2023学年完整公开课版513虚拟化技术

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虚拟化（Virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的新虚拟部分是不受现有资源的架设方式，地域或物理组态所限制。一般所指的虚拟化资源包括计算资源、存储资源、网络资源等。虚拟化技术简介3典型的虚拟化技术架构架构虚拟化技术简介4Hypervisor具有的优点利用率高：可提高主机硬件的使用效率，因为一个主机可以运行多个虚拟机，这样主机的硬件资源能被高效充分的利用起来。独立性好：虚拟机彼此独立。一个虚拟机的奔溃不会影响其他分享同一硬件资源的虚拟机，大大提升安全性。移动性强：传统软件捆绑在硬件上，转移一个软件至另一个服务器上耗时耗力（比如重新安装）；然而，虚拟机与硬件是独立的，这样使得虚拟机可以在本地或远程虚拟服务器上低消耗转移。易恢复：快照技术（Snapshot）可以记录下某一时间点下的虚拟机状态，这使得虚拟机在错误发生后能快速恢复。虚拟化技术简介5虚拟化技术经过多年的发展，目前已经出现了多种类型的虚拟化解决方案。根据应用场景的不同，采用不同的实现方式，从而产生了不同的虚拟化架构。其核心是根据计算机分层设计架构实现。虚拟化架构6裸金属虚拟化裸金属虚拟化的实现方式，通常是直接在硬件层上面部署虚拟化平台软件，然后在虚拟化层上面安装部署所需的操作系统。虚拟化架构7裸金属虚拟化架构寄居虚拟化寄居虚拟化就是在宿主机操作系统上安装虚拟化应用程序，通过虚拟化应用程序为用户构建一个虚拟化环境，在这个虚拟化的环境中，可以安装各类操作系统，满足用户对操作系统的要求。虚拟化架构8寄居虚拟化架构操作系统虚拟化操作系统虚拟化，也被称作容器化，是利用操作系统自身的特性，它允许多个相互隔离的用户空间实例的存在。这些用户空间实例也被称作为容器。普通的进程可以看到计算机的所有资源而容器中的进程只能看到分配给该容器的资源。操作系统虚拟化是将操作系统所管理的计算机资源，包括进程、文件、设备、网络等分组，然后交给不同的容器使用。容器中运行的进程只能看到分配给该容器的资源，从而达到隔离与虚拟化的目的。虚拟化架构9函数库虚拟化在各类应用程序的编写过程中，通常都会使用由一组用户级库来调用的API函数集。在应用程序和运行函数库之间引入中间层，虚拟库函数API接口为上层软件提供给不同的API。这些API的设计可以隐藏操作系统的底层细节，从而降低普通程序员的软件开发难度。API基本上和机器硬件平台无关但是和操作体系密切相关的接口，API调用定义了对内核的操作，以及操作的参数。因此可以在应用程序和运行库函数之间引入中间层来虚拟库函数的API接口，给上层软件提供不同的API。典型的虚拟化软件有Wine，Cygwin等。虚拟化架构10常见的计算虚拟化产品KVMKVM（Kernel-basedVirtualMachine，基于内核的虚拟机），是一种用于Linux内核中的虚拟化基础设施，是硬件支持虚拟化技术（IntelVT或AMD-V）的Linux的全虚拟化解决方案。KVM采用寄居式虚拟化架构，是Linux内核中的一个可装载模块，其功能是将Linux内核转换成一个裸金属架构的Hypervisor。XenXen是最早的开源虚拟化引擎，最初是剑桥大学的一个开源项目。Xen是一种直接运行在硬件上的软件层，它能够在计算机硬件上同时运行多个客户操作系统（GuestOS）。思杰（Citrix公司）的虚拟化产品主要在开源Xen上建立的。虚拟化架构11常见的计算虚拟化产品VMwareESXiVMwareESXi是VMware的企业级虚拟化产品，它本身就是一个用来管理硬件资源的特殊的操作系统，可以直接运行在裸机上面。虚拟化内核（称为VMkernel），完全负责对硬件及虚拟机的管理。MicrosoftHyper-VHyper-V是微软所推出的虚拟化技术，首次内置于WindowsServer2008中。与VMWareESXi、Xen一样采用裸金属架构，直接运行在硬件之上。虚拟化架构12虚拟化实现的方式CPU虚拟化：CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能。内存虚拟化：通过建立虚拟地址转化机制，实现地址映射。I/O虚拟化：通过软件模拟等技术手段，实现I/O资源的共享。虚拟化架构13服务器虚拟化服务器虚拟化是虚拟化技术最早细分出来的子领域。由于服务器虚拟化发展时间长，应用广泛，所以很多时候人们几乎把服务器虚拟化等同于虚拟化。服务器虚拟化支持将多个操作系统作为高效的虚拟机在单个物理服务器上运行。虚拟化技术14服务器虚拟化的好处：提升IT效率降低运维成本更快地部署工作负载提高应用性能提高服务器可用性消除服务器数量剧增情况和复杂性虚拟化技术15存储虚拟化存储系统网络平台已经成为一个核心平台，大量高价值数据积淀下来，围绕这些数据的应用对平台的要求也越来越高，不光是在存储容量上，还包括数据访问性能、数据传输性能、数据管理能力、存储扩展能力等等多个方面。可以说，存储网络平台的综合性能的优劣，将直接影响到整个系统的正常运行。因为这个原因，虚拟化技术又一子领域——虚拟存储技术，应运而生。虚拟化技术16网络虚拟化从架构角度考虑，我们可以采用与服务器虚拟化引入Hypervisor的方式一样，引入Nypervisor或者叫“虚拟网络管理平台”实现虚拟网络。虚拟网络必须像虚拟机一样，脱离物理网络设备，能够随时被创建、删除、扩展、收缩，实现高度灵活性。通过完全复制物理网络，网络虚拟化支持应用在虚拟网络上运行，就像在物理网络上运行一样-但它具有更大的运维优势并可实现虚拟化的所有硬件独立性。网络虚拟化可以通过虚拟网卡、虚拟交换机等方式实现。虚拟化技术17NFV（网络功能虚拟化）网络功能虚拟化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV），是指将许多类型的服务器、交换机、存储设备等网络相关设备构建为一个大型的数据中心网络拓扑。通过虚拟化技术虚拟化形成虚拟机（VirtualMachine，VM），然后将传统的业务部署在VM上。其目的，是通过使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。虚拟化技术18SDN（软件定义网络）2012年4月，开放网络基金会（OpenNetworkingFoundation，ONF)发布白皮书《Software-DefinedNetworking:TheNewNormforNetworks》。ONF认为：“SDN是一种支持动态、弹性管理的新型网络体系结构，是实现高带宽、动态网络的理想架构。SDN将网络的控制平面和数据平面解耦分离，抽象了数据平面网络资源，并支持通过统一的接口对网络直接进行编程控制”。虚拟化技术19SDN（软件定义网络）2012年4月，开放网络基金会（OpenNetworkingFoundation，ONF)发布白皮书《Software-DefinedNetworking:TheNewNormforNetworks》。ONF认为：“SDN是一种支持动态、弹性管理的新型网络体系结构，是实现高带宽、动态网络的理想架构。SDN将网络的控制平面和数据平面解耦分离，抽象了数据平面网络资源，并支持通过统一的接口对网络直接进行编程控制”。虚拟化技术20SDN的典型架构SDN的典型架构可分为三层，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；中间的控制层主要负责处理数据平面资源的编排、维护网络拓扑和状态信息等；最下层的基础设施层负责数据处理、转发和状态收集。除上述三个层次外，控制层与基础层之间的接口和应用层与控制层之间的接口也是SDN架构中的两个重要组成部分。按照接口与控制层的位置关系，前者通常被称为南向接口，后者则被称为北向接口。虚拟化技术21应用虚拟化应用虚拟化是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。其本质是作为一种优化资源的方法，将应用程序和操作系统从物理硬件中抽象出来。在这个环境中，不仅包括应用程序的可执行文件，还包括它所需要的运行时环境，可以解决版本不兼容的问题。虚拟化技术22容器虚拟化（1）DockerDocker起源于2010年创业的一家叫作dotCloud的美国公司，dotCloud早期是基于LXC技术的PaaS平台，它的理念是提供跨底层IaaS云、支持多种开发语言的开发云平台。但随着越来越多的公有云服务商进入，dotCloud的理念很难依靠一家公司专有的技术实现。于是dotCloud的创始人在LXC的基础上，对容器技术进行了简化和标准化，命名为Docker。因PaaS市场发展缓慢，创办人SolomonHykes决定放手一搏，于2013年3月将Docker项目开源同时推出了开放容器项目（OCP），Docker和Docker开源社区随后迅速火起来。2013年10月29日，dotCloud公司更名为Docker公司。目前，Docker已经成为发展最快的容器技术。虚拟化技术23容器虚拟化（2）KubernetesKubernetes是谷歌严格保守秘密十年的秘密武器——Borg的一个开源版本。Borg是谷歌一个久负盛名的内部使用的大规模集群管理系统，它基于容器技术，目的是实现资源管理的自动化，以及跨多个数据中心的资源利用率最大化。十几年来，谷歌一直通过Borg系统管理着数量庞大的应用程序集群，但外界一直无法了解关于它的更多信息。直到2015年4月，传闻许久的Borg论文伴随Kubernetes的高调宣传被谷歌首次公开，大家才得以了解它的更多内幕。正是由于站在Borg这个前辈的肩膀上，吸取了Borg过去十年间的经验与教训，所以Kubernetes一经开源就一鸣惊