云计算（三）——虚拟化技术

虚拟化技术

虚拟化是云计算的核心技术，但不是其专用技术

本质是通过添加虚拟化层将原先的物理设备进行逻辑化，转化成一个文件夹或文件，实现软硬件的解耦

虚拟化层次

虚拟机可以看作物理机的一种高效隔离的复制。

层次之间比较：

硬件级虚拟化

​ 添加称为虚拟化层的软件管理客户操作系统，使其能够独立于主机操作系统同时运行在同一个硬件上（VMM：Virtual Machine Monitor）

​ 虚拟化层用于虚拟化基础设备：CPU、内存、存储、IO、网络

优势：

• 封装性
• 多实例
• 隔离
• 硬件无关行
• 特权功能

条件：

• 特权指令：管理和操作关键系统资源的指令，只有在最高特权级才能执行

• 敏感指令：操作特权资源的指令

  • 修改虚拟机运行模式或者物理机状态
  • 读写敏感的寄存器或内存，如时钟或中断寄存器
  • 访问存储保护系统、内存系统或地址重定位系统

​ 客户机操作系统的敏感指令都是特权指令才能实现虚拟化——陷入VMM，或者客户机系统的所有指令全部由VMM执行

硬件对象：

CPU

• 任意时刻一个物理CPU只能运行一个虚拟CPU
• 每个客户操作系统可以使用一个或多个虚拟CPU
• 各个操作系统之间虚拟CPU相互隔离，互不影响

调度：VMM决定当前哪个虚拟CPU在物理CPU上执行，保证隔离、公平和性能

执行：虚拟CPU正确运行是保证虚拟机指令正确运行，实现技术包括模拟执行和监控执行

虚拟化方式：

• 基于软件的完全虚拟化：一切为VMM掌控，底层硬件与上层客户操作系统互不知晓
• 基于硬件辅助的虚拟化：硬件中加入针对虚拟化的支持，使得系统软件更加容易高效地实现虚拟化
• 改操作系统的类虚拟化：修改暴露给虚拟机的硬件抽象和上层操作系统；修改后的操作系统能意识到虚拟环境的存在

类虚拟化的三大优势：

• 通过消减冗余代码、减少地址空间切换和跨特权级切换、减少内存复制等，优化虚拟化的性能开销
• 一定程度上消除了虚拟层和上层操作系统间的语义鸿沟：操作系统内部运行状态能被VMM获得
• 使得硬件抽象层的抽象高度更加灵活，为实现各种不同功能的硬件抽象探索出了可行的路径

操作系统级虚拟化

​ 在操作系统中插入一个虚拟化层，一个操作系统内核运行多个虚拟机。可以看作是“寄居虚拟化”的一种。

优点：

• 最小的启动、停止开销，资源需求低，可扩展性强
• 可同步虚拟机与宿主操作系统环境状态的变化
• 允许虚拟机中进程访问尽可能多的主机资源

缺点：

• 同一个容易中的操作系统级虚拟机必须使用相同的客户操作系统
• 资源隔离性较差

云数据中心的虚拟化

服务器虚拟化

​ 虚拟机和容器共存，容器的地位不断提升，目前与虚拟机相当。

高效率的 unikernel 技术：

• unikernel 是使用库操作系统（LibOS）构建的专用的、单一地址空间机器镜像。
• LibOS 库操作系统：在应用程序层中实施访问控制和隔离，用户应用无需在用户模式和内核模式间切换，直接访问硬件；然而多个应用程序同时运行时隔离性不好。
• 可使用操作系统虚拟化（虚拟机监控器 VMM）克服硬件资源隔离缺陷：LibOS 通过 VMM 驱动物理硬件，像虚拟机一样运行。

存储虚拟化

概念：存储虚拟化将系统中分散且异构的存储资源整合起来，形成一个统一的连续编址的逻辑存储空间。

具体实现：

• 基于主机的存储虚拟化
• 基于存储设备的存储虚拟化
• 基于网络的存储虚拟化

网络虚拟化

​ 云数据中心对网络的高带宽、低拥塞的要求更高。

​ 虚拟机网络的交互包括物理网卡的虚拟化产物和虚拟网络交换机，都是在服务器内部虚拟出相应的网卡功能和交换机功能。

• 虚拟网卡：在一个物理网卡上虚拟出多个逻辑独立的网卡，使得每个虚拟网卡具有独立的MAC地址、IP地址
• 虚拟交换机：使得主机内部如同存在一台交换机，为多个网卡提供互联，方便设置网卡连接的端口

虚拟机迁移策略

迁移需求

• 云计算中心物理服务器负载处于动态变化中，当无法提供额外物理资源而为了负载平衡，可将占用热门物理资源的虚拟机迁移到其他物理服务器。

• 物理服务器定期升级的需要，升级前将虚拟机迁移到其他物理服务器，等升级完成再迁移回来。

• 云计算中关注的重点：实时迁移，保持虚拟机运行的同时，将其从一个计算机迁移到另一个计算机，并在目的计算机恢复运行。

内存迁移（*）

​ 第一阶段：Push；第二阶段：Stop-and-push；第三阶段：Pull

网络迁移

​ 虚拟机所有网络设备，包括协议状态以及IP地址都要随之迁移；通过发送并修改相关配置实现

存储设备迁移

• 迁移数据存储要占用大量时间和网络带宽，通常的解决办法是以共享的方式共享数据和文件系统，而非真正迁移
• 目前大多数集群使用NAS（Network Attached Storage）作为存储设备共享数据