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服务器虚拟化技术综述
当前,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。
主要是三个方面的因素使虚拟化技术迅速走向成熟。首先,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;其次,高端服务器所承载的软件应用环境已经逐步发展成熟;第三,也是最重要的一点,由于服务器技术的快速发展以及信息化产业发展对于数据中心的规模要求越来越高,导致数据中心面临着越来越严重的发展瓶颈,而虚拟化由于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。
一、基本概念
当我们尝试着理解虚拟技术时,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。
二、虚拟技术分类
按照虚拟层所处位置的不同,目前所有的虚拟技术大致可以分为硬件虚拟、逻辑虚拟、软件虚拟和应用虚拟四种类型。
逻辑虚拟模式
最早的虚拟模式当然是源自IBM大型主机的逻辑分区技术,这种技术的主要特点是,在IBM的大型主机中,每一个虚拟机都是一台真正机器的完整拷贝,只是内存少了点。根据这一概念,一个功能强大的大型主机可以被分割成许多虚拟机。这些虚拟机仅比原来的主机少一点内存资源而已。这一虚拟模式后来被业界广泛借鉴,包括HP vPAR、VMware ESX Server和Xen在内的虚拟技术都是这样的工作原理。
在逻辑虚拟模型中,虚拟机操作系统是整个IBM虚拟机体系结构的“大脑”,包括操作系统和硬件在内的整个系统被称作虚拟机系统(VM System)。每个虚拟机系统都被一个叫做控制程序的程序控制。控制程序除了管理实际的物理硬件,还要为每个系统用户创建一个虚拟机,这种虚拟机是System /370或System /390系统的全真模拟。IBM虚拟机概念的重点在于:每个用户都可以在他们的虚拟机上运行程序、存储数据,甚至虚拟机崩溃也不会影响系统本身和其他的系统用户。所以,IBM虚拟机模型不仅允许资源共享,而且实现了系统资源的保护。在大型主机上,用户可以选择Basic Mode(基本模式)、Logical Partition(逻辑分区方式)和z/VM(Z虚拟机方式)三种模式来配置系统。
在上述模型中,虚拟控制程序以固件形式直接运行在主机硬件层之上,位于操作系统之下,是虚拟机系统中最重要的一部分。控制程序要管理系统硬件,包括启动和关机在内的系统支持任务,以及请求的排队和执行。同时控制程序还要管理每个虚拟机的编程特征和每个虚拟机的建立和维护。
当IBM在2001年把大型主机上的VM System向下迁移到p系列和i系列上时,将虚拟控制程序称之为“Hypervisor”,并先后实现了逻辑分区与动态逻辑分区。
由于IBM p系列的设计思想是共享式的,即所有CPU可以同等地看到所有的内存和I/O的连接方