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1、在此输入您的封面副标题第1章 虚拟化概述虚拟化技术虚拟化技术第第1章章 虚拟化概述虚拟化概述u第1节 虚拟化技术简介u第2节 虚拟化分类u第3节 操作系统与虚拟化目录1.1 虚拟化技术简介0 04 403030 02 20 01 1IBM公司开发的System/360 Model 40VM，IBM 7044机器VMware推出商业虚拟化软件“大型高速计算机中的实践共享”中提出虚拟化的概念虚拟化爆发1959年1965年1999年2006年1.1.1 虚拟化的基本概念虚拟化的基本概念1.1.1 虚拟化的基本概念虚拟化的基本概念 虚拟化是资源的逻辑表示，虚拟化是资源的逻辑表示，它不受物理限制的约束它
2、不受物理限制的约束n虚拟化技术是一个广义的术语，是指计算单元在虚虚拟化技术是一个广义的术语，是指计算单元在虚拟资源的基础上而不是真实资源的基础上运行。拟资源的基础上而不是真实资源的基础上运行。n把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源。把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源。n将各种各样的资源通过逻辑抽象、隔离、再分配、将各种各样的资源通过逻辑抽象、隔离、再分配、管理的一个过程。管理的一个过程。核心理念以透明的方式提供抽象的底层资源。虚拟化概念虚拟化概念本质n物理硬件与操作系统分开，提供更高的资源利用率和灵活性。1.1.2 虚拟化的目的虚拟化的目的虚拟化的目的1.可在一个特定的软硬件环境中去虚拟另一
3、个不同的软硬件环境，并可以打破层级依赖的现状2.提高计算机设备的利用率3.在不同的物理服务器之间会存在兼容性的问题4.虚拟化可节约潜在成本随着云计算的发展，传统的数据中心逐渐过渡到虚拟化数据中心，即采用虚拟化技术将原来数据中心的物理资源进行抽象整合。l 实现资源的动态分配和调度，提高现有资源的利用率和服务可靠性l 提供自动化的服务能力，降低运维成本l 具有有效的安全机制和可靠性机制，满足个人客户和企业客户的安全需求l 方便系统升级、迁移和改造1.1.2 虚拟化的目的虚拟化的目的1.1.3 1.1.3 云计算与虚拟化云计算与虚拟化虚拟化技术是伴随着云计算的出现而产生和发展起来的，虚拟化技术是伴随
4、着云计算的出现而产生和发展起来的，虚拟化意味着对数据中心的物理资源的抽象。虚拟化意味着对数据中心的物理资源的抽象。虚拟化技术已经成为构建云计算环境的一项关键技术。虚拟化技术已经成为构建云计算环境的一项关键技术。虚拟化技术虚拟化技术规模不断增大成本逐渐上升管理日趋复杂资源利用率低扩展性差现在n在计算机硬件强大性能的前提下如何降低系统成本 提高系统资源利用率如何降低管理成本如何提高安全性和可靠性如何增强可移植性 提高软件开发效率n使虚拟化技术的重要性越来越明显。使虚拟化技术成为研究的热点。1.1.4 虚拟化历史沿革与未来趋势虚拟化历史沿革与未来趋势虚拟化的发展经历了四个阶段第一个阶段是大型机上的虚
5、拟化，就是简单地、硬性地划分硬件资源。第二个阶段就是大型机技术开始向UNIX系统或类UNIX系统的迁移，比如IBM的AIX、SUN的Solaris等操作系统都带有虚拟化的功能特性。第三个阶段则是针对x86平台的虚拟化技术的出现。第四个阶段就是近几年开始出现或者被人注意的虚拟化技术，主要有芯片级的虚拟化、操作系统的虚拟化和应用层的虚拟化。虚拟化的未来发展趋势虚拟框架扩展化虚拟平台开放化和标准化公有云私有化高度集成虚拟机自动化呈上趋势未来虚拟化的发展多元化（1）从虚拟化支持的层次划分软件辅助的虚拟化硬件支持的虚拟化（2）从虚拟平台的角度来划分全虚拟化半虚拟化（3）从虚拟化的实现结构分Hypervi
6、sor型虚拟化宿主模型虚拟化混合模型虚拟化（4）从虚拟化在云计算中被应用的领域划分服务器虚拟化、存储虚拟化、应用程序虚拟化、平台虚拟化、桌面虚拟化原理原理将一台服务器当做N台服务器来使用1.2.1 硬件虚拟化硬件虚拟化虚拟化前虚拟化后物理平台提供了对特殊指令的截获和重定向的硬件支持虚拟化硬件提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，性能更强大。1.2.2 软件虚拟化软件虚拟化软件虚拟化，是指通过软件的方法，让客户机的特权指令陷入异常，从而触发宿主机进行虚拟化处理。主要使用的技术是优先级压缩和二进制代码翻译。Qemu：通过纯软件来仿真X86平台处理器
7、的取指、解码和执行LXC：采用了linux本身提供的技术，在一定程度上模拟虚拟化Docker：使用了linux提供的namespace对资源进行隔离1.2.3 半虚拟化半虚拟化不对硬件设备进行模拟，虚拟机拥有独立的运行环境，通过虚拟机管理程序共享底层的硬件资源。大部分操作系统需要进行修改才能够运行在半虚拟化环境中半虚拟化需要客户操作系统配合Hypervisor做一些修改性能与原始系统接近硬件Hypervisor(虚拟机管理程序)Modified操作系统驱动程序Modified操作系统驱动程序应用应用. .管理准虚拟化结构例如：XenXen Hypervisor客户OS(XenLinux)Nat
8、ive Device Driver客户OS(XenLinux)Native Device Driver客户OS(XenLinux)Native Device Driver设备管理器和控制台软件设备管理器和控制台软件设备管理器和控制台软件虚拟域0虚拟域1虚拟域2Xen 虚拟化体系结构1.2.4 全虚拟化全虚拟化提供了完整的虚拟X86平台，包括处理器、内存和外设，支持运行任何理论上可在真实物理平台上运行的操作系统硬件Hypervisor(虚拟机管理程序)操作系统操作系统应用应用. .管理全虚拟化结构该模型使用虚拟机协调guest操作系统和原始硬件，VMM在guest操作系统和裸硬件之间用于工作协调
9、特点特点全虚拟化最大的优点是操作系统无需任何修改。它的限制是操作系统必须能够支持底层硬件通过HyperVisor（虚拟机管理程序）来分享底层硬件，客户操作系统无意识到在虚拟环境运行，受保护的指令由Hypervisor来捕获和处理全虚拟化全虚拟化全虚拟化全虚拟化例如：VMwarevmware虚拟化云的基础产品，集成Linux到产品中，直接装在物理服务器里。1.3 操作系统与虚拟化操作系统与虚拟化操作系统是硬件平台上最重要的软件，它对上向应程序提供标准接口，对下负责管理硬件平台。用 户应用软件操作系统硬 件常见操作系统常见操作系统1.3.1 系统级虚拟化系统级虚拟化系统虚拟化的核心思想是使用虚拟化
10、软件在一台物理机系统虚拟化的核心思想是使用虚拟化软件在一台物理机上，虚拟出一台或多台虚拟机，虚拟机是指使用系统虚上，虚拟出一台或多台虚拟机，虚拟机是指使用系统虚拟化技术，运行在一个隔离环境中、具有完整硬件功能拟化技术，运行在一个隔离环境中、具有完整硬件功能的逻辑计算机系统，包括客户操作系统和其中的应用程的逻辑计算机系统，包括客户操作系统和其中的应用程序。序。系统虚拟化系统虚拟化应用程序操作系统应用程序操作系统虚拟化层硬件虚拟硬件抽象层虚拟硬件抽象层硬件抽象层虚拟机虚拟机1.3.1 系统级虚拟化系统级虚拟化系统级虚拟化，根据虚拟机监视器系统级虚拟化，根据虚拟机监视器Hypervisor或或VMM
11、的的实现层次主要可以分为实现层次主要可以分为基于宿主操作系统的系统级虚拟化基于宿主操作系统的系统级虚拟化基于硬件的系统级虚拟化。基于硬件的系统级虚拟化。基于宿主操作系统的虚拟机作为应用程序运行在宿主操作系统（Host OS）之上，其架构如图所示：基于硬件的系统级虚拟化：虚拟机监控层Hypervisor或VMM直接运行在裸机硬件之上。其架构如图所示：Docker 是操作系统级别的轻量级虚拟化技术，也就是实现轻量级的操作系统虚拟化。它能够让应用的分发、部署和管理都变得前所未有的高效和轻松。Docker也是一个开源的应用容器引擎，它可以让开发者打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到
12、安装了任何Linux发行版本的机器上。1.3.2 Docker 与系统虚拟化与系统虚拟化第4节 KVM简介4.2 KVM的历史4.1 KVM的概念4.3 KVM的功能与前景KVM特点特点虚拟化模块集成到Linux内核中，效率更高支持全虚拟化和半虚拟化 一个开源的系统虚拟化模块，需要硬件支持（如Intel-VT技术或者AMD-V技术）的全虚拟化方案。KVM本身是不执行任何硬件模拟的，需要用户空间程序通过/dev/kvm接口设置一个客户机的虚拟地址空间，向它提供模拟的I/O，并将它视频显示映射回宿主机的显示屏。这个用户空间程序为QEMU。硬件系统处理器内存输入输出设备内核空间KVM模块Linux（
13、host）QEMU用户空间虚拟机1虚拟机硬件处理器内存输入输出设备虚拟机2虚拟机硬件处理器内存输入输出设备Linux上的用户空间、内核空间和虚拟机第4节 KVM简介4.2 KVM的历史4.1 KVM的概念4.3 KVM的功能与前景KVM发展历史发展历史LOREMQumranet正式对外宣布了KVM的诞生2006LOREMRedhat收购了Qumranet2008LOREM Redhat公司推出新版集成KVM的linu系统2010第4节 KVM简介4.2 KVM的历史4.1 KVM的概念4.3 KVM的功能与前景KVM的功能的功能KVM 的功能特性内存管理内存管理存储存储设备驱动设备驱动程序程序
14、性能和可性能和可伸缩性伸缩性内存管理内存管理KVM继承了Linux系统管理内存的诸多特性，比如分配给虚拟机使用的内存可以被交换至交换空间、能够使用大内存页以实现更好的性能，以及对NUMA的支持能够让虚拟机高效访问更大的内存空间等。此外，KVM还借助于KSM（Kernel Same Page Merging）这个内核特性实现了内存页面共享。KSM通过扫描每个虚拟机的内存查找各虚拟机间相同的内存页，并将这些内存页合并为一个被各相关虚拟机共享的单独页面。在某虚拟机试图修改此页面中的数据时，KSM会重新为其提供一个新的页面副本。实践中，运行于同一台物理主机上的具有相同GuestOS的虚拟机之间出现相同
15、内存页面的概率是很的，比如共享库、内核或其它内存对象等都有可能表现为相同的内存页，因此，KSM技术可以降低内存占用进而提高整体性能。虚拟机1存储存储KVM 支持NFS、GFS等共享文件系统上的虚拟机镜像KVM 的原生磁盘格式为QCOW2，它支持快照，允许多级快照、压缩和加密。由于KVM是Linux内核的一部分，它可以利用所有领先存储供应商都支持的一种成熟且可靠的存储基础架构，它的存储堆栈在生产部署方面具有良好的记录设备驱动设备驱动KVM准虚拟化的驱动程序使用VirtIO标准，它是一个与虚拟机管理程序独立的、构建设备驱动程序的接口，允许为多个虚拟机管理程序使用一组相同的设备驱动程序，能够实现更出
16、色的虚拟机交互性。KVM支持混合虚拟化，其中准虚拟化的驱动程序安装在客户机操作系统中，允许虚拟机使用优化的I/O接口而不使用模拟的设备，从而为网络和块设备提供高性能的 I/O性能和可伸缩性性能和可伸缩性KVM 的扩展性也非常良好，客户机和宿主机都可以支持非常多的CPU 数量和非常大量的内存。KVM 虚拟化性能在很多方面（如计算能力、网络带宽等）已经可以达到非虚拟化原生环境的95% 以上的性能。前景前景 VM仍然可以改进虚拟网络的支持、虚拟存储支持、增强的安全性、高可用性、容错性、电源管理、HPC支持、虚拟CPU可伸缩性、跨供应商兼容性、可移植性等方面 随着libvirt、virt-manage
17、r等工具和OpenStack等云计算平台的逐渐完善，KVM管理工具在易用性方面的劣势已经逐渐被克服； 现在KVM开发者社区比较活跃，也有不少大公司的工程师参与开发，我们有理由相信很多功能都会在不远的将来得到完善。第5节 Xen简介5.2 xen的历史5.1 xen的概念5.3 xen的功能与前景nXen是一款半虚拟化的虚拟机监视器，通过一种叫是一款半虚拟化的虚拟机监视器，通过一种叫做准虚拟化的技术获得高性能。做准虚拟化的技术获得高性能。nXen需要修改操作系统内核，因此不能直接让当前需要修改操作系统内核，因此不能直接让当前的的Linux内核在内核在Xen系统管理程序中运行。除非它系统管理程序中
18、运行。除非它已经移植到了已经移植到了Xen架构。如果当前系统可以使用新架构。如果当前系统可以使用新的已经移植到的已经移植到Xen架构的架构的Linux内核，那就可以不内核，那就可以不加修改地运行现有的系统。加修改地运行现有的系统。Xen的概念的概念Xen虚拟机可以在不停止的情况下在多个物理主机之间实时迁移。虚拟机在最终目的地开始执行之前，会有一次60-300秒的非常短暂的暂停以执行最终的同步化，给人无缝迁移的感觉。应用程序应用程序加入XEN体系的2.4Linux内核应用程序应用程序加入XEN体系的2.4Linux内核XEN管理程序硬件第5节 Xen简介5.2 xen的历史5.1 xen的概念5
19、.3 xen的功能与前景xen的历史的历史20世纪90年代Xen 虚拟机诞生2004Xen 添加硬件虚拟化的支持思杰公司收购了XenSource20072002Xen 正式被开源2005发布Xen 3.0，开始正式支持Intel 的VT 技术和IA64 架构LOREM IPSUM DOLOR第5节 Xen简介5.2 xen的历史5.1 xen的概念5.3 xen的功能与前景Xen上面运行的虚拟机，既支持准虚拟化，也支持全虚拟化，可以运行几乎所有可以在X86 物理平台上运行的操作系统。此外，最新的Xen 还支持ARM 平台的虚拟化。Xen的功能的功能Xen服务器构建于开源的Xen虚拟机管理程序之
20、上，结合使用半虚拟化和硬件协助的虚拟化。操作系统与虚拟化平台之间的这种协作支持开发一个较简单的虚拟机管理程序来提供高度优化的性能。Xen提供了复杂的工作负载平衡功能，可捕获CPU、内存、磁盘I/O和网络I/O数据，它提供了两种优化模式：一种针对性能，另一种针对密度。Xen的功能的功能Xen服务器利用一种名为Citrix Storage Link独特的存储集成功能。使用Citrix Storage Link，系统管理员可直接利用来自HP、Dell Equal Logic、NetApp、EMC等公司的存储产品。Xen服务器包含多核处理器支持、实时迁移、物理服务器到虚拟机转换（P2V）和虚拟到虚拟转
21、换（V2V）工具、集中化的多服务器管理、实时性能监控，以及对 Windows 和Linux 客户机的良好性能。Xen的功能的功能Xen作为一个开发最早的虚拟化方案，对各种虚拟化功能的支持相对完善。Xen虚拟机监控程序，是一个专门为虚拟机开发的微内核，所以其资源管理和调度策略完全是针对虚拟机的特性而开发的。作为一个独立维护的微内核，Xen的功能明确，开发社区构成比较简单，所以更容易接纳专门针对虚拟化所做的功能和优化。Xen的前景的前景Xen 比较难于配置和使用，部署会占用相对较大的空间，Xen 微内核直接运行于真实物理硬件之上，开发和调试都比基于操作系统的虚拟化困难。Xen 最大的困难在于Linux 内核社区的抵制，导致Xen 相关的内核改动一直不能顺利进入内核源代码，从而无法及时得到内核最新开发成果的支持，这与KVM 形成了鲜明的对比。Xen的前景的前景谢 谢 !