服务器虚拟化概述

服务器虚拟化概述

摘要

服务器虚拟化技术的优势已经得到了业界的普遍认可，虚拟化技术所具备

的提高资源利用率和节能环保的特性也得到了越来越多高性能计算机用户的青睐，虚拟化技术的普及和推广成为信息化技术发展的必然趋势。

本文主要论述了服务器虚拟化技术的概念以及实现服务器虚拟化技术的主

要技术手段，并描述了服务器虚拟化技术以后的发展趋势以及服务器虚拟化管

理所面临的问题。

一、虚拟化技术的概念

服务器的虚拟化是指将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变

成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，我们不再受限于物理上的界限，而

是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力。

当我们尝试着理解服务器虚拟技术时，首先必须要理解“虚拟”的概念。“虚拟”这个词最早来源于光学，用于理解镜子里的物体。现在，“虚拟”这

个词已经经过演化，用来描述任何真实物体的模拟了，例如分区、虚拟机、虚

拟内存、虚拟磁盘和虚拟现实。在讨论虚拟技术的时候，使用“虚拟”这个词，是因为我们希望虚拟机看起来和工作起来都和真正的机器一模一样。这意味着，虚拟机并不是真正的机器，但是它能像真正的机器一模一样地工作。

将这个概念应用到计算机系统中可以让不同用户看到不同的单个系统（例如，一台计算机可以同时运行Linux 和 Microsoft Windows）。这通常称为全

虚拟化（full virtualization）。

虚拟化也可以使用更加复杂的格式，其中单个计算机看上去具有多个架构（对于一个用户来说，它是一个标准的 x86 平台；对于另外一个用户来说，它是 IBM Power PC平台）。这种虚拟化形式通常被称为硬件仿真。

最后，更加简单的一种虚拟化是操作系统虚拟化，其中一台计算机可以运

行相同类型的多个操作系统。这种虚拟化可以将一个操作系统的多个服务器隔

离开来（这意味着全都必须使用相同类型和版本的操作系统）。

实际上，从原理上看，所有虚拟技术虚拟的是指令集。所有的IT设备，

不管是PC、服务器还是存储，都有一个共同点：它们被设计用来完成一组特定

的指令。这些指令组成一个指令集。对于虚拟技术而言，“虚拟”实际上就是

指的这些指令集。虚拟机有许多不同的类型，但是它们有一个共同的主题就是

模拟一个指令集的概念。每个虚拟机都有一个用户可以访问的指令集。虚拟机

把这些虚拟指令“映射”到计算机的实际指令集。

目前所能看到的硬分区、软分区、逻辑分区、Solaris Container、VMware、Xen、微软Virtual Server2005等这些虚拟技术，都是同样的技术原理，只是虚拟指令集所处的位置不同而已。

虚拟化技术具有资源共享、负载动态优化、自动化管理、安全性、节省资金绿色环保、解决平台依赖问题的优势：

1)资源共享，通过利用虚拟化的技术，可以将企业的一些硬件资源包括服务器、网络全部都整合起来，可以高效的利用这些资源，提高这些资源的利用率，减少资源的浪费。

2)我们可以利用虚拟化技术实现负载的动态优化。动态优化包含两方面的内容：

第一，可以随着业务系统的工作负载动态变化来调整资源的供给，正是有了虚拟化才使得这个实现能够更加方便。

第二，从整个企业的数据中心资源利用率方面考虑，通过使用一些动态优化的算法就能够将这些虚拟化的服务器在不同的资源、机器里面进行调配，减少物理机器的数量。

3)虚拟化技术还可以为我们带来统一管理的好处。面对极其丰富多样的基础设施，中间件和操作系统等。

第一，我们可以通过虚拟化技术实现对硬件屏蔽底层的差异，不管是系统管理员还是上层的服务，都可以用统一的方式使用下层的资源，让管理和使用更加方便、高效。

第二，利用虚拟化组件的技术可以将企业经常用的软件、服务等做成一个虚拟组件模板，实现一次创建模板到处可以使用的便捷方式，效的加快业务交互过程，提高IT系统响应能力。

第三，为了维护数量庞大的服务器群的运维管理成本也因为整合服务器提高管理效率而得以降低，由于减少了服务器，通过控制台集中管理，简化了管理任务，使管理工作变得轻松易行。

4)由于虚拟系统的硬件平台无关性，虚拟化技术可应对系统在突发情况下的安全性。当前的虚拟化计划可以做到在特定的时间对其上运行的系统进行“快照”抓取，有了“快照”即使服务器收到了恶意地攻击也能够很方便的进行恢复，对服务器的安全起到了很好的保障作用。

5)企业数据应用复杂性非常高，在硬件、软件、散热等方面的资金投入非常大。为了避免应发生兼容性问题，一台服务器部署一个业务，造成服务器数量增加但档次较低，运行稳定性差。应用虚拟化技术，可极大地提高每一台服务器的利用率，降低整体服务器基础架构的总成本。

由于物理服务器数量的减少，服务器能耗、制冷电器等的用电量也大大降低，还有利于创建更加绿色环保的环境，响应我国当前提倡节能减排的号召。

6)虚拟化技术还可以支持异构操作系统的整合，很好的处理软件对运行平台的依赖问题。企业中或有一些遗留的、极度依赖特定的硬件平台、特定的操作系统及版本等运行环境的软件。可以通过虚拟化来解决，在一台物理主机上安装多个操作系统，运行遗留软件所需的系统平台，支持老应用的持续运行。

服务器虚拟化不仅有效解决内存和I/O等硬件瓶颈问题，良好容错能力确保虚拟机关键业务的高可用性，而且多层次数据保护方案兼顾性能和安全，软件层面整合能力全面，具有良好的发展前景。

二、实现虚拟化技术的主要技术手段

虚拟化技术可以通过两种方式来帮助服务器更加合理的分配资源。一种方式是把若干个分散的物理服务器虚拟为一个大的逻辑服务器，这个方向典型的代表就是网格，网格技术现在还没有出现大规模的商业应用。另一种技术就是把一个物理服务器虚拟成若干个逻辑服务器，这就是分区，也是我们现在研究的重点。服务器虚拟化主要包括CPU、内存、I/O等的虚拟化。

简单说来，CPU的虚拟化技术就是单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。CPU虚拟化分为全虚拟化和半虚拟化。

全虚拟化主要是在客户操作系统和硬件之间捕捉和处理那些对虚拟化敏感的特权指令，使客户操作系统无需修改就能运行，速度会根据不同的实现而不同，但大致能满足用户的需求。这种方式是业界现今最成熟和最常见的。他是一种采用二进制代码翻译技术。即在虚拟主机运行的时候，将陷入指令（访管指令）插入到特权指令的前面，把执行陷入到虚拟主机的监视器里面去，然后虚拟主机监视器动态的把这些系统指令转换成为能够实现相同功能的指令的序列之后再去执行。不用修改客户操作系统就能实现全虚拟化技术，但是动态转换指令的步骤将需要使用一定量的性能开销。半虚拟化与完全虚拟化有一些类似，它也利用Hypervisor来实现对底层硬件的共享访问，但是由于在Hypervisor 上面运行的Guest OS已经集成与半虚拟化有关的代码，使得Guest OS能够非常好地配合Hyperivosr来实现虚拟化。通过这种方法将无需重新编译或捕获特权指令，使其性能非常接近物理机，其最经典的产品就是Xen，而且因为微软的Hyper-V所采用技术和Xen类似，所以也可以把Hyper-V 归属于半虚拟化。具体来说，他是通过修改客户操作系统实现的，把虚拟化层的超级调用作为特权指令，以此来解决虚拟主机运行特权指令的相关问题。

三、虚拟化技术的发展趋势以及所面临的问题

随着虚拟化技术的不断发展，虚拟化迁移技术逐渐得到了IT界的关注和广泛的认可。显然，虚拟化迁移技术能够极大地增加应用的灵活性，尤其在系统备份和零停机维护等方面有用武之地：

第一，数据库备份：备份数据对于大型数据库而言是一项复杂而艰巨的工作。我们可以在虚拟机上运行数据库，保存整个虚拟机就如同备份了整个数据

库时，而且这样还能将虚拟机中数据库的所有数据、数据库的状态同时做好备

份

第二，运行环境还原：重现故障或测试时的运行环境在我们日常的服务器

性能测试或者调试工作时尤为有用，使用虚拟化技术可以很轻松的帮我们做到

这一点，我们能够随时保存当前的运行环境和状态，待到需要时只需要恢复保

存的虚拟机状态即可重现当时的运行环境。

第三，系统维护：服务器硬件设备大多需要定期进行维护，必须关闭电源，势必会影响到用户的使用。利用虚拟机动态迁移技术，可以方便快速地将需要

维护的服务器迁移到另外一台备用服务器上，等维护完毕之后再从备机上迁移

回来，对于用户来说这一过程是透明的，不会影响任何系统服务的正常使用。

随着虚拟化技术的广泛使用也会引起一些问题。比如虚拟化管理有两大棘

手之处：如何保持恒定的部署速度，以及如何管理不可见的资源。虚拟化技术

是柄双刃剑：一方面企业可以据此实现敏捷生产、精益运营和高效灾备，另一

方面虚拟化管理方法论、工具集和可参考最佳实践的缺失，会让企业深陷糟糕

虚拟化管理的泥沼不能自拔。但是信息化产业的快速发展使得服务器硬件技术

有了巨大进步；高端服务器所承载的软件应用环境已经逐步发展成熟；所以在

不久的将来虚拟化技术会由于其具有提高资源利用率以及节能环保、可进行大

规模数据整合等特点，而成为信息化技术发展的又一项具有战略意义的新技术。