云计算环境下的服务器虚拟技术研究

李 奇，赵蔚含

(河北传媒学院，河北 石家庄 050000)

0 引言

当今随着智能电网创建的需求量越来越大，对信息化的管控体系的实行速度提出了相对严格要求。若是相同时间内服务器的访问量超过所配置的额度，就会占据更多的资源，进而影响服务器的承载能力，甚至会导致服务器崩溃等问题[1]。虚拟化技术的快速发展与采用，高效地解决此类问题。它可以把虚拟数据存放在资源库中，使用虚拟主机替换物理主机，这样一方面可以减少硬件的成本，另一方面还可以提升软件的运转速度。

1 虚拟化与云计算的联系

1.1 虚拟化的意义

在日常生活中网络、云计算、大数据等字眼已经不再陌生，要想实现这些网络热词并没有那么简单，虚拟化技术可以有效地解决在这些操作上所出现的问题。

虚拟化可将各种物理资源如服务器、存储器、网络等进行抽象化和转换从而打破现实结构间不可切割的障碍，以便于用户可以更好地使用和应用这些资源，且这些虚拟出来的资源不受现有的资源架构方式、地域、物理配置的限制。

虚拟化技术是现如今比较热门的一项技术，也是云计算的核心之一，它能够实现的功能有很多种，如：实现IT资源的弹性分配或使IT资源分配更加灵活，满足多样化应用需求。

虚拟化技术其实就是使用软件的方法去重新定义以及划分IT资源，能够实现IT资源动态分配、灵活调度、跨域共享、提高IT资源的使用频率，虚拟化技术就是为了能够使IT资源能够真正地成为社会中的基础设施，更好地服务于各个行业及领域。

1.2 虚拟化的分类

1.2.1 根据实现机制分类

(1)全虚拟化：比较原始的虚拟化技术，是指虚拟的操作系统与底层的硬件完全隔离，中间的虚拟机管理层转化为虚拟客户操作系统对底层硬件的调用代码，全虚拟化不需要更改客户端的操作系统，兼容性比较好，全虚拟化的运行速度快，但是性能方面还是稍有不足。

(2)半虚拟化：在虚拟的客户操作系统中融入一些类似特殊的虚拟化指令，相对半虚拟化来说需要按照客户的操作系统去做一些修改。

(3)硬件辅助虚拟化：由硬件的厂商企业提供功能的虚拟化，目的是去辅助和配合半虚拟化使用。

1.2.2 根据应用分类

虚拟化技术可以根据虚拟化的应用分为3个不同的类别：应用的虚拟化、桌面的虚拟化和系统的虚拟化。

1.2.3 服务器虚拟化概述

服务器虚拟化是指将服务器中的物理资源抽象形成逻辑资源的过程，就是让一台服务器变成若干个相互的虚拟的服务器，这样就不会再受物理上的界限了(见图1)。此时CPU、内存、磁盘、I/O设备等硬件设备就变为了一个动态的、可以进行动态管理的“资源池”，这样大大地提高了利用率，同时也简化了系统的管理，以便于实现服务器的整合以及改善IT对业务的变化的适应性[2]。

图1 服务器虚拟化

1.3 云计算概述

当今有关“云”的说法不管是在生活中还是网络都是热议的话题，如：百度网盘云备份、手机云备份、iOS的iClould、阿里云、华为云等在日常生活已经不再陌生。云计算其实就是通过互联网将一个计算机中的某一项计算的任务分发给一个或多个计算机，并且还可以配置共享计算机的资源池、软件和一些信息技术，而且云计算是基于互联网、按需服务、资源池化、高可用性、资源可控性的，使用起来非常方便快捷，大大提高了资源的利用率。

云计算的体系分为3个层次：IaaS，PaaS，SaaS(见图2)。

图2 云计算架构

1.3.1 IaaS(基础设施即服务)

这一层的作用就是将各个底层存储的资源作为一个服务提供给用户使用，但是用户不能管理和控制任何云计算的基础设施，但完全可以去控制操作系统的选择以及存储空间的分配，也能够去获取网络的控制。

1.3.2 PaaS(平台即服务)

它就是一个平台，用户可以在这个平台上做自己所需的研究，比如研究自己的软件或者是产品，部署自己的应用和应用环境，不用去考虑其底层的建设设施、网络、操作系统等。

1.3.3 SaaS(软件即服务)

SaaS为用户搭建了一个信息化的基础网络设施，包括软硬件运行和操作的平台，还负责前期和后期的维护和处理等一系列的服务，用户只需要通过终端就可以去访问，也可以通过Web的形式去访问、使用、管理、运维。

云计算的模式有很多种，通常都是按照云计算的服务进行分类的，可以分为4种：公有的云、私有的云、混合的云、行业的云。

1.4 云计算与虚拟化的关系

虚拟化计算的本质就是为云计算提供服务的，顾名思义虚拟化是为云计算服务的。虚拟化其实就是把资源进行池化统一收集，然后再划分资源，但虚拟化技术也包括将多个资源整合形成一个虚拟的资源。云计算技术的本质就是构建大规模的系统资源库且是分布式的，将系统的计算分布成资源池，实现数据共享计算模式和服务共享模式相结合形成结合体[3]。

虚拟化会更加注重资源隔离，而云计算就更加注重按需服务，虚拟化和云计算之间的关系没有必然性，它们之间不是必须有联系，但是虚拟化技术可以加快云计算的发展。

2 虚拟化架构如何在云计算的环境中应用

2.1 四大虚拟化架构

虚拟化需要使用软件来模拟硬件并创建虚拟的计算机操作系统，这就需要虚拟机的加持才能完成。每一台虚拟机都是功能独立的一台虚拟计算机。一台计算机上可以放置多台虚拟机，这样就可以在一台服务器上去运行多个操作和应用，从而提高使用的效率，市面上比较成熟的虚拟化技术有很多，如：Hyper-V虚拟化技术、Xen虚拟化技术、KVM虚拟化技术、VMware VSphere 虚拟化技术等[4]。

2.1.1 ESX的虚拟化架构

ESX是VMware的虚拟化产品，ESX的服务器基于Linux操作系统，在Linux操作系统下进行搭建底层和操作管理底层，通过Linux操作系统来加载ESX的虚拟化组件，在底层搭建的虚拟机可以管理本地实体，它所承载的虚拟机的调度就是调度硬件的资源，而虚拟机是通过VMkernel直接进行访问的(见图3 )。

图3 ESX虚拟化架构

2.1.2 Hyper-V的虚拟化架构

Hyper-V的虚拟化是微软的一款虚拟化的产品，也是微软第一个采用开源的技术且又基于Hypervisor的一项技术，Hyper-V其实是一种系统管理程序的虚拟化技术，它能够实现桌面虚拟化，其实Hyper-V就是基于Hypercisor的一项技术，它只是实现了CPU的调度问题及内存资源的分配问题，而且它还进行了分区，分别由子分区和父分区。

2.1.3 Xen的虚拟化架构

Citrix公司有三大最主要的产品：服务器虚拟化 XenServer、应用虚拟化XenAPP和XenDesktop桌面虚拟化。

Xen虚拟化技术是一个能够直接运行在计算机硬件之上替代操作系统的软件层。Xen虚拟化技术是支持多种类的处理器，这就是Xen可以在很多计算上运行的原因(见图4)。

图4 Xen 虚拟化架构

2.1.4 KVM的虚拟化架构

KVM一般是在Linux的基础之下，KVM虚拟化技术连同Xen虚拟化技术一样都是开源的，KVM虚拟化技术主要基于内核虚拟机，KVM虚拟化技术的本身也同样是支持多种而且广泛的虚拟化的CPU架构的(见图5)。

图5 KVM 虚拟化架构

KVM虚拟化技术充分利用了CPU硬件辅助虚拟化的功能，并且重复使用了Linux内核的许多功能，这样就使KVM的本身非常小，运行的速度快，KVM的物理设备也可以支持Linux的物理设备，使用起来非常方便。

2.2 VMware VSphere 虚拟化技术

VMware VSphere是目前行业内的佼佼者，也是最可靠的虚拟化平台，在工作、日常生活、学习中都广泛被利用和应用。VSphere是VMware所推出来的基于云计算的新一代数据中心的虚拟化产物(见图6)。

图6 VSphere 架构

VMware VSphere是一个可靠的虚拟化平台，它能够使每一种应用程序的工作所承载的工作量去履行高一级别的应用程序服务的协议。

VMware VSphere虚拟化技术也有自己的平台架构，从自身系统的架构来看，它可以分为几个不同的层次，分别为：虚拟化层、管理层、接口层。通过这样的分层能够更加有效地去利用所需要的虚拟化资源，这样使用起来可以灵活可靠[5]。

ESXi是vSphere非常重要的一部分，负责把计算机的物理资源转化为逻辑资源，从而高效率地利用计算机资源，VMware ESXi的作用有很多，其有7个重要的功能：生成镜像、面向用户的无状态防火墙、SNMP增强的支持、系统安全日志、自动部署、扩展增强ESXi框架、新一代虚拟机的硬件。

2.3 XenServer的虚拟化技术

XenServer 服务器虚拟化系统是通过更快的应用交付、更高的IT资源可用性和资源的利用率，让数据中心能够变得更加灵活且具有高效性。

XenServer其实也是一个虚拟化的平台，不同于VMware vSphere 的另外一种服务器虚拟化平台，它是一个功能性及其强大且丰富的平台。它具备着卓越的开放性架构、性能、存储，而且XenServer 服务器虚拟化平台为众多的企业提供虚拟化平台。

XenServer也可以理解为是位于操作系统及硬件之间的服务平台，为操作系统和硬件之间牵线，负责为其上层运行的操作系统内核提供虚拟化的硬件的资源，XenServer负责管理和分配这些资源，确保上层虚拟机之间互不干扰。

2.4 KVM 虚拟化技术

KVM虚拟化技术目前被人们广泛使用[6]。KVM是基于内核的虚拟机，KVM运行多种无需修改的Windows和Linux的虚拟机操作系统，KVM能够支持监控程序：

(1)系统资源过度分配的功能——资源超分。

(2)配置极为精简，允许灵活分配和优化磁盘的空间——精简配置。

(3)能够允许共享相同的高频率使用的数据或者是内存——共享内存。

(4)管理虚拟化的节点——集中管理。

(5)防止虚拟机过度地使用共享的资源——磁盘性能保护。

(6)自动化NUMA性能平衡，把现在所执行的任务移到和所需要的内存更加接近的地方——性能平衡。

(7)能够根据虚拟机的需要增加处理的能力以便于满足工作量的需求——虚拟CPU热添加。

libvirt目前是市面上最为常见的可以对KVM虚拟机进行管理的工具以及API。libvirt程序包是一个与虚拟机监控程序相独立的虚拟化应用程序接口，其能够与操作系统的一系列虚拟化性能进行交互。其能够提供稳定的通用层从而管理主机上的虚拟机，提供管理本地系统和互联网主机的通用接口，在虚拟机监控程序支持的情况下部署、创建、修改、监督、控制、迁移。

virsh是基于libvirt API创建的，可以用作创建虚拟化的任务从而管理脚本，没有权限的用户只能运行只读模式，只有具备权限的用户才可以使用所有的管理功能。

虚拟机需要从KVM的存储器中去提取空间，然后再与虚拟机相连接。KVM虚拟化技术的存储技术有：本地储存池、网络储存池、存储卷、仿真存储设备、镜像文件(见图7)。

图7 KVM 架构

3 虚拟化在云计算中的应用

现在全球的云计算都在迅速的发展，许多互联网公司不管是国内还是国外的都在选用云服务。到目前为止，在全球排名前50万的网站中，已经有大约2%采用了公有云服务商提供的服务了。而80%的网站采用的是亚马逊的云服务还有Rackspace提供的云服务。现如今大型的云服务提供商已经明显主导市场，在国外新生出来的互联网公司大多数都是用的云服务，可见云服务的发展是非常快速的。

现如今的云计算可以带动人工智能、物联网、区块链等等相关的技术，而且还占有一定的优势，但是有的公司的云计算价格非常的贵，有的价格就相对便宜，可以说价格和服务已经成为各个公司、网站竞争的重要手段了。

在技术层面，虚拟化技术正在面临着平台的开放化、链接协议的标准化、客户端的硬件化，及公有云、私有云这四大发展的趋势。

在硬件层面，需要看市场的竞争力、提供的解决方案等等。

如今虚拟化技术已经在飞速发展，如何把市场的需求得到完美的诠释和解决已经成为企业资源管理的重中之重了。

4 结语

本文围绕虚拟化与云计算技术的实际操作，云计算概念的提出和服务器虚拟化技术的发展，讨论了云计算的实现需要服务器虚拟化的技术支持，相信服务器虚拟化技术在云计算的推动下会得到很好的发展，随着云计算的实现和推广，服务器虚拟化技术将得到进一步的发展。