"虛擬化技術"針對從事IT技術的相關工作人員應該都有聽說或者應用過，而對于多數網友朋友們可能沒有聽說過，但是我相信多數人都聽說過"云計算"、"云服務"、"虛擬機"這幾個概念名詞吧!而這幾個概念主要應用的技術就是"神奇"的"虛擬化技術"!

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"虛擬化技術"這些年隨著信息化的深入發展，政府、運營商、醫療、金融、教育、能源、制造業、中大型企業等各大行業都在應用這項技術。很多IT運維管理人員也都在學習這項技術。很多國內外的網絡、應用、安全廠商也在大量研發生產相關產品和解決方案。

虛擬化技術為什么這么火?它的技術價值是什么?技術原理是什么?在實際場景中是如何應用的?

今天我們就以本篇文章內容給大家介紹虛擬化技術的概念、分類、應用，希望對大家有所幫助。

一、 歷史由來

虛擬化并不是什么新主題;實際上，它的存在已經超過 40 年了。虛擬化技術最早的一些用法包括 IBM® 7044、麻省理工學院(MIT)在 IBM 704 上開發的 CTSS(Compatible Time Sharing System)以及曼徹斯特大學的 Atlas 項目(世界上最早的超級計算機之一)，這些都是請求頁面調度和監管進程調用的先驅。

硬件虛擬化

 早在 20 世紀 60 年代，IBM開發 System/360™ Model 67 大型機時就認識到了虛擬化的重要性。Model 67 通過 VMM(Virtual Machine Monitor)對所有的硬件接口都進行了虛擬化。在早期計算中，操作系統被稱為 supervisor。能夠在其他操作系統上運行的操作系統被稱為 hypervisor(這個術語是在 20 世紀 70 年代出現的)。

VMM 可以直接在底層硬件上運行，允許運行多個虛擬機(VM)。每個 VM 都可以運行一個自己私有操作系統的實例 —— 在早些時候，這稱為 CMS(或 Conversational Monitor System)。之后 VM 繼續發展，現在您可以在 System z9™ 大型機上發現 VM。這提供了很好的向后兼容性，甚至是對 System/360 產品線的兼容性。

處理器虛擬化

虛擬化早期的另外一種用法(在本例中是對處理器的仿真)是 P-code(或偽碼)機。P-code 是一種機器語言，運行于虛擬機而不是實際硬件。P-code 早在 20 世紀 70 年代就已在加州大學圣地亞哥分校(UCSD)Pascal 系統上頗有名氣了，它將 Pascal 程序編譯成 P-code，然后在一個 P-code 虛擬機上運行。這就使 P-code 程序具有了高度的可移植性，而且，只要有可用的 P-code 虛擬機，P-code 程序就可以運行。

20 世紀 60 年代對 BCPL(Basic Combined Programming Language)的設計中也采用了相同的概念，C 語言即由 BCPL 發展而來。在這種用法中，編譯器會將 BCPL 代碼編譯成稱為 O-code 的中間機器代碼。接下來的第二個步驟是將 O-code 編譯成目標機器的原始語言?，F代編譯器所使用的這種模型為將編譯器移植到新目標體系結構上提供了很大的靈活性(通過一種中間語言將前端和后端分隔開來)。

指令集虛擬化

虛擬化新的發展稱為指令集虛擬化，或者二進制轉換。在這種模型中，虛擬指令集被轉換成底層硬件的物理指令集，這個過程通常都是動態的。當代碼執行時，就會對代碼的某個段進行轉換。如果出現分支情況，就會導入新代碼集并進行轉換。這使它與緩存操作非常類似，后者是將指令塊從內存移動到本地快速緩存中執行。

這種模型最近在 Transmeta 設計的 Crusoe 中央處理單元(CPU)中得到了使用。二進制轉換由 Code Morphing 的專利技術實現。類似的一個例子是完全虛擬化解決方案通過運行時代碼掃描來查找和重定向特權指令(用來解決特定處理器指令集的一些問題)。

二、 基本簡介

1、 什么是虛擬化

在計算機中，虛擬化(英語：Virtualization)是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態更好的方式來應用這些資源。這些資源的新虛擬部份是不受現有資源的架設方式，地域或物理組態所限制。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資源存儲。

虛擬化技術與多任務以及超線程技術是完全不同的。多任務是指在一個操作系統中多個程序同時一起運行，虛擬化而在虛擬化技術中，則可以同時運行多個操作系統，而且每一個操作系統中都有多個程序運行，每一個操作系統都運行在一個虛擬的CPU或者是虛擬主機上;而超線程技術只是單CPU模擬雙CPU來平衡程序運行性能，這兩個模擬出來的CPU是不能分離的，只能協同工作。

在實際的生產環境中，虛擬化技術主要用來解決高性能的物理硬件產能過剩和老的舊的硬件產能過低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而更好的利用物理硬件。

2、 虛擬化的技術分類

1)、從實現虛擬化的層次來分，虛擬化技術可以劃分為：硬件虛擬化，操作系統虛擬化，應用程序虛擬化等。

硬件虛擬化，又叫做準虛擬化，就是用軟件來虛擬一臺標準電腦的硬件配置，如CPU、內存、硬盤、聲顯卡、光驅等，成為一臺虛擬的裸機。

 

操作系統虛擬化，就是以原操作系統為母體樣本，利用虛擬化軟件克隆出多個新系統。

 

應用程序虛擬化，主要任務是虛擬操作系統，保證應用程序的正常運行虛擬系統的某些關鍵部分，如注冊表等，輕量、小巧;還可以實現很多非綠色軟件的移動使用，通過局域網方便快捷地分發到企業終端上，不用安裝，直接使用，在應用范圍和體驗上超越綠色軟件，大大降低了企業的IT成本。

 

2)、以應用領域來劃分，虛擬化技術可以劃分為：虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化、桌面虛擬化、CPU虛擬化、文件虛擬化等。

服務器虛擬化，應用了硬件虛擬化和操作系統虛擬化技術，在一臺服務器運行安裝多個操作系統，并且可以同時運行，就相當于多臺服務器同時運行了，利用率大大提高。

 

存儲虛擬化，是將一堆獨立分布的硬盤虛擬的整合成一塊硬盤，存儲虛擬化的目的是方便管理和有效利用存儲空間。

 

網絡虛擬化，它將兩個異地的局域網，虛擬成一個局域網，這樣一些企業的OA、B/S軟件，就可以像真實局域網一樣進行電腦互訪了。

 

桌面虛擬化，是在服務器上部署好桌面環境，傳輸到客戶端電腦上，而客戶端只采用瘦客戶機的應用模式，即只安裝操作系統，接受服務器傳輸來的虛擬桌面，用戶看到的就像本地真實環境一樣，所有的使用其實是對服務器上的桌面進行操作。

 

CPU虛擬化，是對硬件虛擬化方案的優化和加強。以前是用虛擬化軟件把一個CPU虛擬成多個CPU，而CPU虛擬化直接從硬件層面實現，這樣大大提高的性能。

 

文件虛擬化，是將分布在多臺電腦的文件數據虛擬成一臺電腦上的，這樣以前找文件要去不同的機器上查找，而現在則像在一臺電腦上操作一樣。

 

3、 關鍵技術介紹

1)全虛擬化(Full Virtualization)

全虛擬化也成為原始虛擬化技術，該模型使用虛擬機協調guest操作系統和原始硬件，VMM在guest操作系統和裸硬件之間用于工作協調，一些受保護指令必須由Hypervisor(虛擬機管理程序)來捕獲處理。

 

全虛擬化模型

全虛擬化的運行速度要快于硬件模擬，但是性能方面不如裸機，因為Hypervisor需要占用一些資源

2)半虛擬化(Para Virtualization)

半虛擬化是另一種類似于全虛擬化的技術，它使用Hypervisor分享存取底層的硬件，但是它的guest操作系統集成了虛擬化方面的代碼。該方法無需重新編譯或引起陷阱，因為操作系統自身能夠與虛擬進程進行很好的協作。

 

 

半虛擬化模型

半虛擬化需要guest操作系統做一些修改，使guest操作系統意識到自己是處于虛擬化環境的，但是半虛擬化提供了與原操作系統相近的性能

三、 虛擬化應用的目的

虛擬化的起因很簡單，就是因為硬件資源的浪費，主要針對的問題就是硬件資源效率的低落。在計算機CPU和內存的效能和數量以穆爾定律倍數成長的同時，CPU和內存在操作系統中的使用效率低落的情況反而加重。所謂的效率低落，就是無法完全發揮CPU的完整性能。雖然軟件和操作系統的專家不斷改良效率，但速度遠遠比不上CPU和內存發展的速度，因此讓單個硬件平臺運行多個操作系統的觀念，成為解決這個問題的答案。當前大部分服務器的CPU使用率常在5%以下，內存更在30%以下，因此把多個操作系統放在一臺機器中，多少可以讓CPU的利用率高一些。

前面提到將多臺OS放到一個服務器上可以加強硬件資源的使用率，因此服務器合并是最常見的虛擬化企業應用。既然可以合并服務器，那是否能合并桌上計算機呢?因此服務器合并和虛擬桌面架構(Virtual Desktop Infrastructure)是當前企業虛擬化的兩大熱點，而隨著這兩大熱點所生成的，就是云計算了。

虛擬化應用的目的：

1、 服務器合并減少了IT成本支出

不管是在企業內部還是提供主機托管的數據中心，當前已經很少有單個主機使用單個OS了。大部分的服務器早已合并，使用的就是虛擬化技術。服務器合并最明顯的優點就是可減少IT初期成本的支出以及電費冷卻的運營支出。這還只是其中一部分。

2、 降低IT管理成本

當前虛擬機在這方面的應用上，就是將客戶端的桌面操作系統全部移到服務器上的虛擬機。每一個桌面用戶都連入自身的虛擬機。這么做的好處除了可以省下一大筆升級硬件的預算，更可以將所有的桌面操作系統集中管理，不管是升級、安裝應用程序、用戶權力管理，都可以大量簡化IT的管理成本。

3、 提高硬件資源效率

隨著網絡環境的過度膨脹，加上服務器的空間、耗電、散熱成本不斷提高，CPU等資源利用率過低，使得虛擬機廠家開始將目標放在"單個物理服務器上運行多個操作系統環境"。這樣可以讓每一個系統服務(如數據庫、網頁服務器)在單個的操作系統上運行，而多個操作系統可以在同一臺物理服務器上并行運行，不但保持了服務間隔，更讓前面的問題迎刃而解。

4、 提高管理效率

虛擬化提供的功能可以將IT管理人員再度合并。一個人管理上前臺服務器不再是夢想，不但可以讓機器有高效性，公司的人事也可以有高效性，當然完善的管理功能必須創建在良好的架構之上。

5、高可用性

在服務器合并之后，大家發現虛擬機的功能不僅于此。由于虛擬機的硬件在抽象化之后，比物理機的應用更有彈性。再加上特殊的硬件和設計之后，企業最在乎的高可用性(High Availability)。冗余、負載均衡、副本等從前必須靠復雜技術或是昂貴設備的問題，使用虛擬化竟然可以一并解決。

此外，虛擬化更可以解決當前設備無法解決的問題，包括動態主機遷移、快捷刪除數據、統一桌面管理，甚至是創建永遠不會藍屏的企業集成環境。

四、 虛擬化主流廠商產品介紹

現在主流的虛擬化主要分為以下幾類：服務器虛擬化、桌面虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化和應用虛擬化，每一類虛擬化都有各自的特點和側重點。

其中主要廠商：vmware(側重于服務器虛擬化)、思杰Citrix(側重于桌面虛擬化)、IBM(VMControl)、微軟的Hyper-V。

1、VMware

VMware是全世界第三大軟件公司，Fortune 100的企業中100%都使用VMware產品，而Fortune 500大企業有98%都使用VMware，可見其影響力。VSphere號稱是一個云端操作系統。

 

VMware有一套完整的產品線，可以實現虛擬化及云計算平臺。

vSphere 虛擬化平臺，以原生架構的ESX/ESXi Server為基礎，讓多臺ESX Server能并發負擔多個虛擬機。

VMware vSphere

Vmware vSphere Hypervisor(ESXi)

Vcenter Server 基礎架構和運營管理。

VMware vCenter Server

VMware vCenter Server Heartbeat

VMware vCenter Operations

VMware vCenter Orchestrator

VMware vCenter Capacity IQ

VMware vCenter Site Recovery Manager 災難恢復

VMware vCenter Lab Manager

VMware vCenter Configuration Manager

VMware vCenter Converter

VMware vCenter Chargeback 用戶資源、費用管理

VMware vCenter Application Discovery Manager 應用程序管理

vCloud 系列

VMware vCloud Director將數據中心內的虛擬基礎架構資源整合成池，并以基于目錄的服務形式將它們提供給用戶。

VMware vCloud Express將按需、按服務付費的基礎架構作為一項服務交付。它提供可靠的按需基礎架構，并確保與內部 VMware 環境和 VMware Virtualized™ 服務兼容

VMware vCloud API

vShileld 集中管理虛擬化安全性。

VMware vShield App 保護虛擬數據中的應用程序免受網絡威脅的侵擾

VMware vShield Edge 增強對虛擬數據中心外圍的保護

VMware vShield Endpoint 病毒防護

桌面和終端用戶計算

Vmware View

VMware ThinApp

VMware ACE

Vmware Workstation

VMware Player

Zimbra 郵件系統

其他

VMware Data Recovery 虛擬機備份與恢復

VMware VMmark

VMware Capacity Planner

2、 Citrix

在桌面虛擬架構的領域中，最有名的就是Citrix。思杰創建于1989年，是應用交付基礎架構解決方案提供商。Citrix Delivery Center(交付中心)產品系列包括以下產品線：

Citrix XenServer——企業級服務器虛擬化解決方案;

XenServer是基于開源Xen系統管理程序創建的，它充分利用Intel VT平臺和AMD虛擬化(AMD-V)平臺進行虛擬化，提供更快速、更高效的虛擬化計算能力。

Citrix NetScaler——Web應用交付解決方案;

Citrix XenDesktop——虛擬桌面基礎架構;

Citrix XenDesktop可提供一種端到端的桌面虛擬化。XenDesktop可動態按需產生虛擬桌面，用戶每次登錄時都能獲得一個全新桌面，而確保性能不會下降。此外，XenDesktop采用的高速交付協議還可在任何網絡條件下提供快速的響應速度。

Citrix XenApp——Windows應用的事實標準;

Citrix XenApp 基礎版是為中小企業提供的簡潔、高效的遠程接入方案。它可幫助企業的遠程用戶隨時隨地，安全的遠程接入企業windows 應用以及文件系統。采用Windows Essential Business Server(EBS)，可以通過EBS控制臺實現集中化管理，簡化對遠程用戶的應用發布。

XenClient – 虛擬化客戶端

Citrix Receiver--企業能夠以高性能安全地通過任何用戶設備交付虛擬桌面

 

3、微軟Hyper-V

Windows Server 2008 R2 Hyper-V。作為云計算基礎架構的一部分，Windows Server 2008 R2 以 Windows Server 2008為基礎，加入Hyper-V角色。引導后的Windows Server 2008 R2 就不再是一個獨立的操作系統，而是在Hyper-V R2上的一個客戶端操作系統，但資源的分配還是可以由該操作系統來統一。

Microsoft System Center

System Center Virtual Machine Manager

System Center Operations Manager

System Center Configuration Manager

System Center Data Protection Manager

System Center Opalis

System Center Service Manager

SQL Server 2008 R2

是微軟的數據管理與分析平臺，幫助您隨時隨地管理任何數據。在云計算基礎架構中，SQL Server 2008 R2用于存儲及管理數據。

微軟云計算架構

 

基于以上架構，微軟能為企業提供兩種云計算部署類型，即公共云和私有云。

公共云：由微軟自己運營，為客戶提供部署和應用服務。在公共云中，Windows Azure Platform是一個高度可擴展的服務平臺，提供基于微軟數據中心隨用隨付費的靈活的服務模式。

私有云：部署在客戶的數據中心內部，基于客戶個性化的性能和成本要求、面向服務的內部應用環境。這個云平臺基于成熟的Windows Server和System Center等系列產品，并且能夠與現有應用程序兼容。

五、 虛擬化的場景應用

以高校信息化應用場景為例

高校信息化建設從20世紀90年代，已經經歷了單機環境、C/S架構、B/S架構、SOA等多個發展階段。目前，高校信息化建設已經涉及到高校的教學、科研、管理、生活、服務等相關領域，所需要的計算機平臺、存儲環境和網絡環境多種多樣，隨之也帶來了IT基礎設施的資源利用率低和管理成本高等問題。將虛擬化技術應用到高校信息化建設中，既能提高高校信息基礎設施的效率，也能提升信息化基礎平臺的可靠性和可維護性，降低IT相關管理成本。

1、存儲虛擬化應用

使用存儲虛擬化技術，將高校信息化基礎設施中的所有存儲資源整合為一個大的存儲系統，通過統一存儲數據和管理存儲空間對外以透明的方式提供存儲服務，根據應用系統對存儲速率和訪問要求的不同，提供不同的存取方式。

通過對存儲資源的統一整合，將FC SAN、IP SAN和NAS等產品從邏輯上整合起來，構建由集中存儲引擎和存儲池兩部分構成的統一存儲資源，同時支持NFS、CIFS、FC、iSCSI等協議，具備強大的動態擴展能力。當業務以及I/O帶寬需求增加時，用戶可以通過動態增加統一存儲引擎節點及存儲單元設備，以獲得更高的聚合帶寬和更大的存儲容量。

如高性能計算機平臺、高校網絡計費系統、校園郵件系統等應用系統對存儲資源的訪問速率較高，需要較高的傳輸速率，可以采用FC SAN架構來存儲。

 

對校園FTP、VOD等業務系統可以采用NAS架構存儲，采用NFS、HTTP、CIFS等文件共享協議，簡單易用，共享方便，也適合于多個業務系統訪問共享資源的情況。

對一般的業務系統，可采用IP SAN架構訪問統一整合之后的存儲環境。IP SAN使用iSCSI協議，將SCSI塊數據轉換為網絡封包進行傳輸，對已有的網絡架構變動最小，不需要額外投資購買光纖交換機，主機可以僅安裝iSCSI Initiator驅動程序即可，可以很方便地集成很多松散的小型應用的存儲，尤其是適合那些以隨機數據訪問為主，且對訪問性能要求不高的應用系統。

2、服務器虛擬化應用

使用服務器虛擬化技術，將高校中的PC服務器統一虛擬整合為一個服務資源池，根據各個業務系統的需求，為其分配適合的CPU、內存和存儲資源。

 

目前，VMware、Citrix、IBM和Microsoft都能提供完整的服務器虛擬解決方案，通過安裝部署，可以整合所有的PC服務器，然后根據業務系統的需求，安裝相應的操作系統環境。這些虛擬解決方案都可使人們在一臺物理機器上，安裝多個不同版本、不同類型的操作系統，獨立地對外提供服務。

3、Web虛擬主機

網站的運行平臺和開發技術有很多的共性，而高校二級部門所建立的各類服務網站大部分形式簡單，功能單一，不需要較高的服務資源。針對這種情況，可以提供相應平臺的Web虛擬主機環境，將這些網站整合在一起，提高資源的利用率和安全性。這樣如果一個部門需要開設新的Web網站，可以根據其使用的技術平臺，分配相應的Web服務器空間和數據庫服務器。通過以上服務器虛擬化技術，可以對校園網站整個系統的資源進行動態優化。

4、網絡虛擬化應用

隨著高校信息化的不斷深入，校園網絡上承載的應用越來越多，通過網絡虛擬化技術可以實現不同應用的相互隔離，而同一類應用卻可在全網范圍內訪問，實現將物理網絡的邏輯縱向劃分。

應用VLAN等技術，將網絡劃分為多個網段，提高了各類網絡應用的安全性。如通過技術，用戶可以在任意地方訪問校內資源，校內圖書館，也可以為校內網絡辦公系統提供方便通道。同時可以使用隧道技術，實現使用IPv4網絡訪問IPv6網絡相關資源的能力。

在某些對網絡流量有特別需求的地方，可以通過端口聚合的模式，使物理上多個端口互連成邏輯上的一個端口，提高并發I/O吞吐率，并且在某一個物理網絡端口出現故障時，可以保證網絡服務的通暢。

通過網絡虛擬化技術，可以為高校信息化的網絡基礎設施建設提供一個新標準，定義新一代網絡架構，使得各種基礎網絡都能使用這種靈活的架構，使高校在構建連續和高度可用的網絡服務的同時，優化網絡資源的使用效率。