服務(wù)器虛擬化淺析

摘 要：虛擬化是云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的核心技術(shù)。通過(guò)虛擬化技術(shù)可以將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的型號(hào)、規(guī)格、配置不一的服務(wù)器資源進(jìn)行整合，形成一個(gè)獨(dú)立于底層物理設(shè)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(jù)中心運(yùn)營(yíng)的成本。

關(guān)鍵詞：虛擬化；服務(wù)器；資源整合

中圖分類號(hào)：TP368.5

1 虛擬化

虛擬化技術(shù)通過(guò)軟件將底層的硬件資源切分（或整合）成多個(gè)（或一個(gè)）邏輯的運(yùn)行環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)部分或完全的機(jī)器模擬和時(shí)間共享。虛擬技術(shù)在服務(wù)集成、安全計(jì)算、多操作系統(tǒng)并行運(yùn)行、內(nèi)核的調(diào)試與開發(fā)、系統(tǒng)遷移、軟件測(cè)試等方面都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前許多大型數(shù)據(jù)中心已經(jīng)應(yīng)用了虛擬化技術(shù)。服務(wù)器虛擬化后，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的屏蔽，讓系對(duì)外表現(xiàn)出的不是真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)方式，而是一種邏輯化的運(yùn)行方式。目前按虛擬化的層次可以將虛擬化分為分網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化、表示層虛擬化等[1]。

2 服務(wù)器虛擬化

在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中，大型服務(wù)器往往都具有很高的性能，但每個(gè)服務(wù)器都只能運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，而一個(gè)操作系統(tǒng)一般只能運(yùn)行一個(gè)服務(wù)程序，其本質(zhì)是所有用戶的進(jìn)程都是在同一個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)例中運(yùn)行。因此服務(wù)器的諸多功能得不到應(yīng)用。服務(wù)器虛擬化在硬件的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)虛擬平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上將物理服務(wù)器封裝成多個(gè)虛擬服務(wù)器（虛擬機(jī)），從而將CPU、內(nèi)存、I/O等服務(wù)器資源轉(zhuǎn)化為一組統(tǒng)一管理、可靈活調(diào)度、動(dòng)態(tài)分布的邏輯資源[2]。并且虛擬機(jī)之間彼此隔離，互不干擾，共同享用物理服務(wù)器提供的資源。這樣就可以將原先運(yùn)行在多個(gè)服務(wù)器上的不同應(yīng)用運(yùn)行在虛擬出來(lái)的若干虛擬機(jī)上，從而可以減少服務(wù)器數(shù)量，達(dá)到提高資源的利用率、降低運(yùn)營(yíng)成本、節(jié)省物理存儲(chǔ)空間和電能的目的。

3 服務(wù)器虛擬化的優(yōu)勢(shì)

對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行虛擬化改進(jìn)能使服務(wù)器或者服務(wù)器群在以下幾方面得到顯著的提高。

（1）提升了服務(wù)器資源的利用率，服務(wù)器虛擬化可以將原來(lái)空閑的資源充分利用起來(lái)。實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度和按需分配；（2）降低了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本，服務(wù)器虛擬化將不同的物理設(shè)備抽象成一個(gè)透明的抽象的資源池，一方面可以充分利用原有的低級(jí)的異構(gòu)的設(shè)備。另一方面使管理者擺脫了與分散的異構(gòu)的繁瑣的物理服務(wù)器、操作系統(tǒng)、中間件及兼容性等問(wèn)題打交道的管理工作；（3）減少了能源的浪費(fèi)，服務(wù)器虛擬化可以在同一臺(tái)服務(wù)器上虛擬出若干虛擬機(jī)來(lái)運(yùn)行多個(gè)程序，減少了電能消耗，達(dá)到了綠色節(jié)能的目的；（4）實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)部，虛擬化技術(shù)將服務(wù)器抽象成無(wú)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的虛擬服務(wù)器池，資源調(diào)配工具可以將運(yùn)行中的虛擬機(jī)在線遷移至擁有更多資源的其他服務(wù)器上，或者靈活調(diào)整其他虛擬機(jī)，從而匹配工作負(fù)載，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和資源的最優(yōu)化[3]；（5）提高了應(yīng)用的兼容性，在大量的異構(gòu)的設(shè)備上兼容性問(wèn)題特別突出，虛擬化可以避免異構(gòu)帶來(lái)的不兼容性問(wèn)題。

4 服務(wù)器虛擬化的目標(biāo)

服務(wù)器虛擬化的目標(biāo)主要是將物理機(jī)的三種硬件資源虛擬化：CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、設(shè)備與I/O虛擬化。

4.1 CPU虛擬化

CPU虛擬化技術(shù)把服務(wù)器的物理CPU分割成若干CPU，任意時(shí)刻一個(gè)物理CPU能運(yùn)行一個(gè)虛擬CPU的指令。但是每個(gè)用戶操作系統(tǒng)可以使用一個(gè)或多個(gè)虛擬CPU，這些虛擬機(jī)的CPU之間彼此隔離，互不影響。基于X86架構(gòu)的操作系統(tǒng)必須直接運(yùn)行在物理機(jī)器上，完全擁有底層的物理機(jī)硬件，且X86體系機(jī)構(gòu)中處理器有四個(gè)運(yùn)行級(jí)別，分別是Ring0、Ring1、Ring2和Ring3。一般只有當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行在最高級(jí)別即Ring0上時(shí)才能直接控制和修改CPU狀態(tài)。因此，要在X86體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)虛擬化就必須在Ring0下面加入虛擬層，然而這樣會(huì)使運(yùn)行在Ring0上的某些特權(quán)指令不能被操作，最終導(dǎo)致硬件不能被虛擬機(jī)操控。為了解決這個(gè)問(wèn)題就出現(xiàn)了半虛擬化技術(shù)和完全虛擬化技術(shù)。

半虛擬化：它利用Hypervisor來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的共享訪問(wèn)，但是由于在Hypervisor上面運(yùn)行的客戶操作系統(tǒng)已經(jīng)集成與半虛擬化有關(guān)的代碼，當(dāng)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(dòng)配合虛擬機(jī)監(jiān)視器對(duì)虛擬化平臺(tái)進(jìn)行超級(jí)調(diào)用來(lái)完成特權(quán)指令的執(zhí)行，其經(jīng)典的產(chǎn)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(wù)器和底層硬件之間建立一個(gè)抽象層來(lái)捕捉那些對(duì)虛擬化敏感的特權(quán)指令并采用二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)（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(jī)監(jiān)視器中，虛擬監(jiān)視器將這些指令轉(zhuǎn)換成功能相同的指令后再執(zhí)行，而對(duì)于非敏感的指令則可以直接在物理處理器上運(yùn)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(nèi)存虛擬化

物理內(nèi)存是一段連續(xù)的地址空間，上層應(yīng)用對(duì)內(nèi)存地址的訪問(wèn)是隨機(jī)的，目前操作系統(tǒng)主要采用段式、頁(yè)式、段頁(yè)式、多級(jí)頁(yè)表、緩存等多種技術(shù)來(lái)管理內(nèi)存。但是所有的指令都需要通過(guò)內(nèi)存?zhèn)鬟f給CPU，最終耗盡內(nèi)存資源，成為提高計(jì)算機(jī)性能的拼勁。內(nèi)存虛擬化技術(shù)就是將物理機(jī)的物理內(nèi)存虛擬化成多個(gè)虛擬內(nèi)存并根據(jù)需要分配給若干虛擬機(jī)，使每個(gè)虛擬機(jī)擁有獨(dú)自的內(nèi)存空間。虛擬機(jī)的內(nèi)存管理單元將內(nèi)存重新分為物理內(nèi)存（虛擬機(jī)內(nèi)存）、機(jī)器內(nèi)存（物理機(jī)內(nèi)存）和邏輯內(nèi)存三種類型。為了保證各個(gè)虛擬機(jī)對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)的連續(xù)性、一致性，虛擬機(jī)監(jiān)視器需要維護(hù)物理機(jī)內(nèi)存地址塊和虛擬機(jī)內(nèi)部看到的連續(xù)的內(nèi)存地址塊之間的映射關(guān)系。目前，內(nèi)存虛擬化中主要通過(guò)影子頁(yè)表法和頁(yè)表寫入法兩種方式實(shí)現(xiàn)三種內(nèi)存之間的映射和管理。

影子頁(yè)表：每個(gè)虛擬機(jī)都維護(hù)有一張自己的“物理頁(yè)表”，虛擬機(jī)監(jiān)視器根據(jù)每個(gè)虛擬機(jī)的物理頁(yè)表為每個(gè)虛擬機(jī)建立一張對(duì)應(yīng)與機(jī)器內(nèi)存之上的頁(yè)表，這樣虛擬機(jī)內(nèi)存和機(jī)器內(nèi)存之間就建立起了映射關(guān)系。頁(yè)表寫入法：當(dāng)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)想要?jiǎng)?chuàng)建一張新的頁(yè)表時(shí)就需要向虛擬機(jī)監(jiān)視器注冊(cè)，虛擬機(jī)監(jiān)視器奪過(guò)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的讀寫權(quán)限，向客戶操作系統(tǒng)內(nèi)存中寫入機(jī)器內(nèi)存的地址，這樣虛擬機(jī)就可以通過(guò)自己的頁(yè)表獲得真是主機(jī)的內(nèi)存地址了。

4.3 設(shè)備與I/O虛擬化

設(shè)備與I/O虛擬化將物理機(jī)的設(shè)備與I/O包裝并虛擬化成多個(gè)虛擬設(shè)備來(lái)響應(yīng)每個(gè)虛擬機(jī)的設(shè)備訪問(wèn)和I/O請(qǐng)求。這些被虛擬出來(lái)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的虛擬設(shè)備的型號(hào)、配置、參數(shù)等不一定與物理設(shè)備的相同，但是它們可以很好地模仿物理設(shè)備的動(dòng)作，將虛擬機(jī)設(shè)備的操作轉(zhuǎn)移給物理設(shè)備并將物理設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果返回給虛擬機(jī)。從而屏蔽了底層設(shè)備的復(fù)雜性，讓虛擬機(jī)運(yùn)行在獨(dú)立于物理層的虛擬環(huán)境中，并輕松實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)遷移。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，利用虛擬化技術(shù)將資源封裝為服務(wù)交付給用戶，減少了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本；借助虛擬化技術(shù)的伸縮性和靈和性，簡(jiǎn)化了資源和服務(wù)的管理和維護(hù)，極大提高了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器資源的利用率；利用標(biāo)準(zhǔn)化將異構(gòu)的硬件資源抽象成統(tǒng)一的資源池，方便了服務(wù)的開發(fā)和交付，縮短了部署時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器資源的按需分配和統(tǒng)一管理。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李雙權(quán)，王燕偉.云計(jì)算中服務(wù)器虛擬化技術(shù)的探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2011.

[3]劉剛.服務(wù)器虛擬化技術(shù)[J].高興技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012.

[4]楊望仙，朱定局，謝毅.虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中的研究進(jìn)展[J].信息通信，2011.

作者簡(jiǎn)介：胡章榮（1988-），男，四川鹽源人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；王朝斌（1970-），男，重慶忠縣人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，西華師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心主任，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)及信息安全技術(shù)；高潤(rùn)芳（1990-），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：西華師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川南充 637002