工业互联网平台核心技术之二：虚拟化技术

IaaS技术是一系列技术而非一种技术。在工业互联网IaaS层，是基于虚拟化、分布式存储、并行计算、负载调度等技术，实现网络、计算、存储等计算机资源的池化管理。根据需求进行弹性分配，并确保资源使用的安全与隔离，为用户提供完善的云基础设施服务。其中虚拟化技术是IaaS的关键技术。

实际上，我们通常所说的虚拟化是指服务器虚拟化技术。而除此之外，还有网络虚拟化和存储虚拟化技术等等。其中网络虚拟化应用于企业核心和边缘路由，利用交换机中的虚拟路由特性，用户可以将企业划分为使用不同规则和控制的多个子网，而不必再为此购买和安装新的机架或设备。与传统技术相比，它具有更少的运营费用和更低的复杂性。存储虚拟化则是将企业中的存储资源整合在一起，通过一台逻辑存储设备供用户访问。

一、虚拟化技术概念

虚拟化技术，通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

二、虚拟化技术的分类

1959年，克里斯托弗（Christopher Strachey）发表了一篇学术报告，名为"大型高速计算机中的时间共享"（Time Sharing in Large Fast Computers），他在文中提出了虚拟化的基本概念，这篇文章也被认为是虚拟化技术的最早论述。

随着虚拟化技术的逐渐成熟，不断有新的厂商加入企业虚拟化市场的竞争之中，其中比较有代表性有VMware、Microsoft等。其中VMware一枝独秀，成为虚拟化技术最重要的厂商。

 

虚拟化技术经过数年的发展，已经成为一个庞大的技术家族，其技术形式种类繁多，实现的应用也有一个体系。但对其分类，一般的介绍比较含糊，分类属性不一。如将服务器虚拟化、硬件虚拟化、CPU虚拟化相提并论，但其实它们都属一个类别，只是按不同属性分类得出的不同名称。下面按照不同属性，对虚拟化做一个分类。

 

以应用的领域来划分：服务器虚拟化、存储虚拟化、应用虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化。

 

以实现层次来划分：硬件虚拟化、操作系统虚拟化、应用程序虚拟化

1、基于硬件的虚拟化

硬件虚拟化就是用软件来虚拟一台标准计算机的硬件配置，如CPU、内存、硬盘、声卡、显卡、光驱等，成为一台虚拟的裸机，然后就可以在上面安装操作系统了。使用时，先在操作系统里安装一个硬件虚拟化软件，用其虚拟出一台计算机，再安装系统，做到系统里运行系统，并可虚拟出多台计算机，安装多个相同或不同的系统。

2、基于操作系统的虚拟化

操作系统虚拟化就是以一个系统为母体，克隆出多个系统。它比硬件虚拟化要灵活方便，因为只需在系统里装一个虚拟化软件，就能以原系统为样本很快克隆出系统，克隆出的系统与原系统除一些ID标识外，其余都一样。

看似与硬件虚拟化一样，都是虚拟多个操作系统出来，但与硬件虚拟化还是有很多不同之处。

（1）操作系统虚拟化是以原系统为样本，虚拟出一个近乎一模一样的系统；硬件虚拟化是虚拟硬件环境，然后真实地安装系统。它们虚拟的东西不一样。

（2）操作系统虚拟化虚拟的系统都只能为同样的系统；硬件虚拟化虚拟的系统可以为不同的系统，如Linux、Mac、Windows家族。

（3）操作系统虚拟化虚拟的多个系统有较强的联系，体现在：①可以为多个虚拟系统同时进行配置，更改了原系统就改了所有；②如果原系统损坏，会殃及所有虚拟系统。硬件虚拟化虚拟的多个系统是相互独立的，与原系统也无联系，原系统的损坏不会殃及虚拟的系统。

（4）操作系统虚拟化的性能损耗低，它们都是虚拟的系统，而非硬件虚拟化那样真实安装的实体，没有硬件虚拟化的虚拟硬件层，也大大降低了性能损耗。

3、基于应用程序的虚拟化

应用虚拟化技术的兴起最早也是从企业市场而来。一个软件被打包后，通过局域网很方便地分发到企业的几千台计算机上去，不用安装，直接使用，大大降低了企业的IT成本。

应用虚拟化的目的也是虚拟操作系统，但只是为保证应用程序的正常运行虚拟系统的某些关键部分，如注册表、C盘环境等，所以较为轻量、小巧。使用方法大体为：先安装虚拟化软件，此时已经搭建了一个虚拟化环境，然后接收来自网络的应用软件或安装应用软件到虚拟化环境里，最后使用应用软件。

三、虚拟化技术的四大特性

 

• 四、云计算时代的虚拟化

云计算的浪潮正席卷而来。通过提供灵活、自助服务式的IT基础架构，云计算促使信息处理方式发生了革命性的转变。在这场变革中，虚拟化技术发挥了决定性作用。它所带来的独立性、高度整合性和移动性，改变了当前的IT基础架构、流程以及成本。通过消除长期存在于应用层与物理主机之间的障碍，虚拟化使部署更为轻松便捷，工作负载的移动性显著增强。

虚拟化技术内容浩繁，对于非专业人士只需要了解整体的认知便可以了。虚拟化技术的云计算表面上看起来和一般的网站一样，但与一般的信息类网站不一样的是，用户需要获得的不是信息，而是计算和存储能力。

1、改变部署和应用

由于虚拟化技术能够节省投资、提高闲置计算资源的利用效率，同时其需要CIO对企业的IT基础设施进行重新规划、部署和管理，因此，虚拟化正在最大程度地改变企业IT基础设施的部署及运营。越来越多的企业，甚至是小企业，也开始尝试上云，而非自己布署。

2、向服务转型

云计算能给企业带来两大价值：一是企业可以获得应用所需的足够多的计算能力，而且无须对支持这一计算能力的IT基础设施付出相应的原始投资成本，现在很多企业往往都无法负担高额的基础设施投资成本；二是在需要时像购买服务一样购买这种计算能力，按照流量付费即可，用户不用担心计算设备与资源的日常维护开销和闲置成本。云计算改变了企业对计算资源的采购和使用方式，改变了对IT应用建设的模式。

五、两种服务器虚拟化架构

服务器虚拟化技术是指能够在一台物理服务器上运行多台虚拟服务器的技术，而且上述虚拟服务器在用户、应用软件甚至操作系统看来，几乎与物理服务器没有区别。除此之外，服务器虚拟化技术还应该确保上述多台虚拟服务器的数据是隔离的，虚拟服务器对资源的占用是可控的。

服务器虚拟化的两种构架

1、寄生架构（Hosted Architecture）

在操作系统之上安装和运行虚拟化程序，依赖主机操作系统对设备的支持和物理资源管理。

2、裸金属架构(Bare Metal Architecture)

直接在硬件之上安装虚拟化软件，再在其上安装操作系统和应用，依赖虚拟层内核和服务器控制台进行管理。

 

3、两种架构的对比图

	寄居架构	裸金属架构
优点	简单，便于实现	不依赖主机操作系统，可以支持多种基于x86架构的操作系统，多种应用，更加灵活
缺点	安装和运行应用程序依赖于主机操作系统对设备的支持	虚拟层内核开发难度大
案例	GSX Server、VMware Server、Workstation	VMware ESX Server

 

六、虚拟化云计算管理平台架构

虚拟化技术主要是实现了对底层物理资源的抽象，使其成为一个个可以被灵活生成、调度、管理的基础资源单位。

1、资源管理平台

资源管理平台负责对物理设备和虚拟化资进行统一的管理和调度，形成统一的资源池，实现IaaS服务的可管、可控，其核心是实现对每个资源单位的生命周期管理能力和对资源管理调度能力。

对资源的生命周期管理，就是对资源的生成、分配、扩展、迁移、回收的全流程管理，关键基础包括虚拟机自动化部署、虚拟机弹性能力提供、资源状态监控、度量和资源的回收等。资源的管理调度能力则是指对资源的全局性管理与调度，包括模板管理、接口管理、调度策略管理、资源使用量的采集和度量等。

2、业务管理平台

业务管理平台的职责是将资源封装成各种服务，以方便易用的方式对外提供给用户，实现IaaS的运营。其中业务服务管理主要是将底层资源进行组合和打包，形成供最终用户购买的业务和服务。业务流程管理用于实现对用户注册、认证、服务开通以及使用、计费、结算等流程的配置与管理；计费管理根据资源监控与度量采集的历史数据统计用户对资源的使用量，并根据计费策略生成计费账单；用户管理主要负责用户的身份认证，业务订购关系管理等工作。

七、结语

纵观虚拟化技术的发展历史，可以看到它始终如一的目标就是实现对IT资源的充分利用。虚拟化技术是一种调配计算资源的方法，它将应用系统的不同层 面的硬件、软件、数据、网络存储等一一隔离起来，从而打破数据中心、服务器、存储、网络数据和应用的物理设备之间的划分，实现架构动态化，并达到集中管理和动态使用物理资源及虚拟资源，以提高系统结构的弹性和灵活性，降低成本、改进服务、减少管理风险等目标。因为随着企业的发展，业务和应用不断扩张，基于传统的IT建设方式导致IT系统规模日益庞大，数据中心空间不够用、高耗能，维护成本不断增加。企业需要建立一种可以降低成本、具有智能化和安全特性并能够及时适应企业业务需求的灵活的、动态的基础设施和应用环境，并希望降低数据中心的运营成本，这时虚拟化技术应运而生。

 

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