虛擬技術作為重要的計算機支撐技術，在云計算中發揮著關鍵作用。得益于虛擬化軟件技術，云計算實現進程已提前到來。

虛擬化計算可以存在于計算機任何層面之間，從應用程序到最底硬件層，將真實層面虛擬，取代真實層面面向上一層，將上下兩層的關系進行去耦合，使下層透明化，上一層面向虛擬層即可實現操作功能。

當然，虛擬化技術是軟件技術，是對硬件的功能模擬，需要復雜語義和機制進行控制和協作實現，這意味著開銷的增多，對性能也有一定影響，不過隨著虛擬化技術的不斷發展和基礎平臺性能的不斷提高，這一問題已得到很好的解決，使云計算的推廣有了很好的時機。

服務器虛擬化是云計算基礎平臺的核心部分，通過對服務器虛擬化技術進行解析，展示了云計算服務推廣所需的生產平臺，對經營云服務的公司具有一定的指導作用。

1 服務器虛擬化技術及價值優勢

虛擬化的定義有很多，可歸納總結為邏輯技術，以集成抽象方式訪問(調用計算機資源，基于物理機制，但不受物理限制。虛擬化對任何硬件資源都可虛擬，例如，中央處理器(CPU)、內存、硬盤和輸入，輸出(I/O)接口;也可以對軟件環境進行虛擬，例如，操作系統(文件系統和應用程序等。虛擬技術的這種內涵決定了它在云計算中的核心支撐地位，對于云，首先是虛擬資源池，無池就無集成。

服務器虛擬化技術是重中之重，是將系統進行虛擬化應用于服務器之上的技術，物理服務器被虛擬成多個服務器，面向應用集中化處理，多臺服務器處理的程序或數據，通過虛擬技術放置到1臺服務器進行處理，能跨越物理平臺而不受物理平臺的限制。

云計算是將IT資源進行全部虛擬化，服務器虛擬化技術與此目的一致。

產品基于應用，同樣做虛擬化必然要遵循市場，在成本和經營間要體現價值才能走向商用化領域。前面講到的時機，使服務器虛擬化技術體現了巨大的價值優勢，分析如下：

1)降低運營成本。信息化服務商的經營轉型，集約化的管理要求成本必需嚴格控制，投資趨于精細化。企業IT化運營成本，主要集中于數據中心的投資，其中涉及兩部分：一是硬件和許可服務支持的投入成本;二是運行維護成本。服務器虛擬化不僅能充分發揮服務器性能，并且依靠強大的虛擬化服務環境管理工具使得管理自動化，減少了人工干預。數據中心的總體投資呈大幅下降趨勢，在成本管控上體現出巨大的成本節約空間。

2)應用平坦化，平臺得以透明化。現有數據中心存在多平臺。這意味著應用的復雜度大幅增加，不同的平臺，要考慮操作系統和中間件等各層面問題，應用在各平臺的發布、整合和管理上存在巨大的調試難度，應用投放市場的周期相應過長。服務器虛擬化技術能很好地解決這個難題，應用與硬件平臺隔離，底層的環境變化調整次數大幅降低，將應用創建發布至虛擬平臺上即可，相當于為平臺進行封裝，跨越了平臺的限制。

3)提升產品投放效率，加快應用對市場需要的響應速度。現在數據中心部署應用大致會經歷以下步驟：挑選物理機，安裝中間件，安裝應用，配置，測試和運行。應用發布周期為數天。應用部署需要人員全程跟蹤，不同領域不同模塊的人員在交流時存在理解問題，容易導致環節交接處出錯。虛擬化的服務器技術，使得應用部署周期大幅縮短，只需以下幾個簡單步驟：輸入激活配置參數，拷貝虛擬機，啟動虛擬機和激活虛擬機，周期一般為十幾分鐘。顯然，虛擬化服務器技術對于應用部署和對市場需求的快速響應存在天然優勢。

4)創新型備份和恢復技術，實時遷移提高服務可用性。服務的穩定不間斷提供，是云計算服務提供商首要考慮的。舊型數據中心采用多物理機、多人工備份和可用性管理工具來保障故障時服務的恢復。服務器虛擬化后的數據中心、虛擬化的資源對應每個虛擬機，被虛擬機管理程序封裝和隔離，針對每個虛擬機進行備份操作，操作后的鏡像可以根據要求動態遷移至新的虛擬機或新的物理機上。動態遷移技術基于虛擬池，不局限于某一臺物理機，這使得服務可用性在多物理機動態遷移中得到自動提升。

5)整合資源，提升資源利用率。云計算的普及是伴隨著資源的低效應用而生的，集中化資源管理被賦予新的生命，這是云計算推廣的重要時機。據Coogle報告，企業數據中心的硬件資源利用率在5%一20%之間。采用服務器虛擬技術，在原應用不變的基礎上，集中在某一臺物理機上，使得物理資源的利用率大幅提高，相應減少了硬件的投入，節約即是財富。

6)綠色。全球發展的今天，政府要求通過技術革新，降低資源的損耗。這也是個重要的時機，導致云計算備受推廣，IT界幾乎是達成共識，強力推進。服務器虛擬化計算在提高資源利用率的同時，能對能耗進行有效管理，關閉限制X86(微軟計算機體系架構)服務器和應用程序。除此之外，對運行環境的溫度進行控制，降低配套設備如空調的大量耗電，整體性達到綠色低碳的目的。

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2 服務器虛擬化關鍵技術

服務器虛擬化是對硬件的抽象和對虛擬的管理。

服務器虛擬：一是對3種基礎硬件資源CPU、內存、設備與I/0進行虛擬化;二是依靠虛擬機實時遷移這種輔助技術，對資源虛擬城池進行統一調度和使用。服務器虛擬化關鍵技術解析如下：

1)CPU虛擬化。

將一個物理CPU虛擬成一個虛擬CPU，一個物理CPU只能處理一個虛擬CPU的指令，不能對應多個虛擬CPU的指令。操作系統可以使用一個或多個虛擬CPU，這些虛擬CPU在系統中是相互隔離的。

CPU的虛擬化面臨的難題是操作系統要在虛擬化環境中執行特權指令功能。目前的操作系統大多基于X86架構，在設計時被要求直接運行在物理機上，完整擁有整個底層物理硬件。對于CPU而言，在X86體系中有4個運行級別，分別為RingO(指令層級)，Ring1，Rin92和Ring3。特別是RingO級別，可執行任何指令，包括CPU狀態的修改，類似這樣的指令，被稱為特權指令，也只能在Rin90級別中完成。

虛擬化的X86架構，要求操作系統與底層硬件之間要加入虛擬層，而Rin90只能運行在虛擬層，這導致操作系統的特權指令不能直接運行在硬件上，操作系統如中斷處理等特權操作便不能完成。正是這個難題，導致基于X86體系架構的CPU虛擬化實現難度較大。

為了解決這個難題，業界在初期提出了全虛擬化和半虛擬化2個軟件方案。

全虛擬化，就是在操作系統和虛擬層之間采用二進制代碼動態翻譯技術，對于操作系統的特權指令采用前插陷入指令的方式，插入至虛擬層的虛擬機，由虛擬機進行指令翻譯，再執行操作。這樣做的好處是操作系統無需進行更改，對于特權指令通過虛擬層轉換翻譯執行，非特權指令可以直接依靠物理環境直接執行，這樣可以支持多個操作系統。當然，全虛擬化的方案會增加開銷，這是在犧牲一定性能的基礎上實現的CPU虛擬方案。

半虛擬化方案，則是全虛擬化的反面，通過修改操作系統解決虛擬機執行特權指令的問題，所有特權指令會轉換為虛擬化平臺的一個超級調用，虛擬平臺為超級調用提供接口，操作系統會主動配合虛擬平臺完成自身的修改。唯一不足的是，半虛擬化方案中的虛擬平臺和操作系統要統一匹配，不支持多系統。

伴隨著CPU虛擬化技術的發展，針對2種軟件方案存在的開銷犧牲性能的缺陷，業界提出了一種硬件方案。在處理器中增加硬件輔助虛擬化功能，通過擴展的VMX(虛擬機)指令，支持虛擬化操作。

在具體應用中，處理器有2種運行模式，根模式和非根模式。虛擬化平臺中，處理器就運行在根模式。硬件的擴展，大大優化了虛擬平臺的設計。

2)內存虛擬化。

內存虛擬化技術就是把物理機的內存進行統一管理，虛擬封裝成虛擬機所使用的虛擬內存，以提供給每個虛擬機進行使用，將虛擬內存空間獨立提供給虛擬機中的進程。內存技術與CPU技術重要性同等重要，訪問次數同等頻繁。

虛擬內存實現就在于對物理內存進行管理，按虛擬層對內存的需求劃分物理內存，建立虛擬層所需內存地址與物理機內存地址的映射關系，保證虛擬層的內存訪問在虛擬內存和物理機內存的連續和一致。映射關系的技術實現是內存虛擬化的核心。

早期內存管理技術，是通過基于硬件的內存擴展和優化程序的軟件方法實現的，成本高昂。虛擬內存技術因此誕生，通過CPU的內存管理單元和頁表轉換技術，提升了內存性能，維護了基于應用程序所能看到的虛擬內存和物理內存的映射關系。

虛擬內存管理引入了虛擬物理內存和機器內存的概念，以此建立虛擬內存地址與物理機內存地址的映射關系。

虛擬層中的進程使用的邏輯內存與虛擬物理內存建立一級映射地址關系，虛擬物理內存與物理機的機器內存建立二級映射地址關系。

具體映射地址維護的管理技術有以下2種：

一是影子頁表法。操作系統維護自己的頁表，頁表中的內存地址反映一級映射關系，虛擬層的頁表反映二級映射關系。

一級映射關系和二級映射關系擁有共同的虛擬物理內存地址的變量，當操作系統訪問內存頁表時，對頁表就要進行讀寫地址的操作，一級映射關系發生變化，通過一級映射中虛擬物理地址的變化，傳遞至二級映射關系，二級映射關系中虛擬物理地址的變化會導致物理機機器內存地址的變化，從而建立了新的內存地址映射關系，這種傳遞式的映射管理方法，類似人的影子一樣，隨人的變化而變化，都是基于本身的。

二是頁表寫入法。直接為操作系統建立邏輯內存與機器內存的映射關系。

當操作系統訪問頁表時，由虛擬內存管理單元完成對頁表內存地址的操作，直接返回機器內存和虛擬內容地址的映射關系，操作系統始終能看清真實的機器地址，但每次操作系統對內存頁表的訪問，都要依靠虛擬層的監視器進行。

3)設備、I/O和網口虛擬化。

顯然，除了CPU和內存之外，整個物理機和I/0都需要虛擬化，把物理設備統一管理，封裝成多個虛擬設備給虛擬機使用，以響應虛擬機的設備訪問和I/0請求。

目前的實現方案多以軟件實現。虛擬化的平臺提供了豐富的設備和I/0虛擬功能，能把物理設備虛擬成標準的虛擬設備，雖然在型號、配置和參數等方面與物理機存在一定的差異，但虛擬設備只需模擬物理設備的動作，在虛擬機和物理機之間傳遞運行操作信息和運行結果。這樣做的好處是降低了對底層硬件的依賴，始終面向虛擬機是標準化的設備，只要虛擬平臺一致，虛擬機就可以在不同物理機上進行遷移。

另外，網口的虛擬化是比較重要的。網口是服務器與外界聯系的重要關口，是IT與通信的結合點。虛擬服務器實質就是邏輯服務器，虛擬服務器之間的通信仍需通過網絡接口進行。

虛擬機都有一個虛擬網口，虛擬機會認為是塊標準的虛擬網卡。在虛擬網卡實現中，必需對宿主操作系統的網絡接口驅動進行更改，目的是在物理網卡之上，虛擬一個交換機，負責內部虛擬機和外部的數據包轉發，其轉發機理與實際交換機相同，仍運行在數據鏈路層。轉發過程不依靠硬件，通過虛擬平臺軟件管理方式進行。

4)實時遷移技術。

實時遷移技術類似基站軟切換的機理，對應客戶操作系統同時建立2條鏈路連接，在虛擬機運行過程中，將完整運行環境的狀態由原宿機快速遷移至新宿機，遷移過程平緩，用戶在極短時間內不能察覺。在虛擬環境中，由于對物理機進行了虛擬，所以能跨異構的硬件平臺。

實時遷移技術，就是數據拷貝、傳送和切換。遷移的虛擬機通過協議相互聯系，首先啟動原宿機操作系統相關信息和狀態的拷貝，然后開始遷移，通過內存頁面將拷貝移至新的宿機，最后內存傳送拷貝完成，新宿機啟動接管原宿機操作系統，整個遷移過程完成。

實時遷移技術對于硬件維護有重要意義。通過此項技術，工作人員就能在不重啟的情況下，對物理設備進行維護，維護完成后，再將操作環境恢復至原物理設備，用戶感知很好。另外遷移可用于資源的整合，在平臺上遷移，提高數據中心的資源利用率。

3 結語

在服務器虛擬化的應用中，我們還更關心虛擬服務器的性能。用戶的使用特征會導致虛擬化服務器性能呈現不同的狀態。不同部件的資源使用密集，例如CPU密集、內存密集和I/O密集，都會對虛擬服務器整體性能有所影響，密集資源使用會導致虛擬平臺軟件運行機制開銷的龐大運行。

對于虛擬服務器的性能評估，我們可以啟用服務質量的2個重要指標，即吞吐量和響應時間對服務器性能進行評估。在構建虛擬服務器時，充分利用服務質量指標和用戶使用特征有針對性地選擇合適體系架構(X86和大型機)的服務器進行虛擬化，以滿足企業的運營需求。