虛擬化講堂：典型模式和技術(shù)解讀

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虛擬化以各種形式存在已經(jīng)有 30 多年的時間了。例如，虛擬機(jī)和虛擬內(nèi)存就是這樣建立的，我們通常已經(jīng)不再過多地考慮這個問題了 -- 它們只是 IT 基礎(chǔ)設(shè)施中的一部分而已。目前大家對虛擬化有了全新的興趣，因?yàn)閷⑺鼞?yīng)用到新環(huán)境中時可以提供一些相當(dāng)多的實(shí)際好處。當(dāng) Gartner Inc. 對將在未來18 - 36個月內(nèi)提供價值的10種頂尖新興技術(shù)進(jìn)行預(yù)測時，虛擬化技術(shù)在這個名單中名列榜首。本文將利用一些常見的模式介紹一些基本的虛擬化概念。

什么是虛擬化？

虛擬化(Virtualization)對于不同的人來說可能意味著不同的東西，這要取決與他們所從事的工作領(lǐng)域的環(huán)境。通用的解釋是它包含許多使服務(wù)器得到加強(qiáng)的虛擬機(jī)。有經(jīng)驗(yàn)的程序員可能還記得，曾有一段時間他們擔(dān)心是否有可用內(nèi)存來存放自己的程序指令和數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在最基本的操作系統(tǒng)提供了虛擬內(nèi)存的功能，這樣程序員就不用再考慮這個問題了。IBM? 對大型機(jī)使用的 VM 可以允許多個用戶和應(yīng)用程序共享同一臺機(jī)器，相互之間不會產(chǎn)生任何干擾。我們發(fā)現(xiàn)在很多計算平臺上都實(shí)現(xiàn)了這種概念，或者通過軟件來提供這種概念。

然而，虛擬化技術(shù)的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于虛擬內(nèi)存和虛擬服務(wù)器。目前，我們已經(jīng)有了網(wǎng)絡(luò)虛擬化、微處理器虛擬化、文件虛擬化和存儲虛擬化等技術(shù)。如果我們在一個更廣泛的環(huán)境中或從更高級的抽象(如任務(wù)負(fù)載虛擬化和信息虛擬化)來思考虛擬化技術(shù)，虛擬化技術(shù)就變成了一個非常強(qiáng)大的概念，可以為最終用戶、應(yīng)用程序和企業(yè)提供很多優(yōu)點(diǎn)。

虛擬化技術(shù)有很多定義，下面就給出了一些這樣的定義。然而，對于本文的討論來說，IBM 給出的簡潔定義以及資源的邏輯表示形式的概念都可以用來作為不同的虛擬模式的示例。

"虛擬化是以某種用戶和應(yīng)用程序都可以很容易從中獲益的方式來表示計算機(jī)資源的過程，而不是根據(jù)這些資源的實(shí)現(xiàn)、地理位置或物理包裝的專有方式來表示它們。換句話說，它為數(shù)據(jù)、計算能力、存儲資源以及其他資源提供了一個邏輯視圖，而不是物理視圖。" -- Jonathan Eunice, Illuminata Inc.

"虛擬化是表示計算機(jī)資源的邏輯組(或子集)的過程，這樣就可以用從原始配置中獲益的方式訪問它們。這種資源的新虛擬視圖并不受實(shí)現(xiàn)、地理位置或底層資源的物理配置的限制。" -- Wikipedia

"虛擬化：對一組類似資源提供一個通用的抽象接口集，從而隱藏屬性和操作之間的差異，并允許通過一種通用的方式來查看并維護(hù)資源。" -- Open Grid Services Architecture Glossary of Terms

"虛擬化是資源的邏輯表示，它不受物理限制的約束。" -- IBM 公司

為什么要進(jìn)行虛擬化？

虛擬化的主要目的是對 IT 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行簡化。它可以簡化對資源以及對資源管理的訪問。

消費(fèi)者可以是一名最終用戶、應(yīng)用程序、訪問資源或與資源進(jìn)行交互的服務(wù)。資源是一個提供一定功能的實(shí)現(xiàn)，它可以基于標(biāo)準(zhǔn)的接口接受輸入和提供輸出。資源可以是硬件，例如服務(wù)器、磁盤、網(wǎng)絡(luò)、儀器；也可以是軟件，例如 Web 服務(wù)。

消費(fèi)者通過受虛擬資源支持的標(biāo)準(zhǔn)接口對資源進(jìn)行訪問。使用標(biāo)準(zhǔn)接口，可以在 IT 基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生變化時將對消費(fèi)者的破壞降到最低。例如，最終用戶可以重用這些技巧，因?yàn)樗麄兣c虛擬資源進(jìn)行交互的方式并沒有發(fā)生變化，即使底層物理資源或?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)發(fā)生了變化，他們也不會受到影響。另外，應(yīng)用程序也不需要進(jìn)行升級或應(yīng)用補(bǔ)丁，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)接口并沒有發(fā)生變化。

IT 基礎(chǔ)設(shè)施的總體管理也可以得到簡化，因?yàn)樘摂M化降低了消費(fèi)者與資源之間的耦合程度。因此，消費(fèi)者并不依賴于資源的特定實(shí)現(xiàn)。利用這種松耦合關(guān)系，管理員可以在保證管理工作對消費(fèi)者產(chǎn)生最少影響的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的管理。管理操作可以手工完成，也可以半自動地完成，或者通過服務(wù)級協(xié)定(SLA)驅(qū)動來自動完成。

在這個基礎(chǔ)上，網(wǎng)格計算可以廣泛地利用虛擬化技術(shù)。網(wǎng)格計算可以對 IT 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行虛擬化。它處理 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的共享和管理，動態(tài)提供符合用戶和應(yīng)用程序需求的資源，同時還將提供對基礎(chǔ)設(shè)施的簡化訪問。

虛擬化是如何工作的？

虛擬化可以通過很多方法來證實(shí)。它不是一個單獨(dú)的實(shí)體，而是一組模式和技術(shù)的集合，這些技術(shù)提供了支持資源的邏輯表示所需的功能，以及通過標(biāo)準(zhǔn)接口將其呈現(xiàn)給這些資源的消費(fèi)者所需的功能。這些模式本身都是前面介紹過的各種不同虛擬形式的重復(fù)出現(xiàn)。

圖 1. 虛擬化的概念

下面是在實(shí)現(xiàn)虛擬化時常常使用的一些模式和技術(shù)：

1. 單一資源的多個邏輯表示 這種模式是虛擬化最廣泛使用的模式之一。它只包含一個物理資源，但是它向消費(fèi)者呈現(xiàn)的邏輯表示卻仿佛它包含多個資源一樣。消費(fèi)者與這個虛擬資源進(jìn)行交互時就仿佛自己是惟一的消費(fèi)者一樣，而不會考慮他正在與其他消費(fèi)者一起共享資源。虛擬機(jī)就是這種模式的一個例子。硬件物理分區(qū)和邏輯分區(qū)（如 IBM System p、System z 和 System i 服務(wù)器）或軟件產(chǎn)品（如 VMware、Microsoft Virtual Server 和 Xen）都實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器的虛擬化。數(shù)據(jù)庫視圖的使用將數(shù)據(jù)與消費(fèi)者隔離開來，這樣可以基于消費(fèi)者的角色和身份驗(yàn)證對資源進(jìn)行訪問，即使在所有消費(fèi)者同時訪問相同的數(shù)據(jù)庫時，也不會出現(xiàn)任何問題。另外，網(wǎng)格使用虛擬化技術(shù)來管理網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，并在邏輯上將其作為一個系統(tǒng)呈現(xiàn)給消費(fèi)者。下面的兩個圖示說明了服務(wù)器和信息的虛擬化。

圖 2. 單一資源的多個邏輯表示

2. 多個資源的單一邏輯表示 這種模式包含了多個組合資源，以便將這些資源表示為提供單一接口的單個邏輯表示形式。在利用多個功能不太強(qiáng)大的資源來創(chuàng)建功能強(qiáng)大且豐富的虛擬資源時，這是一種非常有用的模式。存儲虛擬化就是這種模式的一個例子。IBM 的 SAN Volume Controller 可以將幾個存儲卷組合在一起，將它們呈現(xiàn)為一個大型的單一存儲設(shè)備。消費(fèi)者并不知道自己的數(shù)據(jù)被分散到了多個磁盤上。在服務(wù)器方面，集群技術(shù)可以提供這樣的幻想：消費(fèi)者只與一個系統(tǒng)（頭節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行交互，而集群事實(shí)上可以包含很多的處理器或節(jié)點(diǎn)。實(shí)際上，這就是從 IT 技術(shù)設(shè)施的角度看到的網(wǎng)格可以實(shí)現(xiàn)的功能。多種資源集都是通過一個簡化的用戶界面呈現(xiàn)出來，例如用戶使用的門戶，或應(yīng)用程序使用的標(biāo)準(zhǔn)接口。從計算角度來看，網(wǎng)格在接受任務(wù)請求，對任務(wù)負(fù)載進(jìn)行調(diào)度和管理，并在提供資源和返回結(jié)果的同時提供任務(wù)負(fù)載虛擬化的能力。

圖 3. 多個資源的單一邏輯表示

圖 4. 網(wǎng)格對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行虛擬化

3. 在多個資源之間提供單一邏輯表示 這種模式包括一個以多個可用資源之一的形式表示的虛擬資源。虛擬資源會根據(jù)指定的條件來選擇一個物理資源實(shí)現(xiàn)，例如資源的利用、響應(yīng)時間或臨近程度。盡管這種模式與上一種模式非常類似，但是它們之間有一些細(xì)微的差別。首先，每個物理資源都是一個完整的副本，它們不會在邏輯表示層上聚集在一起。其次，每個物理資源都可以提供邏輯表示所需要的所有功能，而不是像前一種模式那樣只能提供部分功能（例如，前一種模式是文件的一部分，這種模式是文件的一個完全副本）。這種模式的一個常見例子是使用應(yīng)用程序容器來均衡任務(wù)負(fù)載。在將請求或事務(wù)提交給應(yīng)用程序或服務(wù)時，消費(fèi)者并不關(guān)心到底是幾個容器中執(zhí)行的哪一個應(yīng)用程序的副本為請求或事務(wù)提供服務(wù)。消費(fèi)者只是希望請求或事務(wù)得到處理。一個具體的例子是 IBM 的 WebSphere? Application Server Extended Deployment。另外一個例子是文件虛擬化，其中為了滿足冗余或性能的需要，可能為數(shù)據(jù)維護(hù)提供多個副本。當(dāng)消費(fèi)者訪問文件時，文件系統(tǒng)（如通用并行文件系統(tǒng) (GPFS)）就會定位這些文件眾多副本中的一個，但是消費(fèi)者并不知道正在使用的文件副本的具體位置。

圖 5. 在多個資源之間提供單一邏輯表示

4. 單個資源的單一邏輯表示 這是用來表示單個資源的一種簡單模式，就仿佛它是別的什么資源一樣。啟用 Web 的企業(yè)后臺應(yīng)用程序就是一個常見的例子。在這種情況下，我們不是修改后臺的應(yīng)用程序，而是創(chuàng)建一個前端來表示 Web 界面，它會映射到應(yīng)用程序接口中。這種模式允許通過對后臺應(yīng)用程序進(jìn)行最少的修改（或根本不加任何修改）來重用一些基本的功能。也可以根據(jù)無法修改的組件，使用相同的模式構(gòu)建服務(wù)。

圖 6. 單個資源的單一邏輯表示

5. 復(fù)合或分層虛擬化 這種模式是剛才介紹的一種或多種模式的組合，它使用物理資源來提供豐富的功能集。信息虛擬化是這種模式一個很好的例子。它提供了底層所需要的功能，這些功能用于管理對資源、包含有關(guān)如何處理和使用信息的元數(shù)據(jù)以及對信息進(jìn)行處理的操作的全局命名和引用。IBM WebSphere Information Server 就是這樣一個例子，它提供了一些利用到異構(gòu)資源和統(tǒng)一元數(shù)據(jù)的廣泛連接來集成、豐富和傳遞信息所需的功能，有些體系架構(gòu)或框架，例如 Open Grid Services Architecture（OGSA）或者 Grid Computing Components，實(shí)際上都是虛擬化的組合或虛擬化的不同層次。這個框架中的每一層都是更低一層的抽象，它為上層提供了一個定義好的接口。隨著我們在這個架構(gòu)中的層次（或框架堆棧）的上升，底層提供的資源都組合成了更復(fù)雜的功能。例如，任務(wù)負(fù)載虛擬化和信息虛擬化就為已經(jīng)虛擬化過的基礎(chǔ)設(shè)施（系統(tǒng)、存儲和網(wǎng)絡(luò)）提供了更高級的虛擬化。

圖 7. 網(wǎng)格計算組件

關(guān)于虛擬化管理

對于任何虛擬化環(huán)境來說，一個非常重要的方面是減少動態(tài)的和復(fù)雜的 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的管理和維護(hù)需求。另外，通過軟件和工具實(shí)現(xiàn)的模式和技術(shù)都支持這些管理任務(wù)。這些模式和技術(shù)的組合可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

" 為 IT 基礎(chǔ)設(shè)施中所有資源的管理訪問提供單一且安全的接口

" 允許管理員對所有資源進(jìn)行診斷

" 對所有資源進(jìn)行配置和修改管理

" 發(fā)現(xiàn)并維護(hù)可用資源目錄

" 監(jiān)視資源并記錄它們平時的健康狀況

" 當(dāng)某個條件達(dá)到已建立的上限值時，觸發(fā)器就會執(zhí)行相應(yīng)操作；此時執(zhí)行的操作可能包括通知管理員手工作出響應(yīng)，也可能會根據(jù)正確的條件自動進(jìn)行響應(yīng)

" 根據(jù)資源的使用情況、可用性和服務(wù)級別要求提供資源或收回資源；資源的提供可以手工、半自動或根據(jù)建立好的策略自動完成

" 獲得并維護(hù)資源的使用和檢測信息，并提供適當(dāng)?shù)膱蟾?，例如對資源消耗進(jìn)行記錄

" 提供補(bǔ)充最終用戶或應(yīng)用程序安全性的安全機(jī)制

" 為滿足最終用戶和應(yīng)用程序 SLA 而記錄所有資源的性能信息

" 結(jié)束語

" 虛擬化是資源的邏輯表示，它不會受物理限制的約束。虛擬化的主要目的是簡化對資源的訪問和對這些資源的管理。消費(fèi)者通過受虛擬資源支持的標(biāo)準(zhǔn)接口來對資源進(jìn)行訪問，這消除了從這些資源的物理實(shí)現(xiàn)對它們進(jìn)行的訪問。這些交互是通過一些虛擬化的基本模式來闡述的。虛擬化允許 IT 基礎(chǔ)設(shè)施管理員動態(tài)管理資源的配置，同時還可以減少任何變化對最終用戶和應(yīng)用程序的影響。（IT168）