柯翔敏,戴意瑜(華僑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心,福建廈門361021)

服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用研究

柯翔敏,戴意瑜
(華僑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心,福建廈門361021)

摘要:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器虛擬化遷移是當(dāng)前熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。在用的系統(tǒng)要遷移到虛擬化平臺(tái)，并且保證遷移后仍然能夠正常使用，數(shù)據(jù)不丟失，系統(tǒng)服務(wù)不中斷等要求，在實(shí)際操作中存在一定的困難。遷移方案必須經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，事先必須準(zhǔn)備詳細(xì)的遷移方案，并且要有遷移失敗的回退方案，保障一旦遷移失敗在用的系統(tǒng)依然能夠繼續(xù)使用，才能保證遷移的順利完成。本文主要描述服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用比較。

關(guān)鍵詞:服務(wù)器;虛擬化;應(yīng)用

0引言

當(dāng)今虛擬化技術(shù)給計(jì)算機(jī)領(lǐng)域特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面帶來了全新的實(shí)現(xiàn)方式，引發(fā)了一場(chǎng)技術(shù)變革。虛擬化已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，2013年ESG就中國(guó)市場(chǎng)虛擬化的普及情況進(jìn)行了調(diào)查，274家負(fù)責(zé)企業(yè)IT管理或制定企業(yè)IT策略的人士參加了該調(diào)研，其中企業(yè)級(jí)用戶（雇員數(shù)量在500人以上）占受訪企業(yè)的半數(shù)以上，75%的企業(yè)已經(jīng)部署或即將部署虛擬化軟件。

1服務(wù)器面臨的問題

隨著信息化的發(fā)展，服務(wù)器數(shù)量激增，位置分散，服務(wù)器品牌較多，不同品牌服務(wù)器之間差異較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同樣的安裝和管理；服務(wù)器操作系統(tǒng)依據(jù)需要而不同，版本較多，且需要安裝的應(yīng)用軟件不盡相同，給日常管理帶來相當(dāng)多的工作量；服務(wù)器升級(jí)，打補(bǔ)丁包等日常維護(hù)工作需要中斷服務(wù)，影響教學(xué)和科研；部分服務(wù)器購(gòu)置年限較久，硬件故障率較高，帶來嚴(yán)重的安全隱患，急需解決。這些問題已讓單位面臨了無(wú)形的壓力，必須有套完整有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心解決方案，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器更加有效，安全的運(yùn)行。

2虛擬化技術(shù)引起的變革

虛擬化實(shí)現(xiàn)方式帶來了改變，虛擬化軟件通過在服務(wù)器與上層應(yīng)用之間形成虛擬化層，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與硬件的解關(guān)聯(lián)；原來的操作系統(tǒng)OS和應(yīng)用程序APP以虛擬機(jī)的形式運(yùn)行在虛擬化層之上；一臺(tái)物理服務(wù)器上可以運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)。

（1）提高了資源利用率。“一個(gè)服務(wù)器、一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)應(yīng)用的部署模式”，CPU的利用率長(zhǎng)期處于10%-25%，大量計(jì)算資源閑置。通過虛擬機(jī)的方式部署，可以將CPU的利用率提高至70%以上。提升了資源的利用率。

（2）提高IT業(yè)務(wù)部署效率。虛擬化前，上線一項(xiàng)應(yīng)用需要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，特別是招標(biāo)、采購(gòu)、安裝、配置等費(fèi)時(shí)環(huán)節(jié)，一項(xiàng)業(yè)務(wù)由啟動(dòng)到上線可能需要數(shù)個(gè)月時(shí)間。虛擬化后，只需在資源池中分配相應(yīng)的計(jì)算資源，就可以將業(yè)務(wù)不熟啟動(dòng)，時(shí)間縮短到幾天，甚至幾個(gè)小時(shí)。

（3）提高業(yè)務(wù)高可用性。當(dāng)服務(wù)器故障時(shí)，能夠自動(dòng)選擇空閑服務(wù)器，無(wú)需獨(dú)占專門的備用服務(wù)器資源，減少災(zāi)備方案中的冗余投資，并且無(wú)專業(yè)集群軟件的投入成本和應(yīng)用復(fù)雜度。

（4）提升資源調(diào)度能力。存在持續(xù)性突發(fā)業(yè)務(wù)負(fù)載的場(chǎng)合，無(wú)需在虛擬機(jī)上安裝代理程序，減輕虛擬機(jī)部署的復(fù)雜度。綜合考慮虛擬機(jī)CPU、內(nèi)存、業(yè)務(wù)、I/O吞吐量等負(fù)載因素以及虛擬機(jī)對(duì)物理主機(jī)胡親和性，動(dòng)態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)負(fù)載的分布，提升系統(tǒng)可用性。??

（5）提高管理水平。用戶數(shù)據(jù)中心經(jīng)過多年發(fā)展，涵蓋了不同品牌、性能的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等設(shè)備，而這些設(shè)備分別管理起來是十分費(fèi)費(fèi)力的。通過虛擬化技術(shù)、能夠屏蔽這些硬件的差異化，為用戶呈現(xiàn)出一個(gè)統(tǒng)一的管理界面，簡(jiǎn)化管理工作，提高管理水平。

3主流虛擬化技術(shù)簡(jiǎn)介和對(duì)比

3.1VMwareESX

ESX/ESXi是VMware的企業(yè)級(jí)虛擬化產(chǎn)品，2001年開始發(fā)布ESX1.0，到2013年4月發(fā)布ESXi5.1Update1。ESXi體系架構(gòu)的核心是VMkernel。VMkernel是由VMware開發(fā)的基于POSIX協(xié)議的操作系統(tǒng)，它提供了很多在其它操作系統(tǒng)中也能找到的功能，比如創(chuàng)建和管理進(jìn)程、信號(hào)（Signal）、文件系統(tǒng)和多線程等，但它是為運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)而“度身定做”的，它的核心功能是為所承載的虛擬機(jī)調(diào)度所有的硬件資源，但不同類型的硬件會(huì)有些區(qū)別。

虛擬機(jī)對(duì)于CPU和內(nèi)存資源是通過VMkernel直接訪問，最大程度地減少了開銷，CPU的直接訪問得益于CPU硬件輔助虛擬化（如IntelVT-x和AMDAMD-V，第一代虛擬化技術(shù)），內(nèi)存的直接訪問得益于MMU（內(nèi)存管理單元，屬于CPU中的一項(xiàng)特征）硬件輔助虛擬化（如IntelEPT和AMDRVI/NPT，第二代虛擬化技術(shù)）。

3.2微軟Hyper-V

Hyper-V是微軟新一代的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，Hyper-V有兩種發(fā)布版本：（1）獨(dú)立版：以命令行界面實(shí)現(xiàn)操作控制，是一個(gè)免費(fèi)的版本，如Hyper-VServer2008；（2）內(nèi)嵌版：作為WindowsServer操作系統(tǒng)的一個(gè)組件發(fā)布，將WindowsServer作為父操作系統(tǒng)，使用WindowsServer的驅(qū)動(dòng)模塊及授權(quán)條款。

Hyper-V的Hypervisor是一個(gè)非常精簡(jiǎn)的軟件層，不包含任何物理驅(qū)動(dòng)，物理服務(wù)器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)均是駐留在父分區(qū)的WindowsServer中，驅(qū)動(dòng)程序的安裝和加載方式與傳統(tǒng)Windows系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。因此，只要是Windows支持的硬件，也都能被Hyper-V所兼容。

3.3Xen

Xen是半虛擬化（Para-Virtualization）技術(shù)的典型代表。管理VM負(fù)責(zé)管理整個(gè)硬件平臺(tái)上的所有輸入輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)，也就是說，半虛擬化中的Hypervisor不對(duì)I/O設(shè)備作模擬，而僅僅對(duì)CPU和內(nèi)存做模擬，這就是“Para-Virtualization”被翻譯成“半虛擬化”的原因。半虛擬化還有一個(gè)比較普遍的叫法：操作系統(tǒng)輔助虛擬化（OSAssistedVirtualization），這是因?yàn)镚uestVM自身不帶設(shè)備驅(qū)動(dòng)，需要向“管理VM”尋求幫助。

相對(duì)于VMwareESX/ESXi和微軟Hyper-V來說，Xen支持更廣泛的CPU架構(gòu)，前兩者只支持CISC的X86/X86_64CPU架構(gòu)，Xen除此之外還支持RISCCPU架構(gòu)，如IA64、ARM等。Xen的Hypervisor是服務(wù)器經(jīng)過BIOS啟動(dòng)之后載入的首個(gè)程序，然后啟動(dòng)一個(gè)具有特定權(quán)限的虛擬機(jī)（即Dom0）。Dom0的操作系統(tǒng)可以是Linux或Unix，它實(shí)現(xiàn)對(duì)Hypervisor控制和管理功能。在所承載的虛擬機(jī)中，Dom0是唯一可以直接訪問物理硬件（如存儲(chǔ)和網(wǎng)卡）的虛擬機(jī)，它通過本身加載的物理驅(qū)動(dòng)，為其它虛擬機(jī)（即DomU）提供訪問存儲(chǔ)和網(wǎng)卡的橋梁。

半虛擬化架構(gòu)的最大缺點(diǎn)是需要特定內(nèi)核的操作系統(tǒng)，Windows操作系統(tǒng)由于其封閉性，不能被Xen的半虛擬化所支持。為了解決這個(gè)問題，Xen也支持全虛擬化（FullVirtualization），Xen稱其為HVM（HardwareVirtualMachine）。Xen的全虛擬化要求CPU具備硬件輔助虛擬化，它修改的QEMU（QuickEmulator）仿真所有硬件，包括BIOS、IDE控制器、VGA顯示卡、USB控制器和網(wǎng)卡等。為了提升I/O性能，全虛擬化特別針對(duì)磁盤和網(wǎng)卡采用半虛擬化設(shè)備來代替仿真設(shè)備，這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)稱之為PVonHVM。為了使PVonHVM有最佳性能，CPU應(yīng)具備MMU硬件輔助虛擬化。

3.4KVM

KVM是基于硬件輔助虛擬化技術(shù)（Intel的VT-x或者AMD-V）的虛擬化解決方案，GuestOS能夠不經(jīng)過修改直接在KVM的虛擬機(jī)中運(yùn)行，每一臺(tái)虛擬機(jī)能夠享有獨(dú)立的虛擬硬件資源，如網(wǎng)卡、磁盤、圖形適配器等。

3.5四種虛擬化軟件架構(gòu)對(duì)比

VMware虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)是一個(gè)封閉的技術(shù)架構(gòu)，其第一代虛擬化方法基于二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)，后來，又將半虛擬化和硬件輔助虛擬化技術(shù)融入了ESX。所以，ESX系統(tǒng)復(fù)雜度很高，而且，作為與底層硬件進(jìn)行交互操作的一層軟件，VMware投入了巨資開發(fā)專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以支持商用服務(wù)器所使用的各種網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)硬件。每當(dāng)市場(chǎng)推出新的硬件設(shè)備時(shí)，VMware必須編寫VMware專用驅(qū)動(dòng)以支持新設(shè)備。

Xen和微軟的Hyper-V都采用了半虛擬化架構(gòu)，GuestOS清楚地知道它們是基于虛擬硬件運(yùn)行的，通過GuestOS與虛擬化系統(tǒng)軟件的協(xié)作簡(jiǎn)化了Hypervisor的開發(fā)，同時(shí)改善了全虛擬化技術(shù)的性能問題。但是半虛擬化技術(shù)最大的問題在于虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的兼容性問題，純碎的半虛擬化技術(shù)只能支持有限的開源Linux操作系統(tǒng)，無(wú)法支持閉源的Windows操作系統(tǒng)。

KVM是主流虛擬化系統(tǒng)軟件中出現(xiàn)較晚的一個(gè)，只支持帶有IntelVT或AMD-V技術(shù)的CPU，而不支持傳統(tǒng)的硬件以及通過修改內(nèi)核而運(yùn)行于傳統(tǒng)硬件上的GuestOS。

4結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了服務(wù)器面臨的問題、服務(wù)器虛擬化技術(shù)帶來的變革以及對(duì)當(dāng)前主流虛擬化技術(shù)進(jìn)行分析和對(duì)比。采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬化技術(shù)，對(duì)于把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心分散的服務(wù)器進(jìn)行資源虛擬化和集中化管理，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、高效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器平臺(tái)，探索新型管理機(jī)制和提高管理效率具有重要的意義。

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項(xiàng)目:華僑大學(xué)2012年實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與建設(shè)課題（66661233Y）

作者簡(jiǎn)介:柯翔敏(1987－),男,福建泉州人,碩士,研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)安全。