淺談服務器虛擬化

張驍

一、服務器虛擬化相關要點

1.虛擬化技術

虛擬化技術是云計算的基礎，起到資源池構建的關鍵作用，虛擬化技術主要包括服務器虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化。

2.服務器虛擬化

服務器虛擬化前每臺主機運行一個操作系統，軟件硬件緊密結合，在同一主機上運行多個應用程序會遭遇沖突;服務器虛擬化后消除了操作系統和硬件的依賴，可通過虛擬機實現系統安全與故障隔離，其獨立于硬件， 能在任何硬件上運行。

3.虛擬機主要特征

分區：在一臺物理機上運行多個操作系統，即在虛擬機之間分配系統資源。

隔離：實現故障和安全隔離，保證安全性及可靠性。

封裝：虛擬機狀態可保存為文件，移動和復制虛擬機如同操作文件。

硬件獨立：虛擬機與硬件沒有相互依賴，可部署與遷移虛擬機到不同物理機。

4.虛擬化與熱遷移

服務器遷移分為冷遷移和熱遷移兩大類。冷遷移需要關閉或掛起服務器，因此其上的應用要停止，冷遷移不需要主機處理器兼容，不需要共享存儲。熱遷移過程中虛擬機保持運行，其上的應用不需要停止，熱遷移需要主機處理器兼容，需要共享存儲。借助虛擬化技術無需關閉物理主機，即可添加計算存儲等各類資源，當物理服務器故障時可在其它物理服務器上自動重啟該虛擬機。

5.虛擬化與系統容錯

借助服務器虛擬化技術，可在不同的主機上同步運行相同的虛擬機，出現硬件故障時，所有虛擬機均可實現零宕機時間、零數據損失故障切換，無需集群同步或專用恢復設備。

6.虛擬化與資源分配

借助虛擬化技術，可實現資源動態調度，達到應用相關硬件資源按需分配。

二、服務器虛擬化常見架構

1.寄生架構

使用計算機之前，通常要先安裝操作系統，該操作系統被稱為宿主操作系統（即Host OS）。采用虛擬機技術時，在操作系統之上再安裝一個虛擬機監控程序（VMM），使用該VMM創建并管理虛擬機。因為VMM看起來像是“寄生”在操作系統上，因此這種后裝模式稱為寄生架構。常見如Oracle公司的VirtualBox及VMware公司的VMware Workstation 都屬于寄生架構的VMM。

2.裸金屬架構

裸金屬架構是指將VMM直接安裝在物理服務器之上，這種情況下無須先安裝操作系統。在安裝了VMM之后，再在VMM上安裝操作系統（如Windows、Linux等）。由于VMM看起來是直接安裝在物理計算機之上，所以稱為裸金屬架構，常見的裸金屬架構VMM如KVM、Xen、VMware ESX。有些觀點認為裸金屬架構VMM都是直接運行在物理硬件之上的，無須通過Host OS，其實并非如此。雖然裸金屬架構VMM軟件大類上可以歸為應用軟件范疇，但通常意義上的應用軟件不具備直接對計算機硬件進行調度管理的功能，下面通過分析Xen的工作流程進行解釋說明。

Xen工作流程中有3個Domain。一些人在這里將Domain解釋為CPU狀態，這是因為在各類文檔中會讀到一些如“系統進入Domain 0狀態”這樣的描述。相較于CPU狀態，Domain在虛擬化技術里而是更適合被翻譯為“域”，或者我們可以理解它就是一臺虛擬機。雖然Xen看起來像是直接運行于硬件之上，但Xen嚴重依賴于一個特殊的Domain，那就是Domain 0。Xen在發布其裸金屬版本的時候，里面包含了一個裁剪過的Linux內核，它為Xen提供了除CPU調度和內存管理之外的所有功能，包括硬件驅動、I/O、網絡協議、文件系統、進程通信等操作系統所做的工作。如果Xen中沒有包含該Linux內核，Xen將無法正常工作。這個Linux內核就運行在Domain 0 之中，這也是為什么啟動裸金屬架構Xen時要自動啟動Domain 0。通常基于裸金屬架構的VMM中會內嵌一個經過修改過的Host OS，讀者若有興趣可自行對其它裸金屬架構VMM進行研究，此處不再展開。

三、非虛擬化服務器的主要問題

前面闡述了服務器虛擬化的常見架構和主要特點，本節將對非虛擬化服務器的主要問題進行簡要總結。

1.資源利用率低

由于每個時段的業務量不同，因此對服務器硬件資源需求也不同。非虛擬化服務器需要按照峰值業務對應的服務器硬件需求進行配置，大量時間資源利用率較低，考慮到雙機熱備和異地多活等策略，將造成服務器資源的巨大浪費。

2.擴展性差

若業務應用都獨占物理資源，即使一個業務應用不使用時，也造成其它業務應用無法使用。系統和應用遷移到新的硬件需要和舊系統兼容。

3.效率及可用性低

新服務器和應用部署時間長，影響服務器重建和應用加載時間，影響效率。系統維護升級或硬件資源擴容時候需要服務器停機，造成業務中斷。

4.運維成本高

服務器數量日益增多，對數據中心的耗電、制冷、空間、網絡等消耗增加，從而造成資產、電力、人力成本增加。

四、服務器虛擬化收益分析

1.直接收益

減少硬件投資：由于服務器虛擬化可以使得多個操作系統共享硬件資源，因此會直接減少物理服務器的數量，虛擬化后的服務器數量通常降到原有服務器數量的五分之一或更少，極大節省服務器采購成本;由于存儲的共享性提高，對存儲設備的投資也明顯節省;服務器和存儲減少帶來的機房空間占用減少、網絡設備簡化等都將節省相應成本。

降低運行維護成本：硬件的減少降低了硬件的維護和服務費用，并且帶來了運營費用的降低，包括：機柜購買、設備及制冷用電等。

提高數據中心響應能力：數據中心的管理從原來的縱向分割式多線管理變成了橫向統一管理，硬件人員專注于總體計算負載能力，軟件人員專注于業務邏輯服務器，服務器的使用和分配更加方便;采用動態數據中心技術后，為邏輯服務器分配計算能力的工作可以自動化完成，大大提高了企業數據中心的響應能力。

提高業務連續性和災備能力：采用服務器虛擬化技術可以大大提高服務器的業務連續性和災難備份能力，企業不用再因為服務器維護而終止業務運行，所有的服務器之間都具備了在線備份能力;數據集中管理更加安全，同時也使得異地災備也變得更加實時方便。

2. 間接收益

服務器虛擬化技術使得服務器資源管理調度更有效、數據中心更低碳智能，無形中將為企業帶來巨大間接收益。

綜上，隨著對服務器需求的日益增加，服務器的利用和管理相關問題更加突出，服務器虛擬化技術正是解決該問題的有效方案。