虚拟化技术的体系结构

1虚拟化技术概论主要内容数据中心现状和趋势虚拟化的定义虚拟化的常见类型服务器虚拟化关键技术主流的虚拟化软件与虚拟化技术实践3传统数据中心的IT资源配置模式--“烟囱式”结构机房设施数据网络和存储网络服务器1服务器2服务器3服务器n。。。。。。。。。。。应用1应用2应用3应用n部门A部门B部门Z传统数据中心架构面临的挑战应用相关的架构层Exchange文件/打印WebCRMBI商务应用App1App2App3App4关键指标资产利用率运营费用高可用/容灾计划覆盖数据中心扩展的努力资源配置/移动/变更123456数周$-百万时间:数月/数年10%覆盖~$4,000/服务器/年20%%花费(维护对创新)72%/28%通过VMware来进行服务器整合意味着客户能够将这样的环境……改造成这样简捷的配置没有利用VMware软件之前是300台服务器使用VMware软件后，整合成8台服务器、一个机架7传统“烟囱式”数据中心的缺陷•缺陷1：据统计数据中心服务器的平均使用率低于30%，但仍有相当数量的服务器无法满足其服务水平目标•缺陷2：一个新应用的部署需要历经预算、采购、安装测试、上线等过程，周期长达数周至数月，难以及时响应业务需求•缺陷3：服务器数量和管理成本与应用数量呈线性关系，IT管理和成本压力巨大大量未能利用的处理能力处理能力不足的服务器0%20%40%60%80%100%所有服务器8资源利用率低下的原因为应付少量峰值负载而过度配置服务器需要的CPU数量时间9“冰山模式”--传统数据中心的成本支出结构看的见的花费：30%预算用于新基础设施建设和新应用开发看不见的花费：70%预算用于现有设施维护和人员支出问题：如何节省运营性支出把预算更多地用于IT基础设施创新？数据中心的IT基础架构发展路径三个阶段性步骤自动化存储资源网络资源计算资源DynamicProvisioningandInformationLifecycleManagement(ILM)toEnableBusinessAgilityBusinessPoliciesOn-DemandServiceOriented虚拟化存储资源网络资源计算资源应用系统ManagementofResourcesIndependentofUnderlyingPhysicalInfrastructuretoIncreaseUtilization,EfficiencyandFlexibility数据网络服务器互连网络CentralizationandStandardizationtoLowerCosts,ImproveEfficiencyandUptime整合LANWANMAN存储网络存储网络智能化信息网络(IIN)HPC集群网格VHCI虚拟主机控制接口VPN虚拟服务器虚拟存储CRMERPSCMHP互联网WANLANCRM客户关系管理ERP企业资源规划SCM供应链管理非虚拟环境技术孤岛系统管理复杂资源不共享架构庞大难以配置新的工作量僵化不灵活虚拟环境通用技术平台易于系统管理资源库共享架构简单易于配置新的工作量随需应变且灵活随需应变的数据中心主要内容数据中心现状和趋势虚拟化的定义虚拟化的常见类型服务器虚拟化关键技术主流的虚拟化软件与虚拟化技术实践虚拟化的定义虚拟化本质：将原来运行在真实环境上的计算系统或组件运行在虚拟出来的环境中。CPUHardDiskMemoryI/ODevicesOperatingSystemAPPAPP真实计算模式CPUHardDiskMemoryI/ODevicesVirtualExecutionEnvironmentOperatingSystemAPPAPPVirtualExecutionEnvironmentOperatingSystemAPPAPP虚拟计算模式定义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。这种资源的抽象方法并不受实现、地理位置或底层资源的物理配置的限制(维基百科)主要内容数据中心现状和趋势虚拟化的定义虚拟化的常见类型服务器虚拟化关键技术主流的虚拟化软件虚拟化常见类型：基础设施虚拟化、系统虚拟化、软件虚拟化。基础设施虚拟化网络虚拟化：将网络的硬件与软件资源整合，向用户提供虚拟网络连接的虚拟化技术。分为虚拟局域网（VLAN)虚拟化和虚拟专用网（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。分为基于存储设备的存储虚拟化（如磁盘阵列）和基于网络的存储虚拟化（如NAS,SAN)。虚拟化常见类型系统虚拟化核心思想：使用虚拟化软件在一台物理机上虚拟出一台或多台虚拟机(VM)PC/服务器虚拟化：系统虚拟化的最大价值所在。桌面虚拟化：解决个人电脑的桌面环境（包括应用程序和文件等）与物理机之间的耦合关系。经过虚拟化的桌面环境被保存在远程的服务器上，当用户使用具有足够显示能力的兼容设备（比如PC,智能手机等）在桌面环境上工作时，所有的程序与数据都运行和最终保存在这个远程的服务器上。软件虚拟化高级语言虚拟化：解决的是可执行程序在不同体系结构计算机间迁移的问题。由高级语言编写的程序将编译为标准的中间指令，这些指令在解释执行或编译环境中被执行。（如Java虚拟机JVM)应用程序虚拟化：将应用程序与操作系统解耦合，为应用程序提供了一个虚拟的运行环境，其中包括应用程序的可执行文件和它所需的运行时环境。应用虚拟化服务器可以实时地将用户所需的程序组件推送到客户端的应用虚拟化运行环境。(如VMWareThinApp)应用程序级虚拟化虚拟化技术的分类计算机系统硬件操作系统程序库应用程序ISA指令集系统调用API硬件级虚拟化指令级虚拟化操作系统级虚拟化程序库级虚拟化编程语言级虚拟化VMWare,Xen,VirtualPC…Bochs,QEMU…Jail,Enism…WINE…JVM(JavaVM)VMWareThinApp…主要内容数据中心现状和趋势虚拟化的定义虚拟化的常见类型服务器虚拟化关键技术主流的虚拟化软件与虚拟化技术实践服务器虚拟化技术便于管理;提高利用率;降低成本;以技能为重点只买需要的简化环境侧重于核心技能提高业务变化的响应速度DNS服务器平均利用率10%?文件/打印服务器平均利用率10%?电子邮件服务器平均利用率10%?防火墙平均利用率10%?服务器平均利用率10%?应用服务器平均利用率20%?Web服务器平均利用率10%?DB®服务器应用服务器Web服务器DNS服务器文件/打印电子邮件防火墙21CPUPoolStoragePoolStoragePoolOracleCRMSAPERPFile/Print虚拟化技术也是云计算的核心技术更低的IT费用更高的利用率更少的复杂性更自动化管理ExchangeVirtualizationVirtualizationVirtualizationVirtualizationVirtualInfrastructure•更高的服务质量–支持动态迁移–容错性更好–具有隔离性，安全性更好–基于容器的管理，具有封装性–具有弹性，易于扩展CloudComputingPlatform22虚拟化技术发展虚拟机技术出现于上世纪60年代为了提高对珍贵的计算资源的利用率促使虚拟机技术得到广泛的研究和应用。23到了80和90年代多任务多用户操作系统的普及以及硬件成本下降使虚拟机技术无法发挥其优势人们冷却了对它的研究热情24现在，在计算机硬件强大性能的前提下如何降低系统成本提高系统资源利用率如何降低管理成本如何提高安全性和可靠性如何增强可移植性提高软件开发效率使虚拟机技术的重要性越来越明显。使虚拟机技术重新成为研究的热点。25虚拟化技术的体系结构26虚拟化实现技术的分类用户应用3环2环客户操作系统1环Hypervisor0环硬件操作系统请求的二进制转换全虚拟化使用了一种叫做二进制转换（BinaryTranslation）的技术。其核心是让Hypervisor运行在0环上，由它来负责管理底层的硬件。而虚拟机的操作系统运行在权限较低的1环上，当这些操作系统调用特权指令的时候，0环的VMM使用二进制转换技术将这些指令调用拦截下来，并负责指令的后续工作。缺点：软件拦截机制，性能开销大27硬件用户应用3环2环1环半虚拟客户操作系统0环Hypervisor通过Hypercall指令实现特权操作泛虚拟化使得虚拟机的操作系统仍然可以运行在0环上，但是需要修改操作系统的内核，把其中对特权指令的调用都改成对Hypervisor的调用，这种调用叫做Hypercall，半虚拟化的典型代表是Xen。这样，当在0环上的虚拟机的操作系统调用特权指令的时候，会转成对Hypervisor的Hypercall调用，依然是由Hypervisor来统一的对系统硬件资源进行管理。缺点：需要修改OS内核28用户应用3环2环1环客户操作系统0环Hypervisor操作系统请求会陷入Hypervisor中，没有二进制转换或半虚拟化硬件非根模式根模式硬件辅助虚拟化需要CPU对虚拟化技术的支持。除了0环到3环以外，CPU额外的多提供了一个环为Hypervisor专用，称为-1环。虚拟机的操作系统仍运行在0环上，在操作系统调用特权指令的时候，通过硬件的机制将特权指令调用转到在处在-1环上的Hypervisor上，由Hypervisor完成对硬件的统一管理。缺点：需要有硬件支持(如IntelVT,AMDSVM)VMM的实现技术CPU虚拟化内存虚拟化I/O虚拟化主要内容数据中心现状和趋势虚拟化的定义虚拟化的常见类型服务器虚拟化关键技术主流的虚拟化软件与虚拟化技术实践主流的虚拟化软件•VMware-ESX-ServerVMWare:不开源•VMware-WorkStation,VMware-GSX-Server可直接运行于硬件之上,不需要hostOS事实上是修改后的Linux内核需要hostOSXen:开源Xen虚拟机即XenVMM，是剑桥大学计算机实验室开发的一个开源项目.Xen虚拟机有两种运行方式：完全虚拟化(Fullvirtualization）半虚拟化(Paravirtualization)硬件对虚拟化的支持VT-x:VirtualizationTechnologyforIA-32INTELVT系列VT-d:VirtualizationTechnologyforDirectedI/OVT-c:VirtualizationTechnologyforConnectivityTXT-TrustedExecutionTechnology处理器辅助虚拟化技术I/O辅助虚拟化:直接I/O可信执行技术网络辅助虚拟化技术虚拟化技术实践作业:以下题目任选其一.1.在虚拟平台上安装一个操作系统,并建立一个用户(难度☺)2.在虚拟平台的两个操作系统上建立ftp连接(难度☺☺)3.在虚拟平台的操作系统上构建虚拟平台,安装操作系统(难度☻☻☻)每组所安装的虚拟平台虚拟机名称统一为:大组号+组员姓名首字母缩写+虚拟机序号如：第一组的张三、李四、王五、赵六四位同学建的第二个虚拟机,则虚拟机名称为1zslswwzl2.这个名称会显示在上方标签,在截图时请截下.1-2人一组2-5人一组5-7人一组实验目的1了解虚拟化概念2掌握虚拟机搭建和运用的基本方法3了解在虚拟机间进行网络连接的方法(2)4了解vmware的基本操作和在其上安装操作系统的方法.(3)实验要求1安装一个虚拟监控器(VMM).2在虚拟平台上安装操作系统3在虚拟机之间进行ftp连接(2)4在虚拟平台的虚拟机上搭建另一层虚拟平台,安装操作系统.(3)5撰写实验报告,需要每个步骤的截图和适当解释.虚拟机的搭建第一步：打开vmware,“文件”-“新建”-“虚拟机”第二步：选择标准类型配置第三步：选择安装盘镜像文件-iso在浏览下选择下载的安装盘文件第四步：选择操作系统类型,Windows2000