網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用研究

【摘要】隨著科技的高速發(fā)展，虛擬化技術(shù)，應(yīng)運(yùn)而生，而云計(jì)算的應(yīng)用和發(fā)展為虛擬化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了新的歷史機(jī)遇。本文就虛擬化技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)以及在云計(jì)算中的應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】虛化技術(shù)云計(jì)算系統(tǒng)管理

云計(jì)算是隨著科技發(fā)展，新生的一種新型的共享基礎(chǔ)設(shè)施的方法。云計(jì)算可以通過(guò)與大系統(tǒng)的聯(lián)系，一起為使用者提供各種各樣的服務(wù)。即云計(jì)算是相關(guān)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算發(fā)展的產(chǎn)物，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)媒介提供各種各樣的虛擬服務(wù)器。它的原理是通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器或者本地計(jì)算機(jī)大規(guī)模的計(jì)算機(jī)分布式計(jì)算。促進(jìn)云計(jì)算的發(fā)展與產(chǎn)生的因素包括：發(fā)展網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)、高端儲(chǔ)傳技術(shù)的出現(xiàn)，特別是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的發(fā)展。

1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的基本支撐，虛擬機(jī)的快速部署與便捷的系統(tǒng)管理、資源利用率的提高極大地推動(dòng)力云計(jì)算的發(fā)展。

首先，分析虛擬環(huán)境下應(yīng)用程序的特征，提供面向應(yīng)用的、高效的資源虛擬化方法。其次，從虛擬機(jī)資源管理著手，根據(jù)應(yīng)用程序的特征，解決虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)部署與調(diào)度過(guò)程中多層面的動(dòng)態(tài)資源管理問(wèn)題，保證虛擬機(jī)的服務(wù)質(zhì)量，提高資源利用效率。在虛擬化環(huán)境下，需要重新審視或刻畫(huà)應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)管理器以及硬件的各自行為特征以及相互之間的約束、依賴和協(xié)同。了解應(yīng)用程序?qū)Y源（CPU、Cache、Memory、IO）的需求、應(yīng)用程序?qū)Νh(huán)境的依賴（OS、Lib）和分析應(yīng)用程序與硬件的結(jié)合（多核、EPT/NPT、性能監(jiān)控）。

其次，基于特征分析的資源預(yù)測(cè)資源需求與其性能、能耗等的關(guān)系：?jiǎn)螜C(jī)、多機(jī)通過(guò)應(yīng)用程序、客戶操作系統(tǒng)（Guest OS）、虛擬機(jī)管理器(Virtual Machine Monitor，VMM)、硬件等層間的通訊通道把預(yù)測(cè)信息傳遞到虛擬機(jī)管理器，就可以支持虛擬機(jī)管理器動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。

2虛擬機(jī)的內(nèi)部分析

每類(lèi)應(yīng)用程序都有其計(jì)算的特點(diǎn)，當(dāng)這些應(yīng)用程序部署在一個(gè)虛擬機(jī)上時(shí)，就反映為虛擬機(jī)的計(jì)算特征。對(duì)于計(jì)算特征相似的虛擬機(jī)，當(dāng)把它們部署在同一臺(tái)物理主機(jī)上時(shí)，就會(huì)存在對(duì)相同計(jì)算資源的競(jìng)爭(zhēng)使用，從而影響總體性能。如果能盡量把計(jì)算特征相容的虛擬機(jī)部署在一起，則會(huì)提高物理主機(jī)計(jì)算資源的利用率，提高虛擬機(jī)的總體性能。

2.1單機(jī)環(huán)境下虛擬機(jī)間的動(dòng)態(tài)資源調(diào)整

虛擬機(jī)資源的靜態(tài)分配：

（1）基本滿足虛擬機(jī)的需求，但仍會(huì)造成資源的浪費(fèi)：純靜態(tài)的預(yù)測(cè)并不能反映虛擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，在虛擬機(jī)運(yùn)行的不同時(shí)刻，其計(jì)算特征仍然會(huì)有所變化。

（2）虛擬機(jī)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配：

通過(guò)在虛擬機(jī)管理器中增加對(duì)虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的計(jì)算特征的動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)，可以采用相應(yīng)的機(jī)制調(diào)整虛擬機(jī)間的資源分配

2.2多機(jī)環(huán)境下虛擬機(jī)間的動(dòng)態(tài)資源調(diào)整

基于多機(jī)資源協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)，合理實(shí)施虛擬機(jī)遷移，針對(duì)各虛擬機(jī)的資源需求以及整個(gè)環(huán)境的節(jié)能需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套合理誘發(fā)虛擬機(jī)遷移的機(jī)制：一方面，消除熱點(diǎn)物理機(jī)、滿足更大的資源需求；另一方面，虛擬機(jī)融合，關(guān)閉部分物理主機(jī)，節(jié)能。虛擬機(jī)遷移開(kāi)銷(xiāo)較大：只有在預(yù)期虛擬機(jī)計(jì)算特征明顯且將較持久的改變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行遷移才是最優(yōu)的選擇。

3對(duì)服務(wù)器的虛擬化

對(duì)服務(wù)器的虛擬化是一個(gè)基于底層的物理設(shè)備上的操作系統(tǒng)、軟件的分離技術(shù)脫鉤，這將是硬件，和應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)一起到一個(gè)虛擬機(jī)遷移歸檔。虛擬化管理軟件對(duì)多個(gè)物理設(shè)備一起管理，從而提高了物理設(shè)備之間的整體性，形成一個(gè)統(tǒng)一的資源管理。在一臺(tái)物理服務(wù)器上可以運(yùn)行好幾個(gè)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)相互隔離，以提高資源利用率，降低能源消耗，體現(xiàn)在服務(wù)器的共享和隔離。虛擬機(jī)可以增加或減少硬件資源的分配，提高資源分配的靈活性，根據(jù)需求彈性，以實(shí)現(xiàn)資源的靈活性。虛擬機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)，包括硬件配置，操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的快速部署，軟件分發(fā)，系統(tǒng)備份，無(wú)需修改不同的服務(wù)器上直接運(yùn)行的虛擬機(jī)遷移的應(yīng)用程序包，并加強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性。

從該技術(shù)的角度來(lái)看，一般使用虛擬平臺(tái)（管理程序）、虛擬機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（VMM）來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的服務(wù)器硬件，虛擬機(jī)管理和資源調(diào)度。根據(jù)虛擬化層不同，服務(wù)器虛擬化可以分為寄虛擬登機(jī)和原生的虛擬化，因?yàn)楹诵募夹g(shù)的差別，對(duì)服務(wù)器的內(nèi)存，CPU，設(shè)備和IO虛擬化。服務(wù)器虛擬化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的配置和部署，快速部署虛擬機(jī)，以提升系統(tǒng)性能，還可以調(diào)整虛擬機(jī)的資源，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，以確保該軟件能迅速?gòu)氖≈谢謴?fù)，以提高“系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。虛擬化技術(shù)還能讓一些高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的虛擬機(jī)，及時(shí)遷移到負(fù)載比較低的節(jié)點(diǎn)，多個(gè)低負(fù)荷虛擬機(jī)并到物理節(jié)點(diǎn)，使負(fù)載達(dá)到了一定的平衡，使上層應(yīng)用程序的性能保證，但也能達(dá)到降低能耗。

4虛擬化儲(chǔ)存

虛擬化的存儲(chǔ)是指以抽象的表現(xiàn)，通過(guò)多個(gè)目的功能和服務(wù)集成的，統(tǒng)一的存儲(chǔ)硬件資源的附加功能提供了一個(gè)有用的服務(wù)。存儲(chǔ)虛擬化是虛擬化是一個(gè)或多個(gè)實(shí)體的作用，這些實(shí)體是用來(lái)提供存儲(chǔ)資源或服務(wù)，通過(guò)它，一直用于簡(jiǎn)化技術(shù)相對(duì)復(fù)雜的底層基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行。存儲(chǔ)虛擬化的概念是分開(kāi)的物理存儲(chǔ)資源的邏輯映像，以提供一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)和管理員的資源虛擬界面。典型的虛擬除去系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加新的功能，分解現(xiàn)有的功能。

云計(jì)算框架，云用戶終端不具備任何存儲(chǔ)工具，他們只享受“云”服務(wù)，沒(méi)有有一個(gè)比較具體存儲(chǔ)工具，不明白具體的經(jīng)過(guò)。云存儲(chǔ)以數(shù)據(jù)管理為核心的計(jì)算系統(tǒng)，它是一個(gè)復(fù)雜的虛擬化的過(guò)程。

在存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，云計(jì)算可以提高硬件相關(guān)的利用率，利用整個(gè)存儲(chǔ)資源，進(jìn)行異構(gòu)存儲(chǔ)覆蓋和數(shù)據(jù)管理，通過(guò)一個(gè)共同的管理界面之間的差異，將能夠和控制操作性方面的工作，大大簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)資源管理和分配。存儲(chǔ)虛擬化簡(jiǎn)化用戶訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。云用戶能夠自主選擇最佳的存儲(chǔ)系統(tǒng)，以滿足需求。除此以外存儲(chǔ)虛擬化還允許每個(gè)虛擬機(jī)分配云計(jì)算的資源模塊，磁盤(pán)和其他存儲(chǔ)資源和數(shù)據(jù)劃清界限，實(shí)現(xiàn)資源在虛擬機(jī)數(shù)據(jù)的隔離，形成彼此獨(dú)立的信息和資源，以確保數(shù)據(jù)的安全性。

5互聯(lián)網(wǎng)的虛擬化

計(jì)算資源的虛擬化，最后為用戶提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)形式。如何提高網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)虛擬化資源改善利用率，如何增強(qiáng)可管理性、可擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)，這些都是網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵，網(wǎng)絡(luò)虛擬化根據(jù)用戶群體的不同需求，以使訪問(wèn)同一網(wǎng)絡(luò)，但在一定程度上進(jìn)行隔離，在互聯(lián)網(wǎng)虛擬化要保持相對(duì)獨(dú)立性，以確保使用安全。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可以是一個(gè)封閉的用戶群建立在同一個(gè)物理基礎(chǔ)設(shè)施，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體的實(shí)用性。

從數(shù)據(jù)中心當(dāng)前發(fā)展來(lái)看，規(guī)模擴(kuò)充是首位的，帶寬增長(zhǎng)也是不可動(dòng)搖的，因此在網(wǎng)絡(luò)多虛一方面，控制平面多虛一的各種技術(shù)除非能夠突破控制層多機(jī)協(xié)調(diào)工作的技術(shù)枷鎖，否則只有在中小型數(shù)據(jù)中心里面刨食的份兒了，后期真正的大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心勢(shì)必是屬于TRILL/SPB此類(lèi)數(shù)據(jù)平面多虛一技術(shù)的天地。當(dāng)然Cisco的FEX這類(lèi)定位于接入層以下的技術(shù)還是可以與部署在接入到核心層的TRILL/SPB相結(jié)合，擁有一定的生存空間。

6內(nèi)存虛擬化的問(wèn)題

各虛擬機(jī)分配機(jī)器物理內(nèi)存（靜態(tài)分配，每個(gè)虛擬機(jī)所得內(nèi)存通常是固定的，但是引起的問(wèn)題首先是不能有效利用資源，其次應(yīng)用程序的內(nèi)存需求動(dòng)態(tài)變化不能及時(shí)掌握。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員按照理想的按需分配原則，根據(jù)虛擬機(jī)的實(shí)際需求分配內(nèi)存，在實(shí)際程序運(yùn)行中，會(huì)發(fā)生內(nèi)存需求在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化，操作系統(tǒng)只報(bào)告系統(tǒng)占用、空閑內(nèi)存的大小，占用的內(nèi)存不一定在被有效使用，系統(tǒng)性能與分配內(nèi)存大小沒(méi)有正比關(guān)系等情況。沒(méi)有搞清楚實(shí)模式、保護(hù)模式等傳統(tǒng)OS的概念。而對(duì)于虛擬化，只是對(duì)于當(dāng)涉及到有指令要破壞其虛擬地址映射機(jī)制時(shí)，給與阻止而已。沒(méi)有什么新意。和傳統(tǒng)OS一樣。就是基于OS之下的一個(gè)更小點(diǎn)的硬件資源管理者。

7解決方案與措施

7.1升級(jí)虛擬化主機(jī)

需要定期對(duì)虛擬主機(jī)進(jìn)行更新。何謂定期?普通的每個(gè)月為一個(gè)周期，時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)的可以是每個(gè)季度為一個(gè)周期。需要指出的是，在將虛擬主機(jī)系統(tǒng)調(diào)整到維護(hù)模式下時(shí)，使用DistributedResourceScheduling（分布式資源調(diào)度），可以實(shí)現(xiàn)在正常工作時(shí)期內(nèi)執(zhí)行升級(jí)操作。

7.2升級(jí)固件

物理服務(wù)器、刀片和配件需要保持最新。其中有些固件非常重要，更加不能有所懈怠。一般一個(gè)季度到兩年之內(nèi)應(yīng)該對(duì)硬件進(jìn)行一次全面更新，解決硬件中存在的任何問(wèn)題。

7.3升級(jí)虛擬機(jī)硬件

雖然是一件痛苦的事，但為了有更好的性能，它會(huì)顯得很有必要。當(dāng)從早期版本的VMware升級(jí)到vSphere的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這一做法的必要性。升級(jí)虛擬機(jī)硬件會(huì)花費(fèi)不少時(shí)間，需要有無(wú)數(shù)個(gè)重啟和對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置。

7.4增加容量

如果你的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施不斷面臨增長(zhǎng)，那么增加容量。需要注意的是，不要等到資源不夠用的時(shí)候才臨時(shí)做這種決定。為主機(jī)增加CPU數(shù)量或者升級(jí)CPU，擴(kuò)充磁盤(pán)空間和內(nèi)存容量，解決性能瓶頸問(wèn)題。

8對(duì)虛擬化操作系統(tǒng)管理

8.1LRU算法

LRU是Least Recently Used的縮寫(xiě)，即最近最少使用頁(yè)面置換算法，是為虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理服務(wù)的。

關(guān)于虛擬化操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理，如何節(jié)省利用容量不大的內(nèi)存為最多的進(jìn)程提供資源，一直是研究的重要方向。而內(nèi)存的虛擬存儲(chǔ)管理，是現(xiàn)在最通用，最成功的方式———在內(nèi)存有限的情況下，擴(kuò)展一部分外存作為虛擬內(nèi)存，真正的內(nèi)存只存儲(chǔ)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)所用得到信息。這無(wú)疑極大地?cái)U(kuò)充了內(nèi)存的功能，極大地提高了計(jì)算機(jī)的并發(fā)度。虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理，則是將進(jìn)程所需空間劃分為多個(gè)頁(yè)面，內(nèi)存中只存放當(dāng)前所需頁(yè)面，其余頁(yè)面放入外存的管理方式。

8.2間歇性內(nèi)存跟蹤（IMT）

IMT用來(lái)仿真CPU核心的設(shè)備，它可以在不干擾運(yùn)算器的正常運(yùn)行情況下，實(shí)時(shí)的檢測(cè)CPU的內(nèi)部工作情況。像桌面調(diào)試軟件所提供的:復(fù)雜的條件斷點(diǎn)、先進(jìn)的實(shí)時(shí)跟蹤、性能分析和端口分析這些功能，它也都能提供。IMT一般都有一個(gè)比較特殊的CPU，稱為外合(bond-out)CPU。這是一種被打開(kāi)了封裝的CPU，并且通過(guò)特殊的連接，可以訪問(wèn)到CPU的內(nèi)部信號(hào)，而這些信號(hào)，在CPU被封裝時(shí)，是沒(méi)法“看到”的。當(dāng)和工作站上強(qiáng)大的調(diào)試軟件聯(lián)合使用時(shí)，IMT就能提供你所能找到的最全面的調(diào)試功能。

9結(jié)語(yǔ)

虛擬化技術(shù)是當(dāng)今企業(yè)熱門(mén)技術(shù)之一，而服務(wù)器虛擬化技術(shù)能夠?yàn)槠髽I(yè)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合、降低總體擁有成本等眾多優(yōu)勢(shì)，提高基礎(chǔ)架構(gòu)的利用率。通過(guò)將基礎(chǔ)架構(gòu)資源池化并打破一個(gè)應(yīng)用一臺(tái)物理機(jī)的藩籬，虛擬化大幅提升了資源利用率。通過(guò)減少額外硬件的采購(gòu)，企業(yè)可以獲得大幅成本節(jié)約通過(guò)將操作系統(tǒng)和應(yīng)用從服務(wù)器硬件設(shè)備隔離開(kāi)，病毒與其他安全威脅無(wú)法感染其他應(yīng)用。通過(guò)將物理服務(wù)器整合后，可以在服務(wù)器、相關(guān)的硬件設(shè)備、能源成本、冷卻成本以及占地空間方面節(jié)約大量IT投入成本，還有大量的IT人力成本。如果有更多的物理服務(wù)器，那么這個(gè)成本的節(jié)約會(huì)更多?？萍及l(fā)展無(wú)止境，未來(lái)在網(wǎng)絡(luò)虛擬化領(lǐng)域更加完善，更能推動(dòng)云計(jì)算的發(fā)展，為廣大用戶在學(xué)習(xí)生活工作提供更為便利的服務(wù)，這也需要一代代人的共同努力。