基于虛擬化技術(shù)的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建研究

摘 要：云計(jì)算已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，本文分析研究了虛擬化技術(shù)在云計(jì)算實(shí)現(xiàn)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了云計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算系統(tǒng)的遠(yuǎn)程計(jì)算等功能。

關(guān)鍵詞：虛擬化；云計(jì)算；平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP3

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)是將云計(jì)算系統(tǒng)的底層資源開放，服務(wù)器等的物理資源進(jìn)行整合集中，提供給客戶一個(gè)資源共享接口。這個(gè)接口使得IT行業(yè)能為其他行業(yè)提供虛擬的計(jì)算和數(shù)據(jù)資源，使得網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算單元、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)帶寬等硬件資源集成，作為一個(gè)虛擬的資源中心，為整個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的客戶服務(wù)。相當(dāng)于把不同位置或者不同公司的服務(wù)器集成為網(wǎng)絡(luò)可訪問的云端設(shè)備，使得有資源需求的客戶能夠使用。這樣通過虛擬的資源中心提供給客戶使用，而資源中心通過開放硬件的使用權(quán)，而使用者付費(fèi)來獲得一定程度的使用權(quán)。該應(yīng)用模式的優(yōu)勢(shì)是使得用戶能夠動(dòng)態(tài)申請(qǐng)或者釋放節(jié)點(diǎn)，而這種服務(wù)器的規(guī)模一般都是非常大的，數(shù)量可以達(dá)到幾十萬臺(tái)，用戶在按使用量付費(fèi)時(shí)，可以認(rèn)為資源是無限的，而因?yàn)槠鋺?yīng)用范圍廣泛，其應(yīng)用率也非常高。

平臺(tái)即服務(wù)的客戶主要是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)者們，給客戶提供整個(gè)平臺(tái)環(huán)境，而客戶將這種平臺(tái)視作一種服務(wù)，在這樣的平臺(tái)基礎(chǔ)上，開發(fā)各自的應(yīng)用程序，并通過其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給軟件需求者，這種模式為軟件開發(fā)者提供了應(yīng)用軟件的研發(fā)平臺(tái)，如數(shù)據(jù)庫(kù)、試驗(yàn)等多種服務(wù)。

通過分析比較云計(jì)算和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)可以歸結(jié)為如下所示：

（1）網(wǎng)絡(luò)訪問的便利性：云計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)資源可以完成的功能比較多樣，而使用者經(jīng)由一致的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，來達(dá)到由不同的客戶端及網(wǎng)絡(luò)連接訪問資源中心，進(jìn)而獲得相應(yīng)的服務(wù)功能；（2）資源共享中心：云計(jì)算服務(wù)商將各種資源集成到資源中心，多個(gè)用戶可以同時(shí)訪問資源中心，根據(jù)用戶的不同需要?jiǎng)討B(tài)地分配物理資源和各種虛擬資源，而由于資源的地理地址是對(duì)使用者保密的，服務(wù)使用者一般不會(huì)關(guān)心所使用資源的地理位置等信息，也沒有權(quán)限去控制這些資源的分配，而用戶能夠通過付費(fèi)來利用這些資源；（3）服務(wù)是由用戶申請(qǐng)而定的：客戶根據(jù)自身的需求，來確定所需要的云計(jì)算資源，甚至不需要有和云計(jì)算服務(wù)提供商的交互溝通問題；（4）動(dòng)態(tài)而靈活：對(duì)云計(jì)算服務(wù)的使用者來說，云計(jì)算服務(wù)資源是比較多樣的，用戶可以隨時(shí)購(gòu)買并使用；（5）計(jì)量付費(fèi)服務(wù)：云計(jì)算系統(tǒng)通常都是付費(fèi)使用模式，以此來達(dá)到資源的合理控制及優(yōu)化，而其費(fèi)用計(jì)量的度量指標(biāo)也要由服務(wù)類型不同而變化。

1 虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用

云計(jì)算實(shí)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)系到很多問題的過程，而虛擬化技術(shù)是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，虛擬化的順利應(yīng)用與否影響到云計(jì)算服務(wù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)方面的虛擬化，指的是計(jì)算的基礎(chǔ)是在虛擬資源上，而不像現(xiàn)實(shí)中的計(jì)算機(jī)，虛擬化技術(shù)使得計(jì)算的硬件資源得到很大地優(yōu)化，如將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于單個(gè)CPU，則可以虛擬出多個(gè)CPU并行運(yùn)行，從而可以使得多個(gè)操作系統(tǒng)在CPU上運(yùn)行，應(yīng)用程序也可以在相互獨(dú)立的各類資源空間運(yùn)行，計(jì)算機(jī)的利用率得到了很大地提高。虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用大致如下所示：

1.1 全虛擬化

這種虛擬化方式是利用虛擬機(jī)管理器，把需要虛擬化的硬件設(shè)備進(jìn)行徹底虛擬化，通過這樣的技術(shù)手段，使得虛擬化處理后的硬件設(shè)備具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的功能，能夠進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)訪問等各種功能。這種虛擬化計(jì)算機(jī)組中的每個(gè)計(jì)算機(jī)，可能具有不同的操作系統(tǒng)，這并不影響它們組合；而且操作系統(tǒng)不需要修改內(nèi)核，也能在虛擬化計(jì)算機(jī)組中運(yùn)行。操作系統(tǒng)中的指令大部分可以虛擬化，不能虛擬化的指令，可使用虛擬機(jī)管理器來將這些指令進(jìn)行譯碼，使得操作系統(tǒng)和虛擬計(jì)算機(jī)組基本可以很好對(duì)兼容，總體上節(jié)約了硬件資源，而且也使得服務(wù)更加完善。

1.2 半虛擬化

和上述與操作系統(tǒng)的很好地兼容不同，這種方式需要通過操作系統(tǒng)來達(dá)到虛擬化的目的。而且該方式需要修改一部分操作系統(tǒng)的內(nèi)核，以達(dá)到部分不能直接虛擬化指令的通用性，也就是非底層軟件不能直接使用的指令用修改后的指令更換，這樣來實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的完整功能。在這種虛擬化環(huán)境中，操作系統(tǒng)能夠識(shí)別出是在虛擬環(huán)境運(yùn)行或物理環(huán)境運(yùn)行。

1.3 硬件虛擬化

從上可以看出，軟件都進(jìn)行了一定程度地虛擬化，硬件虛擬化則不需要。但其也需要一定的硬件指令來進(jìn)行虛擬化，這種虛擬化方式，使得虛擬機(jī)管理器和操作系統(tǒng)可以在不同環(huán)境中運(yùn)行，如虛擬機(jī)管理器可以物理環(huán)境運(yùn)行，而操作系統(tǒng)則可以在虛擬環(huán)境中運(yùn)行；甚至是依據(jù)客戶的需要來決定其運(yùn)行環(huán)境，因?yàn)樘摂M環(huán)境中操作系統(tǒng)的計(jì)算速度比較慢。相對(duì)于上述涉及軟件虛擬化來說，硬件虛擬化能夠一定程度增加資源的利用率，使得計(jì)算機(jī)計(jì)算速度更快，減少了中間譯碼的時(shí)間，而且虛擬機(jī)管理器的結(jié)構(gòu)與原理變得容易設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的性能變得穩(wěn)定可靠。

2 云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 云計(jì)算平臺(tái)的組成部分

本文中的管理平臺(tái)主要是由以下部分組成：虛擬化內(nèi)核平臺(tái)（操作系統(tǒng)級(jí)）、虛擬化管理系統(tǒng)（應(yīng)用軟件級(jí)）以及云業(yè)務(wù)管理中心。虛擬化內(nèi)核平臺(tái)的實(shí)際作用是硬件設(shè)備層以及操作系統(tǒng)的連接與過渡，平臺(tái)中的操作系統(tǒng)需要使用底層硬件資源時(shí)，由于硬件的底層結(jié)構(gòu)可能不同，為了減少這種差異對(duì)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行的影響，避免操作系統(tǒng)因硬件結(jié)構(gòu)不同而采用不同的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)過多，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行速度。也一定程度的提升了硬件的兼容性以及可靠性等。虛擬化管理系統(tǒng)的作用則是使數(shù)據(jù)中心內(nèi)的運(yùn)算及存儲(chǔ)等硬件資源的虛擬化，使得上層應(yīng)用可以在不同的硬件設(shè)施上執(zhí)行，同時(shí)也可以使得上層應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境得到自動(dòng)化的保護(hù)。業(yè)務(wù)范圍一般有：虛擬計(jì)算、虛擬網(wǎng)絡(luò)等。云業(yè)務(wù)管理中心則是一系列云基礎(chǔ)業(yè)務(wù)模塊組成的，把云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的計(jì)算、存儲(chǔ)等架構(gòu)資源按一定的方式集成，使用戶根據(jù)需求來確定資源組合，最終構(gòu)成用戶的組合集。業(yè)務(wù)范圍有：自助式服務(wù)門戶、虛擬式數(shù)據(jù)中心等。

2.2 虛擬化平臺(tái)的特征

管理平臺(tái)能夠把服務(wù)器計(jì)算機(jī)和虛擬機(jī)集成到整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)中，不但有比較分明的分層結(jié)構(gòu)，展示了數(shù)據(jù)中心、主機(jī)等之間的邏輯及功能聯(lián)系，極大地減少了資源管理的負(fù)擔(dān)。而對(duì)于這樣將整個(gè)集群進(jìn)行管理還有如下的優(yōu)勢(shì)，如：（1）管理員可以經(jīng)過一個(gè)友好而功能完善的人機(jī)接口，對(duì)整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)監(jiān)控及實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到縮減管理過程及減少成本的目的；（2）管理的難度降低，同時(shí)也具有了很高的可靠性，當(dāng)某一主機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，在云計(jì)算系統(tǒng)中的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上重啟受到影響的虛擬機(jī)；（3）云計(jì)算系統(tǒng)的管理平臺(tái)中的文件系統(tǒng)，不同于普通操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，能夠使得不同的云計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問同一虛擬機(jī)文件。而由于虛擬架構(gòu)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)實(shí)際上是被集成為一個(gè)檔案文件以及幾個(gè)環(huán)境配置文件，把這些文件存放在存儲(chǔ)陣列中，不同服務(wù)器中的虛擬機(jī)也就可以訪問該文件，從而防止單點(diǎn)故障的發(fā)生。

2.3 云計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理模塊是負(fù)責(zé)依據(jù)一定的規(guī)則，使得資源使用者依據(jù)一定的規(guī)則，獲取云計(jì)算中計(jì)算機(jī)的虛擬機(jī)管理權(quán)限，每隔一定的時(shí)間獲取一次訪問計(jì)算機(jī)及虛擬機(jī)信息，使得用戶也能實(shí)時(shí)跟蹤云計(jì)算系統(tǒng)的硬件變化。輔助功能模塊則主要是事件追蹤等功能，是借由日志記錄實(shí)現(xiàn)的。界面功能模塊則是把云計(jì)算系統(tǒng)中的軟硬件信息反饋給管理員，使得云計(jì)算系統(tǒng)的軟硬件得到實(shí)時(shí)監(jiān)控。Vnc功能模塊則是實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)人機(jī)接口，可以在用戶計(jì)算機(jī)上，遠(yuǎn)程訪問云計(jì)算主機(jī)的虛擬機(jī)中。

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作者簡(jiǎn)介：陳昌豪（1961.02-），布依族，貴州惠水人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

作者單位：貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州凱里 556000