云计算课程课件04虚拟化技术
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云计算——虚拟化技术PPT课件
2021
29
4.4.3 硬件虚拟化的未来
2．异构硬件的融合和归一化
• 首先，异构硬件的融合将本着“优势互补”的原则，向应用提供优势 资源以满足极端化需求。
• 其次，不同的硬件需要采用不同的虚拟化方法，提供各异的接口以获 得最佳的性能。
• 因此，要通过虚拟化实现异构硬件归一化管理，向应用提供统一的编 程接口。可利用来自应用的需求信息动态判断实际的后台执行硬件， 实现应用需求指导的动态硬件选择技术。
• 目前，基于硬件辅助的虚拟化方法在CPU、内存、网络等传统硬 件资源上获得了成功，CPU 和内存虚拟化资源已经接近物理性 能。
2021
26
4.4.2 硬件虚拟化的代表
1．GPU虚拟化
• GPU是计算机的一个重要组成部分，但GPU这类重要资源虚拟化的性 能、扩展性和可用性相对于CPU还处于滞后的阶段。
2021
4
2．网络虚拟化
• 网络虚拟化以软件的形式完整再现了物理网络，应用在虚拟网 络上的运行与在物理网络上的运行完全相同。
• 网络虚拟化向已连接的工作负载提供逻辑网络连接设备和服务 （逻辑端口、交换机、路由器、防火墙、负载均衡器、VPN 等）。
• 虚拟网络不仅可以提供与物理网络相同的功能特性和保证，而 且具备虚拟化所具有的运维优势和硬件独立性。
图4.4 使用VMM二进制翻译客户操
2021
作系统的请求 12
4.2.3 半虚拟化
• 半虚拟化指的是虚拟机系统和虚 拟化软件层通过交互来改善性能 和效率。
• 半虚拟化涉及修改操作系统内核 来将不可虚拟化的指令替换为可 直接与虚拟化层交互的超级调用 （hypercalls）。
图4.5 将不可虚拟化的操作系统指令替
支撑云计算的虚拟化技术PPT课件
Linux
2020/9/30
Linux (devel)
XP
Vista
Virtual Machine Monitor
Hardware
MacOS
11
提高资源利用率
先进 制造
军事 仿真
2020/9/30
信息 服务业
虚拟化 技术支 持下的 高效能 计算机
生物 计算
12
提高系统灵活性
各种应用
Linux
计算系统虚拟化支撑平台(虚拟机管理器VMM)
X86
Power PC
2020/9/30
iMac 虚拟机
PDA
MacOS
MIPS
13
➢动态二 进制翻译 和优化
➢硬件辅 助虚拟化
➢软硬件 协同设计
另一种形式的系统虚拟化
多机聚合虚拟化
应用系统
操作 系统
应用系统
操作 系统
… VMM
VMM
VMM
2020/9/30
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系统虚拟化的应用
应用系统
应用系统
硬件
23
系统虚拟化方法的分类
Guest OS
性能好， 但不适用于无法获得源代 码的操作系统，如 Windows
2020/9/30
不修改
修改
半虚拟化
动态半虚拟化方法
(Dynamic Paravirtualization)
性能测试报告，来 自权威性能测试机 构Metron's Athene
对一个计算系统进 行两天监测的数据
2020/9/30
Dan Herington
HP虚拟化技术首席科学家
8
系统虚拟化的产生
计算系统灵流场计算 程序：Fluent 6.3
云计算及虚拟化课件
• 服务器虚拟化将系统虚拟化技术应用于服 务器上，将一个服务器虚拟成若干个服务 器使用
2.2.2 典型实现
• 服务器虚拟化通过虚拟化软件向上提供对 硬件设备的抽象和对虚拟服务器的管理
– 虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor） – 虚拟化平台（Hypervisor）
2.2.2 典型实现
Wikipedia：虚拟化是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以 用与访问抽象前资源一致的方法访问抽象后的资源。这种资源的抽 象并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制
:信息技术术语库：虚拟化是为了某些事物创造的的虚拟 版本，比如操作系统、计算机系统、存储设备和网络资源等
影子页表法
页表写入法
2.2.4 核心技术（设备与I/O虚拟化）
• 主流的设备和I/O虚拟化通过软件的方式实现
物理 设备
虚拟 设备
VMware 虚拟化 平台
虚拟 机
2.2.4 核心技术（设备和I/O虚拟化）
• 服务器虚拟化中每个虚拟机都是一个独立的逻 辑服务器，之间通信通过网络接口进行
• 每个虚拟机分配了虚拟的网络接口
细节 – 用户可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部
分或者全部功能
2.1.3 虚拟化的常见类型
• 基础设施虚拟化
– 网络虚拟化：将网络的硬件和软件资源整合，向用 户提供虚拟网络连接
• 虚拟局域网Virtual LAN • 虚拟专用网VPN
– 存储虚拟化：为物理的存储设备提供一个抽象的逻 辑视图，用户可以通过这个视图中的统一逻辑接口 来访问被整合的存储资源
Open Grid Services Architecture: 虚拟化是为一组相似资源提供一个 通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过 一种通用方式来查看并维护资源
2.2.2 典型实现
• 服务器虚拟化通过虚拟化软件向上提供对 硬件设备的抽象和对虚拟服务器的管理
– 虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor） – 虚拟化平台（Hypervisor）
2.2.2 典型实现
Wikipedia：虚拟化是表示计算机资源的抽象方法，通过虚拟化可以 用与访问抽象前资源一致的方法访问抽象后的资源。这种资源的抽 象并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制
:信息技术术语库：虚拟化是为了某些事物创造的的虚拟 版本，比如操作系统、计算机系统、存储设备和网络资源等
影子页表法
页表写入法
2.2.4 核心技术（设备与I/O虚拟化）
• 主流的设备和I/O虚拟化通过软件的方式实现
物理 设备
虚拟 设备
VMware 虚拟化 平台
虚拟 机
2.2.4 核心技术（设备和I/O虚拟化）
• 服务器虚拟化中每个虚拟机都是一个独立的逻 辑服务器，之间通信通过网络接口进行
• 每个虚拟机分配了虚拟的网络接口
细节 – 用户可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部
分或者全部功能
2.1.3 虚拟化的常见类型
• 基础设施虚拟化
– 网络虚拟化：将网络的硬件和软件资源整合，向用 户提供虚拟网络连接
• 虚拟局域网Virtual LAN • 虚拟专用网VPN
– 存储虚拟化：为物理的存储设备提供一个抽象的逻 辑视图，用户可以通过这个视图中的统一逻辑接口 来访问被整合的存储资源
Open Grid Services Architecture: 虚拟化是为一组相似资源提供一个 通用的抽象接口集，从而隐藏属性和操作之间的差异，并允许通过 一种通用方式来查看并维护资源
云计算与虚拟化技术培训ppt与案例研究
GCP是谷歌公司推出的云计算 服务平台，提供了计算、存储 、网络等IaaS服务，同时集成 了谷歌的大数据、人工智能等 技术。
比较
AWS、Azure和GCP在功能上 都提供了全面的IaaS服务，但 在具体的产品和服务上有所差 异。例如，AWS在市场份额上 占据领先地位，Azure则在企 业级市场上表现突出，而GCP 则在大数据和人工智能领域具 有优势。
改造方案
采用成熟的虚拟化技术和方案，包括服务 器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等， 实现资源的池化管理和灵活调度。
07
总结与展望
本次培训内容回顾与总结
云计算与虚拟化技术基础
介绍了云计算和虚拟化技术的基本概 念、原理、架构和分类，以及云计算 与虚拟化技术的关系。
虚拟化技术应用与实践
深入探讨了服务器虚拟化、存储虚拟 化、网络虚拟化等虚拟化技术的应用 与实践，以及虚拟化技术的优缺点和 面临的挑战。
PaaS平台提供自动化管理工具，能 够自动处理应用程序的部署、监控、 日志管理等任务，降低运维成本。
多租户支持
PaaS平台支持多租户模式，允许多个 开发者或团队在同一平台上开发和部 署应用程序，实现资源共享和协同工 作。
常见PaaS产品介绍及比较
常见PaaS产品
Google App Engine：Google推出的PaaS平台，支持多种编程语言和 框架，提供高度可扩展的数据库和存储服务。
05
容器技术与Docker应用
容器技术原理及优势分析
容器技术原理
容器技术是一种轻量级的虚拟化技术，通过在操作系统层面 实现资源的隔离和分配，使得应用程序及其依赖项可以在独 立的、可移植的容器中运行。
容器技术优势
相比于传统虚拟化技术，容器技术具有启动速度快、资源占 用少、易于扩展和管理等优势。同时，容器技术还提供了持 续集成和持续交付（CI/CD）的便利，加速了应用程序的开 发和部署流程。
比较
AWS、Azure和GCP在功能上 都提供了全面的IaaS服务，但 在具体的产品和服务上有所差 异。例如，AWS在市场份额上 占据领先地位，Azure则在企 业级市场上表现突出，而GCP 则在大数据和人工智能领域具 有优势。
改造方案
采用成熟的虚拟化技术和方案，包括服务 器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等， 实现资源的池化管理和灵活调度。
07
总结与展望
本次培训内容回顾与总结
云计算与虚拟化技术基础
介绍了云计算和虚拟化技术的基本概 念、原理、架构和分类，以及云计算 与虚拟化技术的关系。
虚拟化技术应用与实践
深入探讨了服务器虚拟化、存储虚拟 化、网络虚拟化等虚拟化技术的应用 与实践，以及虚拟化技术的优缺点和 面临的挑战。
PaaS平台提供自动化管理工具，能 够自动处理应用程序的部署、监控、 日志管理等任务，降低运维成本。
多租户支持
PaaS平台支持多租户模式，允许多个 开发者或团队在同一平台上开发和部 署应用程序，实现资源共享和协同工 作。
常见PaaS产品介绍及比较
常见PaaS产品
Google App Engine：Google推出的PaaS平台，支持多种编程语言和 框架，提供高度可扩展的数据库和存储服务。
05
容器技术与Docker应用
容器技术原理及优势分析
容器技术原理
容器技术是一种轻量级的虚拟化技术，通过在操作系统层面 实现资源的隔离和分配，使得应用程序及其依赖项可以在独 立的、可移植的容器中运行。
容器技术优势
相比于传统虚拟化技术，容器技术具有启动速度快、资源占 用少、易于扩展和管理等优势。同时，容器技术还提供了持 续集成和持续交付（CI/CD）的便利，加速了应用程序的开 发和部署流程。
云计算概论课件-虚拟化
虚拟化
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 桌面虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
虚拟化发展历史
①萌芽期（20世纪60、70年代）
1959年6月国际信息处理大会 Christopher Strachey发表的论文《大型高速计算机中的时间共享》 IBM及其他几家公司陆续开发的产品中应用 虚拟化技术只在高档服务器如小型机
包含了如下三层含义： ①虚拟化的对象是各种各样的资源； ②经过虚拟化后对用户隐藏了不必要的细节； ③虚拟环境中可以实现真实环境中的功能。
虚拟化涵盖的范围
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
虚拟化的分类
①从实现的层次可以分为
基础设施化、系统虚拟化、软件虚拟化
②从应用的领域来划分
服务器虚拟化、存储虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化
基础设施虚拟化
①硬件虚拟化是用软件虚拟一台标准计算机硬件配置。 ②网络虚拟化将网络的硬件和软件资源整合，向用户 提供网络连接的虚拟化技术。 ③存储虚拟化为物理的存储设备提供统一的逻辑接口， 来访问被整合的存储资源。 ④文件虚拟化是指把物理上分散存储的众多文件整合 为一个统一的逻辑接口，方便用户访问，提高文件管 理效率。
网络虚拟化
①传统网络虚拟化技 术
VPN、VLAN
②主机网络虚拟化
虚拟网卡 虚拟网桥 虚拟端口聚合器 网络设备虚拟化
VEB转发视图
VSU虚拟化技术
软件实现虚拟交换 VS 网卡实现硬件交换
虚拟化资源 虚拟机迁移
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 桌面虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 桌面虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
虚拟化发展历史
①萌芽期（20世纪60、70年代）
1959年6月国际信息处理大会 Christopher Strachey发表的论文《大型高速计算机中的时间共享》 IBM及其他几家公司陆续开发的产品中应用 虚拟化技术只在高档服务器如小型机
包含了如下三层含义： ①虚拟化的对象是各种各样的资源； ②经过虚拟化后对用户隐藏了不必要的细节； ③虚拟环境中可以实现真实环境中的功能。
虚拟化涵盖的范围
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
虚拟化的分类
①从实现的层次可以分为
基础设施化、系统虚拟化、软件虚拟化
②从应用的领域来划分
服务器虚拟化、存储虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化
基础设施虚拟化
①硬件虚拟化是用软件虚拟一台标准计算机硬件配置。 ②网络虚拟化将网络的硬件和软件资源整合，向用户 提供网络连接的虚拟化技术。 ③存储虚拟化为物理的存储设备提供统一的逻辑接口， 来访问被整合的存储资源。 ④文件虚拟化是指把物理上分散存储的众多文件整合 为一个统一的逻辑接口，方便用户访问，提高文件管 理效率。
网络虚拟化
①传统网络虚拟化技 术
VPN、VLAN
②主机网络虚拟化
虚拟网卡 虚拟网桥 虚拟端口聚合器 网络设备虚拟化
VEB转发视图
VSU虚拟化技术
软件实现虚拟交换 VS 网卡实现硬件交换
虚拟化资源 虚拟机迁移
• 虚拟化概述 • 虚拟化的分类 • 应用虚拟化 • 桌面虚拟化 • 服务器虚拟化 • 网络虚拟化 • 存储虚拟化
虚拟化技术 ppt课件
7.虚拟化技术
云计算技术
数据
中心
规模不断增大 成本逐渐上升 管理日趋复杂
云计算
6/82
7.1 虚拟化技术简介 虚拟化技术简介
传统的数据中心
7.虚拟化技术
采用了多种技术 业务之间孤立
网络结构复杂
虚拟数据中心
高速
扁平
虚拟化
云计算
7/82
7.1 虚拟化技术简介 虚拟化技术简介
7.虚拟化技术
数据中心
服务器虚拟化
应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，那就要 通过执行系统调用（函数），执行的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的 切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问， 完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。
服务器虚拟化 存储虚拟化 网络虚拟化 桌面虚拟化
云计算
4/82
20世纪60年代
IBM公司推出虚拟化技术
主要用于当时的IBM大型机的服务器虚拟化
虚拟化技术的核心思想是利用软件或固件管理程序构成虚拟化层，把 物理资源映射为虚拟资源。在虚拟资源上可以安装和部署多个虚拟机， 实现多用户共享物理资源。
7.1 虚拟化技术简介 虚拟化技术简介
云计算
19/82
硬件辅助的全虚拟化
7.虚拟化技术
2005年后，CPU厂商Intel 和 AMD 开始支持虚拟化了。 Intel 引入了 Intel-VT 技术。
主机操作系统
物理机（底层硬件）
图7-1 寄居虚拟化架构
云计算
12/82
7.2 服务器虚拟化
服务器虚拟化的层次
云计算之服务器虚拟化课件
虚拟化技术
虚拟化是指将物理硬件资源抽象为逻辑资源并提供给上层应用.虚拟化将差异化的物理硬件封装起来，为上层应用提供统一的虚拟化硬件的访问接口。 虚拟化技术实现了软件应用与底层硬件相隔离。这样可以提高资源利用率，简化软件的管理和重新配置过程。
服务器虚拟化的技术特征
硬件独立
可以在其他服务器上不加修改的运行虚拟机
改进IT管理架构 : 动态资源分配，设备虚拟化管理，更好的评估系统容量。
改善可靠性 : 低维护投入；减少意外宕机时间；在软、硬件故障时候快速恢复系统。
自动化管理 : 实现负荷的动态调配,硬件和服务的高可用性。
池中所有资源一目了然
池中所有真机和虚拟机联网情况一目了然
通过模板一键、快速安装操作系统
1设备
IT设备应用的9-9-1规律
9
90%的服务器
90%的时间
CPU占用率低于10%
9
1
云管理平台为何可以节省成本
2资源
应用1
应用2
VMM / Agent
Cloud Layer
管理操作
应用3
3管理
大量应用一键安装、管理
云管理平台为何可以节省成本
Cloud Layer
应用
应用信
VMM / Agent
通过解决方案一键部署整套应用
兼容性
虚拟机完全兼容标准的操作系统，以及在这些操作系统之上的应用
隔离
每一个虚拟机都与同在一个服务器上的其他虚拟机相隔离
封装
虚拟机将整个系统，包括硬件配置、操作系以及应用等封装在文件里
…………. .. ……
…………. .. ……
…………. .. ……
云管理平台
---利用服务器虚拟化,加强企业IT管理,减少企业成本
虚拟化是指将物理硬件资源抽象为逻辑资源并提供给上层应用.虚拟化将差异化的物理硬件封装起来，为上层应用提供统一的虚拟化硬件的访问接口。 虚拟化技术实现了软件应用与底层硬件相隔离。这样可以提高资源利用率，简化软件的管理和重新配置过程。
服务器虚拟化的技术特征
硬件独立
可以在其他服务器上不加修改的运行虚拟机
改进IT管理架构 : 动态资源分配，设备虚拟化管理，更好的评估系统容量。
改善可靠性 : 低维护投入；减少意外宕机时间；在软、硬件故障时候快速恢复系统。
自动化管理 : 实现负荷的动态调配,硬件和服务的高可用性。
池中所有资源一目了然
池中所有真机和虚拟机联网情况一目了然
通过模板一键、快速安装操作系统
1设备
IT设备应用的9-9-1规律
9
90%的服务器
90%的时间
CPU占用率低于10%
9
1
云管理平台为何可以节省成本
2资源
应用1
应用2
VMM / Agent
Cloud Layer
管理操作
应用3
3管理
大量应用一键安装、管理
云管理平台为何可以节省成本
Cloud Layer
应用
应用信
VMM / Agent
通过解决方案一键部署整套应用
兼容性
虚拟机完全兼容标准的操作系统，以及在这些操作系统之上的应用
隔离
每一个虚拟机都与同在一个服务器上的其他虚拟机相隔离
封装
虚拟机将整个系统，包括硬件配置、操作系以及应用等封装在文件里
…………. .. ……
…………. .. ……
…………. .. ……
云管理平台
---利用服务器虚拟化,加强企业IT管理,减少企业成本
《云计算与虚拟化》课件
2
云计算的登录者
云计算将虚拟化技术与网络技术和服务模式结合，提供了更高级别的资源管理和 交付能力。
3
云计算的扩展
虚拟化技术使云计算能够按需扩展和收缩计算资源，提供了更好的资源利用率和 成本控制。
虚拟化技术概述
虚拟化技术通过将计算资源进行抽象和隔离，使多个虚拟机能够在同一物理主机上运行。这种技术能够提高硬 件利用率、降低成本，并提供更好的灵活性和可维护性。
ห้องสมุดไป่ตู้
云计算的三种部署模式
云计算可以按照部署的方式分为三种模式：公共云、私有云和混合云。公共 云是由第三方提供商托管和管理的云平台，私有云是组织内部搭建和管理的 云平台，混合云则是公共云和私有云的结合。
《云计算与虚拟化》PPT 课件
欢迎来到《云计算与虚拟化》的PPT课件。在这个课程中，我们将一起探索云 计算的定义和虚拟化技术，并了解云计算的不同部署模式以及与虚拟化的关 系。
云计算的定义
云计算是一种通过互联网将计算资源和服务交付给用户的模式。它提供了按需使用和灵活扩展的计算能力，无 需用户拥有实际的物理硬件。
公共云平台的例子
Am azon W eb Services (AW S)
全球领先的公共云平台，提供强大的计算和存储服务。
M icrosoft Azure
微软的云计算平台，提供广泛的云服务和解决方案。
私有云平台的例子
企业数据中心
组织内部搭建的企业数据中心，提供私有云服务。
VMware vSphere
一款广泛使用的虚拟化平台，支持构建和管理私有 云。
云计算的优缺点
1 优点
灵活性和可扩展性，降低成本，提高资源利用率，提供高可用性和弹性。
2 缺点
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图4.4 使用VMM二进制翻译客户操 作系统的请求
4.2.3 半虚拟化
? 半虚拟化 指的是虚拟机系统和虚 拟化软件层通过交互来改善性能 和效率。
? 半虚拟化涉及修改操作系统内核 来将不可虚拟化的指令替换为可 直接与虚拟化层交互的超级调用 （hypercalls ）。
图4.5 将不可虚拟化的操作系统指令替 换为超级调用
? 在准虚拟化模式下，KVM使用一种称为VirtIO的框架作为后端驱 动。该框架能够支持准虚拟化的以太网卡、准虚拟化的控制器， 调整宿主内存容量的设备，以及使用SPICE或VMware驱动程序的 VGA图形界面。
4.3 商用虚拟机技术
2．网络虚拟化
? 网络虚拟化以软件的形式完整再现了物理网络，应用在虚拟网 络上的运行与在物理网络上的运行完全相同。
? 网络虚拟化向已连接的工作负载提供逻辑网络连接设备和服务 （逻辑端口、交换机、路由器、防火墙、负载均衡器、 VPN 等）。
? 虚拟网络不仅可以提供与物理网络相同的功能特性和保证，而 且具备虚拟化所具有的运维优势和硬件独立性。
? Xen在目前已经有很多版本，著名的亚马逊Web服务（AWS）就建 立于Xen虚拟机技术之上。Xen虚拟机的最大商用支持者为美国的 Citrix公司。
4.3 商用虚拟机技术
2．KVM虚拟机技术
? KVM是基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine）的缩 写。
? KVM虚拟机监视器既可以在全虚拟化模式下运行，也能够为部分 操半虚拟化
? 半虚拟化 和全虚拟化 不一样，全虚拟化 时未经修改的虚拟机系 统不知道自身被虚拟化，系统敏感的调用陷入虚拟化层后再进 行二进制翻译。
? 半虚拟化的价值在于 更低的虚拟化代价 ，但是相对全虚拟化， 半虚拟化的性能优势根据不同的工作负载有很大差别。
? 半虚拟化不支持未经修改的操作系统（如 Windows ），因此它的 兼容性和可移植性较差。由于半虚拟化需要系统内核的深度修 改，在生产环境中，技术支持和维护上会有很大的问题。
Data Science
Statistics
Mathematics
Machine Learning
Data engineering
4.1 虚拟化的定义
? 在计算机科学领域中，虚拟化代表着对计算资源的 抽象，而不仅仅局限于虚拟机的概念。
? 虚拟化技术分类： 1．服务器虚拟化 2．网络虚拟化 3．桌面虚拟化 4．软件定义的存储
1．服务器虚拟化
? 大多数服务器的容量利用率不足 15%，这不仅导致了服务器数 量剧增，还增加了部署复杂性。
? 实现服务器虚拟化后，多个操作系统可以作为虚拟机在单台物 理服务器上运行，并且每个操作系统都可以访问底层服务器的 计算资源，从而解决了效率低下问题。
? 将服务器集群聚合为一项整合资源，可以提高整体效率并降低 成本。服务器虚拟化还可以加快工作负载部署速度、提高应用 性能并改善可用性。
3．桌面虚拟化
? 通过以代管服务的形式部署桌面，可以使使用者更加快速地对 不断变化的需求做出响应。
? 外包员工、海外员工以及使用平板电脑的移动工作人员交付虚 拟化桌面和应用，从而降低成本并改进服务。
4．软件定义的存储
? 海量数据和实时应用使存储需求达到新的高度。 ? 存储虚拟化对服务器内部的磁盘和闪存进行抽象，将它们组合
4.2 服务器虚拟化
图4.1 虚拟化前后的计算机体系结构
4.2 服务器虚拟化
图4.2 虚拟化软件层所处的位置
4.2.1 x86架构对虚拟化的限制
? 通过虚拟机监控器（ VMM）可实现客户 操作系统对硬件的访问，根据其原理不 同分为以下 3种技术： – 全虚拟化； – 半虚拟化； – 硬件辅助虚拟化
软件开发云
大数据与 人工智能
Outline
? 4.1 虚拟化的定义 ? 4.2 服务器虚拟化 ? 4.3 商用虚拟机技术 ? 4.4 新型硬件虚拟化 ? 4.5 实践：Xen虚拟化技术 ? 4.6 实践：KVM虚拟化技术 ? 4.7 轻量级虚拟化 ? 4.8 实践：Docker容器
Domain expertise
4.3 商用虚拟机技术
1．Xen虚拟机技术
? Xen虚拟机技术是英国剑桥大学计算机实验室原始开发的。之后， Xen社区负责Xen的后续版本开发并将其作为免费开源的软件，以 GNU通用公众执照（General Public License）（GPLv2）进行使用。
? Xen虚拟机技术目前支持的计算机架构包括Intel公司的IA-32、x8664和ARM公司的ARM。
图4.3 x86架构下指令执行方式
4.2.2 全虚拟化
? 二进制翻译技术简称BT，是一种直接翻 译可执行二进制程序的技术，能够把一 种处理器上的二进制程序翻译到另一种 处理器上执行。
? 虚拟化软件层将操作系统的指令翻译并 将结果缓存供之后使用，而用户级指令 无须修改就可以运行，具有和物理机一 样的执行速度。
云计算原理与实践
Principles and Practice of Cloud Computing
《云计算原理与实践》课程总览
概念 与基础
云计算概述 分布式原理 云计算架构
原理与技术
虚拟化技术 分布式存储 云计算网络 云计算安全
开发与运维
云原生应用 云操作系统
云端软件 云计算运维
应用与案例 桌面云
4.2.4 硬件辅助虚拟化
? 第一代技术包括 Intel的VT-x和 AMD 的AMD-V ，两者都针对特 权指令为 CPU添加了一个执行模 式，即 VMM 运行在一个新增的 根模式下。
? 随着对CPU、内存和 I/O设备进 行硬件辅助开发，半虚拟化相 对于硬件辅助虚拟化的性能优 势将逐渐缩小。
图4.6 使用VMM二进制翻译客户操 作系统的请求
到高性能存储池，并以软件形式交付。 ? 软件定义的存储（ Software Defined Storage ，SDS）是一种全新
的存储方法，可从根本上提高运维模式的效率。
4.2 服务器虚拟化
4.2.1 x86架构对虚拟化的限制 4.2.2 全虚拟化 4.2.3 半虚拟化 4.2.4 硬件辅助虚拟化
4.2.3 半虚拟化
? 半虚拟化 指的是虚拟机系统和虚 拟化软件层通过交互来改善性能 和效率。
? 半虚拟化涉及修改操作系统内核 来将不可虚拟化的指令替换为可 直接与虚拟化层交互的超级调用 （hypercalls ）。
图4.5 将不可虚拟化的操作系统指令替 换为超级调用
? 在准虚拟化模式下，KVM使用一种称为VirtIO的框架作为后端驱 动。该框架能够支持准虚拟化的以太网卡、准虚拟化的控制器， 调整宿主内存容量的设备，以及使用SPICE或VMware驱动程序的 VGA图形界面。
4.3 商用虚拟机技术
2．网络虚拟化
? 网络虚拟化以软件的形式完整再现了物理网络，应用在虚拟网 络上的运行与在物理网络上的运行完全相同。
? 网络虚拟化向已连接的工作负载提供逻辑网络连接设备和服务 （逻辑端口、交换机、路由器、防火墙、负载均衡器、 VPN 等）。
? 虚拟网络不仅可以提供与物理网络相同的功能特性和保证，而 且具备虚拟化所具有的运维优势和硬件独立性。
? Xen在目前已经有很多版本，著名的亚马逊Web服务（AWS）就建 立于Xen虚拟机技术之上。Xen虚拟机的最大商用支持者为美国的 Citrix公司。
4.3 商用虚拟机技术
2．KVM虚拟机技术
? KVM是基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine）的缩 写。
? KVM虚拟机监视器既可以在全虚拟化模式下运行，也能够为部分 操半虚拟化
? 半虚拟化 和全虚拟化 不一样，全虚拟化 时未经修改的虚拟机系 统不知道自身被虚拟化，系统敏感的调用陷入虚拟化层后再进 行二进制翻译。
? 半虚拟化的价值在于 更低的虚拟化代价 ，但是相对全虚拟化， 半虚拟化的性能优势根据不同的工作负载有很大差别。
? 半虚拟化不支持未经修改的操作系统（如 Windows ），因此它的 兼容性和可移植性较差。由于半虚拟化需要系统内核的深度修 改，在生产环境中，技术支持和维护上会有很大的问题。
Data Science
Statistics
Mathematics
Machine Learning
Data engineering
4.1 虚拟化的定义
? 在计算机科学领域中，虚拟化代表着对计算资源的 抽象，而不仅仅局限于虚拟机的概念。
? 虚拟化技术分类： 1．服务器虚拟化 2．网络虚拟化 3．桌面虚拟化 4．软件定义的存储
1．服务器虚拟化
? 大多数服务器的容量利用率不足 15%，这不仅导致了服务器数 量剧增，还增加了部署复杂性。
? 实现服务器虚拟化后，多个操作系统可以作为虚拟机在单台物 理服务器上运行，并且每个操作系统都可以访问底层服务器的 计算资源，从而解决了效率低下问题。
? 将服务器集群聚合为一项整合资源，可以提高整体效率并降低 成本。服务器虚拟化还可以加快工作负载部署速度、提高应用 性能并改善可用性。
3．桌面虚拟化
? 通过以代管服务的形式部署桌面，可以使使用者更加快速地对 不断变化的需求做出响应。
? 外包员工、海外员工以及使用平板电脑的移动工作人员交付虚 拟化桌面和应用，从而降低成本并改进服务。
4．软件定义的存储
? 海量数据和实时应用使存储需求达到新的高度。 ? 存储虚拟化对服务器内部的磁盘和闪存进行抽象，将它们组合
4.2 服务器虚拟化
图4.1 虚拟化前后的计算机体系结构
4.2 服务器虚拟化
图4.2 虚拟化软件层所处的位置
4.2.1 x86架构对虚拟化的限制
? 通过虚拟机监控器（ VMM）可实现客户 操作系统对硬件的访问，根据其原理不 同分为以下 3种技术： – 全虚拟化； – 半虚拟化； – 硬件辅助虚拟化
软件开发云
大数据与 人工智能
Outline
? 4.1 虚拟化的定义 ? 4.2 服务器虚拟化 ? 4.3 商用虚拟机技术 ? 4.4 新型硬件虚拟化 ? 4.5 实践：Xen虚拟化技术 ? 4.6 实践：KVM虚拟化技术 ? 4.7 轻量级虚拟化 ? 4.8 实践：Docker容器
Domain expertise
4.3 商用虚拟机技术
1．Xen虚拟机技术
? Xen虚拟机技术是英国剑桥大学计算机实验室原始开发的。之后， Xen社区负责Xen的后续版本开发并将其作为免费开源的软件，以 GNU通用公众执照（General Public License）（GPLv2）进行使用。
? Xen虚拟机技术目前支持的计算机架构包括Intel公司的IA-32、x8664和ARM公司的ARM。
图4.3 x86架构下指令执行方式
4.2.2 全虚拟化
? 二进制翻译技术简称BT，是一种直接翻 译可执行二进制程序的技术，能够把一 种处理器上的二进制程序翻译到另一种 处理器上执行。
? 虚拟化软件层将操作系统的指令翻译并 将结果缓存供之后使用，而用户级指令 无须修改就可以运行，具有和物理机一 样的执行速度。
云计算原理与实践
Principles and Practice of Cloud Computing
《云计算原理与实践》课程总览
概念 与基础
云计算概述 分布式原理 云计算架构
原理与技术
虚拟化技术 分布式存储 云计算网络 云计算安全
开发与运维
云原生应用 云操作系统
云端软件 云计算运维
应用与案例 桌面云
4.2.4 硬件辅助虚拟化
? 第一代技术包括 Intel的VT-x和 AMD 的AMD-V ，两者都针对特 权指令为 CPU添加了一个执行模 式，即 VMM 运行在一个新增的 根模式下。
? 随着对CPU、内存和 I/O设备进 行硬件辅助开发，半虚拟化相 对于硬件辅助虚拟化的性能优 势将逐渐缩小。
图4.6 使用VMM二进制翻译客户操 作系统的请求
到高性能存储池，并以软件形式交付。 ? 软件定义的存储（ Software Defined Storage ，SDS）是一种全新
的存储方法，可从根本上提高运维模式的效率。
4.2 服务器虚拟化
4.2.1 x86架构对虚拟化的限制 4.2.2 全虚拟化 4.2.3 半虚拟化 4.2.4 硬件辅助虚拟化