云計算中的虛擬技術(shù)

郭清溥 張桂香

河南財經(jīng)政法大學，鄭州 450002

云計算中的虛擬技術(shù)

郭清溥 張桂香

河南財經(jīng)政法大學，鄭州 450002

云計算是分布式處理、并行計算和網(wǎng)格計算等概念的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)，其技術(shù)實質(zhì)是計算、存儲、服務器、應用軟件等IT軟硬件資源的虛擬化。現(xiàn)在，整個IT環(huán)境已逐步向云計算時代跨越，虛擬化技術(shù)也從最初的側(cè)重于整合數(shù)據(jù)中心內(nèi)的資源，發(fā)展到可以跨越IT架構(gòu)實現(xiàn)包括資源、網(wǎng)絡(luò)、應用和桌面在內(nèi)的全系統(tǒng)虛擬化。

云計算；核心技術(shù)；虛擬化

1 云計算的框架

云計算（cloud computing），是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬資源和信息可以按需提供給計算機和其他設(shè)備。通俗的說就是，云計算的“云”就是存在于互聯(lián)網(wǎng)上的服務器集群上的資源，它包括硬件資源（服務器、存儲器、CPU等）和軟件資源（如應用軟件、集成開發(fā)環(huán)境等），本地計算機只需要通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個需求信息，遠端就會有成千上萬的計算機為你提供需要的資源并將結(jié)果返回到本地計算機。這樣，本地計算機幾乎不需要做什么，所有的處理都由云計算提供商所提供的計算機群來完成。

云計算的出現(xiàn)，改變了信息服務的提供方式。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，隨時擴展或縮小，按需使用，計量付費。

目前，云計算的主要服務形式有：SaaS(Software as a Service)，PaaS(Platform as a Service)，IaaS(Infrastructure as a Service)。

1.1 軟件即服務(SaaS)

SaaS服務提供商將應用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務器上，用戶根據(jù)需求通過互聯(lián)網(wǎng)向廠商訂購應用軟件服務，服務提供商根據(jù)客戶所定軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費，并且通過瀏覽器向客戶提供軟件的模式。這種服務模式的優(yōu)勢是，由服務提供商維護和管理軟件、提供軟件運行的硬件設(shè)施，用戶只需擁有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的終端，即可隨時隨地使用軟件。這種模式下，客戶不再像傳統(tǒng)模式那樣花費大量資金在硬件、軟件、維護人員等方面，而只需要支出一定的租賃服務費用，通過互聯(lián)網(wǎng)就可以享受到相應的硬件、軟件和維護服務，這是網(wǎng)絡(luò)應用最具效益的營運模式。對于小型企業(yè)來說，SaaS是采用先進技術(shù)的最好途徑。

以企業(yè)管理軟件來說，SaaS模式的云計算ERP可以讓客戶根據(jù)并發(fā)用戶數(shù)量、所用功能多少、數(shù)據(jù)存儲容量、使用時間長短等不同組合按需支付服務費用，既不用支付軟件許可費用，也不需要支付采購服務器等硬件設(shè)備費用，不需要支付購買操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等平臺軟件費用，不需要承擔軟件項目定制、開發(fā)、實施費用，不需要承擔IT維護部門開支費用。

1.2 平臺即服務(PaaS)

把開發(fā)環(huán)境作為一種服務來提供。這是一種分布式平臺服務，廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務器平臺、硬件資源等服務給客戶，用戶在其平臺基礎(chǔ)上定制開發(fā)自己的應用程序并通過其服務器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他客戶。PaaS能夠給企業(yè)或個人提供研發(fā)的中間件平臺，提供應用程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、應用服務器、試驗、托管及應用服務。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(IaaS)

IaaS是把廠商的由多臺服務器組成的“云端”基礎(chǔ)設(shè)施，作為計量服務提供給客戶。它將內(nèi)存、I/O設(shè)備、存儲和計算能力整合成一個虛擬的資源池為整個業(yè)界提供所需要的存儲資源和虛擬化服務器等服務。這是一種托管型硬件方式，用戶付費使用廠商的硬件設(shè)施。

IaaS的優(yōu)點是用戶只需低成本硬件，按需租用相應計算能力和存儲能力，大大降低了用戶在硬件上的開銷。

2 云計算中的核心技術(shù)

云計算是分布式處理、并行計算和網(wǎng)格計算等概念的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)，其技術(shù)實質(zhì)是計算、存儲、服務器、應用軟件等IT軟硬件資源的虛擬化，云計算系統(tǒng)運用了許多技術(shù)，其中以虛擬化、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、并行編程、云計算平臺管理等方面具有自身獨特的技術(shù)。

2.1 虛擬化技術(shù)

通過虛擬化技術(shù)可實現(xiàn)軟件應用與底層硬件相隔離，它包括將單個資源劃分成多個虛擬資源的裂分模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。虛擬化技術(shù)根據(jù)對象可分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

2.2 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

云計算系統(tǒng)由大量服務器組成，同時為大量用戶服務，因此云計算系統(tǒng)采用分布式存儲的方式存儲數(shù)據(jù)，用冗余存儲的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性。云計算系統(tǒng)中廣泛使用的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是Google的GFS（Google File System）和Hadoop團隊開發(fā)的開源系統(tǒng)HDFS（Hadoop Distributed File System）。

2.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計算需要對分布的、海量的數(shù)據(jù)進行處理、分析，因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠高效的管理大量的數(shù)據(jù)。云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT(Big Table)數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團隊開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBase。

2.4 并行編程技術(shù)

MapReduce是Google開發(fā)的Java、Python、C++編程模型，它是一種簡化的分布式編程模型和高效的任務調(diào)度模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運算。嚴格的編程模型使云計算環(huán)境下的編程十分簡單。MapReduce模式的思想是將要執(zhí)行的問題分解成Map(映射)和Reduce(化簡)的方式，先通過Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計算機處理，達到分布式運算的效果，再通過Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯整輸出。

2.5 平臺管理技術(shù)

云計算資源規(guī)模龐大，服務器數(shù)量眾多并分布在不同的地點，同時運行著數(shù)百種應用，如何有效的管理這些服務器，保證整個系統(tǒng)提供不間斷的服務是巨大的挑戰(zhàn)。

云計算系統(tǒng)的平臺管理技術(shù)能夠使大量的服務器協(xié)同工作，方便的進行業(yè)務部署和開通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化的手段實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運營。

3 虛擬化技術(shù)

隨著企業(yè)的成長，業(yè)務和應用不斷增加，IT系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，帶來高能耗、數(shù)據(jù)中心空間緊張、IT系統(tǒng)總體擁有成本過高等問題；而現(xiàn)有服務器、存儲系統(tǒng)等設(shè)備又沒有充分被利用起來，資源極度浪費；IT基礎(chǔ)架構(gòu)對業(yè)務需求反映不夠靈活，不能有效地調(diào)配系統(tǒng)資源適應業(yè)務需求。因此，企業(yè)需要建立一種可以降低成本、具有智能化和安全特性、并能夠與當前的業(yè)務環(huán)境相適應的靈活、動態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施和應用環(huán)境，以更為快速地響應業(yè)務環(huán)境的變化，并且降低數(shù)據(jù)中心的運營成本。

虛擬化技術(shù)是一種調(diào)配計算資源的方法，它將應用系統(tǒng)的不同層面——硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、存儲等一一隔離開來，從而打破數(shù)據(jù)中心、服務器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和應用中的物理設(shè)備之間的劃分，實現(xiàn)架構(gòu)動態(tài)化，并達到集中管理和動態(tài)使用物理資源及虛擬資源，以提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的彈性和靈活性，降低成本、改進服務、減少管理風險等目的。

計算機的虛擬化使單個計算機看起來像多個計算機或完全不同的計算機，從而提高資源利用率并降低IT成本。而后，隨著IT架構(gòu)的復雜化和企業(yè)應用計算需求的急劇加大，虛擬化技術(shù)發(fā)展到了使多臺計算機看起來像一臺計算機以實現(xiàn)統(tǒng)一的管理、調(diào)配和監(jiān)控。比如說服務器聚合(Server Aggregation)或網(wǎng)格計算(Grid Computing)?，F(xiàn)在，整個IT環(huán)境已逐步向云計算時代跨越，虛擬化技術(shù)也從最初的側(cè)重于整合數(shù)據(jù)中心內(nèi)的資源，發(fā)展到可以跨越IT架構(gòu)實現(xiàn)包括資源、網(wǎng)絡(luò)、應用和桌面在內(nèi)的全系統(tǒng)虛擬化，進而提高靈活性。

現(xiàn)在，當整個IT界正處于逐漸步入云計算時代的過程中，單個虛擬化技術(shù)雖然都為企業(yè)在IT方面帶來了收益，但是人們更看重的是基于所面對的各自不同的獨特環(huán)境發(fā)展出一個適合自己的全面的虛擬化戰(zhàn)略。我們需要考慮的是將所有可用的虛擬化技術(shù)作為一個整體來考慮和組合，以使從中產(chǎn)生的效益最大化。也就是說在云計算環(huán)境下，所有虛擬化解決方案都是集服務器、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、軟件及服務于一體的系統(tǒng)整合方案。它們包括了硬件資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施虛擬化、應用虛擬化、桌面虛擬化等多種虛擬化技術(shù)的多個層面，并根據(jù)不同的應用環(huán)境靈活地將若干層面組合以實現(xiàn)不同模式虛擬化方案。

在這種云環(huán)境下的整體虛擬化戰(zhàn)略中，我們可以利用虛擬化技術(shù)提供的多種機制，在無需重要的硬件和物理資源擴展的前提下，通過不同的方案快速模擬不同的環(huán)境和試驗，達到預先構(gòu)建操作IT系統(tǒng)、應用程序、提高安全性以及實現(xiàn)管理環(huán)境的目的，便于以后以更為簡化和有效的方式將它們投入到生產(chǎn)環(huán)境中，進而提供更大的靈活性，并迅速確定潛在的沖突。同時，我們可以利用服務器虛擬化技術(shù)將大量分散的、沒有得到充分利用的物理服務器工作負荷，整合到獨立的、聚合的、數(shù)量較少的物理服務器上，甚至使一臺單一的大型網(wǎng)絡(luò)虛擬機取代數(shù)以百計甚至于計較小的服務器并使其在長時間內(nèi)在高利用率下運行，從而更好地管理IT成本、最大化能源效率及提高資源利用率。我們還會利用存儲虛擬化技術(shù)來支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多種多樣的磁盤存儲系統(tǒng)，通過將存儲容量整合到一個存儲資源池中，幫助IT系統(tǒng)簡化存儲基礎(chǔ)架構(gòu)，對信息進行生命周期管理并維護業(yè)務持續(xù)性。當然，我們還會利用應用及桌面虛擬化技術(shù)提供應用基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化功能，降低創(chuàng)建、管理和運行企業(yè)應用程序及SOA環(huán)境所需的運營和能源成本，并達成提高靈活性和敏捷性，確保業(yè)務流程完整性，以改進服務，提高應用程序性能并更好地管理應用程序運行狀況等目的。除此之外，虛擬化的系統(tǒng)管理及監(jiān)控服務還能幫助我們通過一個共同的接入點發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控和管理包括系統(tǒng)和軟件在內(nèi)的所有的虛擬和物理資源，并提供完全的跨企業(yè)服務管理，減少支持多種類型服務器所需管理工具的數(shù)量。

4 結(jié)語

虛擬化打開了云計算的大門，而云計算帶給大家的從本質(zhì)上講正是虛擬化服務。從虛擬化到云計算的過程，我們實現(xiàn)了跨系統(tǒng)的資源動態(tài)調(diào)度，將大量的計算資源組成IT資源池，用于動態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源供給用戶使用，從而最云計算深刻改變未來終實現(xiàn)應用、數(shù)據(jù)和IT資源以服務的方式通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶，并以前所未見的高速和富有彈性的方式來完成任務。

我們正在經(jīng)歷一場發(fā)生在IT內(nèi)外地邁向云計算時代的巨大變革，而推動這場變革的正是由不斷發(fā)展的虛擬化技術(shù)所帶來的從組件走向?qū)蛹壢缓笞呦蛸Y源池的過程。云計算是虛擬化的最高境界，虛擬化是云計算的底層結(jié)構(gòu)。

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.039

河南省軟科學資助項目：云計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究，項目編號：112400450478

郭清溥（1963-），男，河南財經(jīng)政法大學副教授，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)及應用，數(shù)據(jù)庫應用。

張桂香（1971-），女，河南財經(jīng)政法大學副教授，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)及應用。