虚拟化技术应用项目教程 课件 第一章虚拟化技术介绍

虚拟化技术项目教程第一章

虚拟化介绍目录CONTENTS1.1

为什么要虚拟化1.21.31.41.51.6虚拟化技术发展历史虚拟化技术分类虚拟化技术与云计算案例教学-锐意进取，报效祖国本章小结目标123456Objectives了解虚拟化技术的发展历史掌握虚拟化技术的分类了解虚拟化技和云计算的区别培养学生的爱国主义精神和民族自豪感了解虚拟化技术的概念了解虚拟化技术的优点ONE01为什么要虚拟化1.1为什么要虚拟化虚拟化提高硬件资源的利用率降低服务器运行能耗提升应用的安全性和可靠性提高应用部署的灵活性更快的灾难恢复1.1为什么要虚拟化（1）提高硬件资源的利用率每台物理机一般都不会运行多个重要应用，通常情况下是只运行一个，服务器的利用率不会超过10%，从而造成物理资源的浪费，而虚拟化的隔离特性很好的解决了这一问题，使得一台物理服务器能同时运行多个应用，从而也就提高了硬件的利用率。1.1为什么要虚拟化（2）降低服务器运行能耗使用更多的服务器、存储设备等硬件设施意味着需要其在电力成本上花费更多，而且，这些硬件设备也需要通过大量的冷却设备进行降温来保证持续可靠的运行，同样会大幅增加企业的能源消耗。而采用虚拟化技术减少了硬件数量，也就减少了为了部署大量服务器所占用的空间和维持服务器运行的电力消耗。1.1为什么要虚拟化（3）提升应用的安全性和可靠性相比于在一个操作系统上运行多个应用程序所出现的种种问题而言，虚拟化技术能够提供深层次的隔离，每个应用都有属于自己的独立的操作系统和资源环境，这样就避免了相互之间的干扰。1.1为什么要虚拟化（4）提高应用部署的灵活性通过虚拟化技术的动态迁移技术，可以达到负载均衡的作用。当一台物理服务器超负荷运转，可以在服务不中断的情况下，将正在运行的虚拟机从这台物理服务器上迁移到另外一台；通过虚拟机的克隆技术，能够根据业务的增长需求，快速批量部署更多的虚拟机。1.1为什么要虚拟化（5）更快的灾难恢复可以将虚拟机的某个健康状态保存下来，当系统出现崩溃或异常，迅速的恢复到该状态；或者当我们尝试着给系统升级之后，如果影响了应用的稳定性，同样通过快照能够进行迅速的恢复。two02虚拟化技术发展历史1.2虚拟化发展历史1959年6月，牛津大学的计算机教授——克里斯托弗·斯特雷奇（ChristopherStrachey）在联合国教科文组织国际信息处理大会（InternationalConferenceonInformationProcessing）上宣读了一篇名为TimeSharinginLargeFastComputer（《大型高速计算机中的时间共享》）的学术报告，在该报告中首次提出了叫做“虚拟化”的概念。1961年，麻省理工学院的费尔南多·科尔巴托（FernandoCorbato，1990年图灵奖获得者）教授带领他的研究小组开发了CTSS(兼容分时系统）项目，它是对计算机资源的一种共享方式，使多个用户可以同时使用一台计算机并相互之间隔离。1.2虚拟化发展历史20世纪60年代中期，IBM也开启了称为M44/M44X的研究项目，以IBM7044大型机名称而来，它能模拟多个7044系统，实现了多个具有突破性的虚拟化概念，包括部分硬件共享partialhardwaresharing）、时间共享（timesharing）、内存分页（memorypaging）以及实现了虚拟内存管理的VMM。M44/M44X项目，同时被认为第一个使用了“虚拟机”这一术语。随后，IBM还研发了CP-40等项目，CP-40是第一个实现了完全虚拟化的计算机软件控制系统，被应用于当时闻名于世的IBMSystem/360主机上。CP-40提供了虚拟内存和全硬件虚拟化，真正实现了虚拟机，它采用了TSS分时系统，并最多支持14个虚拟机，每个虚拟机有256k虚拟内存。在此之后IBM虚拟化项目日趋成熟，相继推出了CP-40/CMS、CP-67/CMS、CP-370/CMS等产品。1.2虚拟化发展历史1987年，InsigniaSolutions公司推出了softPC的软件模拟器，允许用户在UNIX上允许DOS系统。1998年，x86硬件平台开源模拟器Bochs发布，它可以模拟整个PC平台，包括I/O设备、内存、BIOS。1999年，VMware公司推出x86平台商业虚拟化软件VMwareWorkstation，随后在2001年推出了服务器虚拟化产品ESX。2001年法布里斯·贝拉(FabriceBellard)编写了在GNU/Linux平台上广泛使用的模拟器软件QEMU。2003年，剑桥大学研究开发的开源虚拟机Xen首次发布，它能在不需要特殊硬件支持下就能达到高性能的虚拟化。1.2虚拟化发展历史2005年和2006年，Intel和AMD分别推出了针对x86架构的CPU硬件辅助虚拟化技术Intle-VT和AMD-V，从而大大提升了纯软件虚拟化技术的效率。2006年10月，以色列一个叫Qumranet的组织，开发并开源了一种全新的虚拟机方案，这是大名鼎鼎的KVM前身。2007年2月，LinuxKeinel-2.6.20中融入了KVM。2007年，Sun公司发布了开源虚拟化软件VirtualBox，同年Xen被Citrix（思杰）公司收购。2008年第一季度，微软发布了自家的虚拟化产品Hyper-V。2010年10月，由NASA(美国国家航空航天局)和Rackspace合作研发并发起，以Apache许可证授权的开源代码项目OpenStack发布了第一个版本Austin，推动了IaaS云计算的全面增长。three03虚拟化技术分类1.3虚拟化技术分类主机没有进行虚拟化之前，只能在其上安装一个操作系统，有了虚拟化技术，一台物理主机（我们称之为宿主机Host）便被抽象分割成了多个逻辑意义上的主机（我们称这样的主机为客户机Guest），每个Guest都可以安装一个操作系统和应用程序，从而实现Host的资源利用率最大化。为了实现这一目的，在基于x86架构的虚拟化技术都会在Guest和Host之间引入一个软件层，我们称之为VirtualMachineMonitor（VMM，虚拟机监视器）,有时也被叫做Hypervisor层，Guest通过VMM提供的接口来访问真实的Host主机资源。HostVMMGuestGuestGuest1.3虚拟化技术分类对于x86架构的CPU，为了确保计算、内存、I/O等资源被合理使用，同时也避免一些危险的指令被滥用，设置了4个特权等级权限，分别是Ring0、Ring1、Ring2和Ring3。Ring0权限级别最高，可以运行特权指令（指系统中的一些操作和管理关键系统资源的指令），操作系统内核运行在该级别上，我们称之为内核态。普通的应用程序运行在最低的Ring3级别上，只能运行非特权指令，我们称之为用户态。当应用程序想使用公共资源，比如访问磁盘，或执行高权限级别的指令就要向内核申请，将CPU级别切换到Ring0，完成之后再切换回Ring3级别。1.3虚拟化技术分类1.3.1完全虚拟化（Full-virtualization，FV）完全虚拟化允许GuestOS不需要做任何改变，同时GuestOS完全不知道自己其实是运行于虚拟机中，而认为自己是运行在真实的物理主机中。在完全虚拟化环境中，任何可以运行在裸机上的软件（通常是操作系统）都可以未经修改地运行在虚拟机中。1.3虚拟化技术分类1.3.2半虚拟化（Para-virtualization，PV）半虚拟化就需要修改操作系统内核，做相应的适配工作，使得GuetsOS知道自己是运行在虚拟化环境中。1.3虚拟化技术分类1.3.3硬件辅助虚拟化（Hardware-assistedvirtualization，HAV）CPU将提供两种运行模式：根模式（VMXRootMode）和非根模式（VMXnon-RootMode）。根操作模式与⾮根操作模式都有相应的ring0⾄ring3。VMM运⾏在根模式的ring0，GuestOS的内核运⾏在⾮根模式的ring0，GuestOS的应⽤程序运⾏在⾮根模式的ring3。1.3虚拟化技术分类1.3.4操作系统层虚拟化（Operatingsystem–levelvirtualization）操作系统层虚拟化，亦称容器化（Containerization），是一种虚拟化技术，这种技术将操作系统内核虚拟化，可以允许用户空间软件实例被分割成几个独立的单元，在内核中运行，而不是只有一个单一实例运行。1.3虚拟化技术分类1.3.5寄居架构虚拟化(Type2)所谓寄居架构虚拟化也叫宿主虚拟化或Type2虚拟化，就是将VMM当成一个普通的应用软件一样安装在宿主机操作系统中，然后再在VMM中安装客户机操作系统。VMwareWorkstation、Oraclevistualbox都是这种虚拟化的代表。1.3虚拟化技术分类1.3.6裸金属架构虚拟化(Type1)裸金属虚拟化也叫做原生架构虚拟化或Type1虚拟化。这种虚拟化的VMM本身就是一个操作系统，直接安装在物理硬件之上，然后在VMM上安装各客户机。VMwareESXi是典型的裸金属架构虚拟化产品。four04虚拟化与云计算1.4虚拟化与云计算1.4.1什么是云计算亚马逊：云计算是基于“按需付费定价（pay-as-you-gopricing）”模式的IT资源交付服务。阿里巴巴：云计算是通过网络按需分配计算资源。计算资源包括服务器、数据库、存储、平台、架构及应用等。云计算支持按用量付费，即只需支付您需要的量。NIST：云计算是一种模型，用于实现对可配置计算资源共享池便捷按需的网络访问。该共享池中的计算资源包括网络、服务器、存储、应用程序和服务等，这些资源可以快速地获取和释放，同时管理成本极低，而且与服务提供商的沟通成本基本为零。我国工业和信息化部电信研究院：云计算是一种通过网络统一组织和灵活调用各种信息与通信技术（informationandcommunicationstechnology，ICT）资源，实现大规模计算的信息处理方式。1.4虚拟化与云计算云计算特征按需自助服务广泛的网络访问资源池化快速弹性的资源分配可度量的资源使用情况1.4.1什么是云计算1.4虚拟化与云计算1.4.2云计算与虚拟化虚拟化只是实现云计算各种技术中的一种，它们之间没有必然的联系。如果没有虚拟化技术，理论上来说也可以实现云计算。但是目前来说要想实现资源池化管理、弹性分配，要想提高资源的利用率都必须通过虚拟化技术来实现，可以说虚拟化技术是目前云计算的基石。five05锐意进取，报效祖国1.5案例教学-锐意进取，贡献祖国虽然我国在很多科技领域有着处于世界领先的地位，比如量子通信、国产大飞机、北斗导航卫星、5G通信技术、超级计算机等，但也有很多工业科技领域和西方发达国家有着较大差距。比如CPU、操作系统、工业设计软件等。1.5案例教学-锐意进取，贡献祖国1.5.1我国CPU发展现状目前国产CPU与全球领先水平的差距主要分为性能差距和生态差距。性能上，国产CPU存在明显劣势。国产CPU的微架构在乱序执行、高速缓存、多核互联等技术上，由于起步较晚，都与先进水平有一定差距，加之整体晶圆工艺水平相差较多，设计能力存在差距，导致了整体性能差距。生态差距主要体现在软硬件整体，由于国产CPU积累不够，即使产品性能已基本满足使用需求，但整体用户体验和稳定性仍有差距。比如国产CPU中大部分都采用RISC精简指令集，无法安装Windows操作系统，这势必会增加进入普通消费市场的难度。1.5案例教学-锐意进取，贡献祖国1.5.2我国操作系统发展现状国产系统要发展，要挑战windows，必然需要在软、硬件兼容上下功夫，否则很难让消费者抛弃Windows而转用国产系统。所以我们看到，这几年国产系统发力的重点就是软、硬件的适配，通过转译、重新开发、合作开发等方式，想方设法的去兼容适配更多的软、硬件，从而吸引消费者使用。7月26日，统信软件宣布，统信UOS的软硬件生态适配数量突破50万，成为国内首个突破50万的操作系统，同时UOS也支持龙芯、兆芯、鲲鹏、飞腾、申威、海光等所有的国产CPU。国产操作系统想要进入全球市场，甚至超越Windows操作系统任重道远。1.5案例教学-锐意进取，贡献祖国1.5.3我国工业软件发展现状目前我国已成为全球制造业的中心，是名副其实的“世界工厂”。然而，我国制造业的发展到现在还是处于“大而不强”这一局面，很大原因是由于工业软件的弱小与受制于人所致。从《中国工业软件产业白皮书》中可以看出，国内研发设计类的工业软件，大约95%左右，都是依赖进口的，这也让我国在该领域严重被欧美国家“卡脖子”。我国