務器的物理CPU分割成若干CPU，任意時刻一個物理CPU能運行一個虛擬CPU的指令。但是每個用戶操作系統(tǒng)可以使用一個或多個虛擬CPU，這些虛擬機的CPU之間彼此隔離，互不影響?；赬86架構的操作系統(tǒng)必須直接運行在物理機器上，完全擁有底層的物理機硬件，且X86體系機構中處理器有四個運行級別，分別是Ring0、Ring1、Ring2和Ring3。一般只有當操作系統(tǒng)內核運行在最高級別即Ring0上時才能直接控制和修改CPU狀態(tài)。因此，要在X86體系結構中實現(xiàn)虛擬化就必須在Ring0下面加入虛擬層，然而這樣會使運行在Ring0上的某些特權指令不能被操作，最終導致硬件不能被虛擬機操控。為了解決這個問題就出現(xiàn)了半虛擬化技術和完全虛擬化技術。

半虛擬化：它利用Hypervisor來實現(xiàn)對底層硬件的共享訪問，但是由于在Hypervisor上面運行的客戶操作系統(tǒng)已經集成與半虛擬化有關的代碼，當半虛擬化的客戶操作系統(tǒng)被修改后，知道自己處在虛擬化環(huán)境中，從而主動配合虛擬機監(jiān)視器對虛擬化平臺進行超級調用來完成特權指令的執(zhí)行，其經典的產品就是Xen。

全虛擬化：全虛擬化是目前最主要的虛擬化方法，使用一種名為Hypervisor的軟件，在虛擬服務器和底層硬件之間建立一個抽象層來捕捉那些對虛擬化敏感的特權指令并采用二進制代碼動態(tài)翻譯技術（Dynamic Binary Translation）在敏感指令前加入陷入指令將執(zhí)行陷入到虛擬機監(jiān)視器中，虛擬監(jiān)視器將這些指令轉換成功能相同的指令后再執(zhí)行，而對于非敏感的指令則可以直接在物理處理器上運行。從而使客戶操作系統(tǒng)在速度和功能上都基本和物理操作系統(tǒng)相同。

4.2 內存虛擬化

物理內存是一段連續(xù)的地址空間，上層應用對內存地址的訪問是隨機的，目前操作系統(tǒng)主要采用段式、頁式、段頁式、多級頁表、緩存等多種技術來管理內存。但是所有的指令都需要通過內存?zhèn)鬟f給CPU，最終耗盡內存資源，成為提高計算機性能的拼勁。內存虛擬化技術就是將物理機的物理內存虛擬化成多個虛擬內存并根據需要分配給若干虛擬機，使每個虛擬機擁有獨自的內存空間。虛擬機的內存管理單元將內存重新分為物理內存（虛擬機內存）、機器內存（物理機內存）和邏輯內存三種類型。為了保證各個虛擬機對內存的訪問的連續(xù)性、一致性，虛擬機監(jiān)視器需要維護物理機內存地址塊和虛擬機內部看到的連續(xù)的內存地址塊之間的映射關系。目前，內存虛擬化中主要通過影子頁表法和頁表寫入法兩種方式實現(xiàn)三種內存之間的映射和管理。

影子頁表：每個虛擬機都維護有一張自己的“物理頁表”，虛擬機監(jiān)視器根據每個虛擬機的物理頁表為每個虛擬機建立一張對應與機器內存之上的頁表，這樣虛擬機內存和機器內存之間就建立起了映射關系。頁表寫入法：當虛擬機操作系統(tǒng)想要創(chuàng)建一張新的頁表時就需要向虛擬機監(jiān)視器注冊，虛擬機監(jiān)視器奪過虛擬機操作系統(tǒng)的讀寫權限，向客戶操作系統(tǒng)內存中寫入機器內存的地址，這樣虛擬機就可以通過自己的頁表獲得真是主機的內存地址了。

4.3 設備與I/O虛擬化

設備與I/O虛擬化將物理機的設備與I/O包裝并虛擬化成多個虛擬設備來響應每個虛擬機的設備訪問和I/O請求。這些被虛擬出來的統(tǒng)一標準的虛擬設備的型號、配置、參數(shù)等不一定與物理設備的相同，但是它們可以很好地模仿物理設備的動作，將虛擬機設備的操作轉移給物理設備并將物理設備的運行結果返回給虛擬機。從而屏蔽了底層設備的復雜性，讓虛擬機運行在獨立于物理層的虛擬環(huán)境中，并輕松實現(xiàn)動態(tài)遷移。

5 結束語

總之，利用虛擬化技術將資源封裝為服務交付給用戶，減少了數(shù)據中心的運營成本；借助虛擬化技術的伸縮性和靈和性，簡化了資源和服務的管理和維護，極大提高了數(shù)據中心服務器資源的利用率；利用標準化將異構的硬件資源抽象成統(tǒng)一的資源池，方便了服務的開發(fā)和交付，縮短了部署時間，實現(xiàn)了服務器資源的按需分配和統(tǒng)一管理。

參考文獻：

[1]張敏，陳云海.虛擬化技術在新一代云計算數(shù)據中心的應用研究[J].廣東通信技術，2009（29）：35-39.

[2]李雙權，王燕偉.云計算中服務器虛擬化技術的探討[J].郵電設計技術，2011.

[3]劉剛.服務器虛擬化技術[J].高興技術產業(yè)發(fā)展，2012.

[4]楊望仙，朱定局，謝毅.虛擬化技術在云計算中的研究進展[J].信息通信，2011.

作者簡介：胡章榮（1988-），男，四川鹽源人，碩士研究生，研究方向：計算機網絡；王朝斌（1970-），男，重慶忠縣人，副教授，碩士研究生導師，西華師范大學網絡中心主任，研究方向：計算機網絡開發(fā)及信息安全技術；高潤芳（1990-），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向：計算機網絡。

作者單位：西華師范大學計算機學院，四川南充 637002