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虚拟化技术有哪些?

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摘要:

  本文聊聊云计算的核心技术之一:虚拟化。

正文:

虚拟化的几个基本概念:

(1)物理平台----实现虚拟技术的真实物理硬件和操作系统平台。

(2)虚拟平台----在物理平台上,虚拟出来的运行不同操作系统的各种虚拟机。

(3)VMM----虚拟机监视器,一种监控和管理虚拟机运行的核心软件层,也叫Hypervisor。

(4)宿主机----真实的物理服务器,上面可以运行虚拟出来的虚拟机。

(5)客户机----就是指从宿主机上虚拟出来的虚拟机。


      什么是虚拟化?

       云计算的核心技术之一就是虚拟化技术。所谓虚拟化,是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机,每个逻辑计算机可运行不同的操作系统,并且应用程序都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。

      虚拟化的核心软件VMM,是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间层软件。VMM是一种在虚拟环境中的“元”操作系统。他们可以访问服务器上包括CPU、内存、磁盘、网卡在内的所有物理设备。VMM不但协调着这些硬件资源的访问,也同时在各个虚拟机之间施加防护。当服务器启动并执行VMM时,它会加载所有虚拟机客户端的操作系统同时会分配给每一台虚拟机适量的内存,CPU,网络和磁盘。

       虚拟化方式

       虚拟化技术有很多实现方式,比如根据虚拟化的程度和级别,有软件虚拟化和硬件虚拟化,全虚拟化和半虚拟化。

       软件虚拟化

       软件虚拟化,顾名思义,就是采用纯软件的方法在在现有的物理平台上实现物理平台访问的截获和模拟,该物理平台往往不支持硬件虚拟化。

常见的软件虚拟化技术QEMU,是通过纯软件来仿真X86平台处理器的指令,然后解码和执行,该过程并不在物理平台上直接执行,而是通过软件模拟实现,因此往往性能比较差,但是可以在同一平台上模拟出不同架构平台的虚拟机。

VMware则采用了动态二进制翻译技术。VMM在可控的范围内,允许客户机的指令在可控的范围内直接运行。客户机指令在运行前会被VMM扫描,其中突破VMM限制的指令被动态替换为可以在物理平台上直接运行的安全指令,或者替换为对VMM的软件调用。因此其性能上比QEMU有大幅提升,但是其失去了跨平台虚拟化的能力。

       硬件虚拟化

       硬件虚拟化,简单来说,就是物理平台本身提供了对特殊指令的截获和重定向的硬件支持,新的硬件会提供额外的资源来帮助软件实现对关键硬件资源的虚拟化,从而提升性能。

       比如X86平台,CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程,通过这些指令集,VMM会将客户机置于一种受限模式下运行,一旦客户机试图访问硬件资源,硬件会暂停客户机的运行,将控制权交回给VMM处理。同时,VMM还可以利用硬件的虚拟化增强技术,将客户机对硬件资源的访问,完全由硬件重定向到VMM指定的虚拟资源。

       由于硬件虚拟化可提供全新的架构,支持操作系统直接在上面运行,无需进行二进制翻译转换,减少的性能开销,极大地简化了VMM的设计,从而使VMM可以按标准编写,通用性更好,性能更强。

需要说明的是,硬件虚拟化技术是一套解决方案,完整的情况需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持。Intel在其处理器产品线中实现了Intel VT虚拟化技术(包括Intel VT-x/d/c)。AMD也同样实现了其芯片级的虚拟化技术AMD-V。

       全虚拟化

       完全虚拟化技术又叫硬件辅助虚拟化技术,最初所使用的虚拟化技术就是全虚拟化(Full Virtualization)技术,它在虚拟机(VM)和硬件之间加了一个软件层Hypervisor,或者叫做虚拟机管理程序或虚拟机监视器(VMM)。

完全虚拟化技术几乎能让任何一款操作系统不用改动就能安装到虚拟服务器上,而它们不知道自己运行在虚拟化环境下。主要缺点是,性能方面不如裸机,因为VMM需要占用一些资源,给处理器带来开销。

      半虚拟化

      半虚拟化技术是后来才出现的技术,也叫做准虚拟化技术,现在比较热门,它就是在全虚拟化的基础上,把客户操作系统进行了修改,增加了一个专门的API,这个API可以将客户操作系统发出的指令进行最优化,即不需要VMM耗费一定的资源进行翻译操作。因此VMM的工作负担变得非常的小,因此整体的性能也有很大的提高。不过缺点就是,要修改包含该API的操作系统,但是对于某些不含该API的操作系统(主要是Windows)来说,就不行能用这种方法。

半虚拟化技术的优点是性能高。经过半虚拟化处理的服务器可与VMM协同工作,其响应能力几乎不亚于未经过虚拟化处理的服务器。它的客户操作系统(Guest OS)集成了虚拟化方面的代码。该方法无需重新编译或引起陷阱,因为操作系统自身能够与虚拟进程进行很好的协作。

有哪些主流的虚拟化技术

国内外vps主机提供商所提供的主机大多是基于Xen、OpenVZ、KVM、Hyper-V、VMWare五种虚拟化技术。


一、Xen 官网:http://xen.org/


Xen 由剑桥大学开发,它是基于硬件的完全分割,物理上有多少的资源就只能分配多少资源,因此很难超售。可分为Xen-PV(半虚拟化),和Xen-HVM(全虚拟化)。


Xen是不能超售内存和硬盘的,当母服务器只有16G内存以及100G硬盘时,当开Xen架构(任意一个虚拟化)的1G内存、25G硬盘的子机时,会直接占用服务器1G内存,以及25G硬盘,所以Xen的性能,相比OpenVZ在超售的情况下要好。


Xen-PV:半虚拟化,所以它仅仅适用于linux系列VPS,但它的性能损失比较少,大概相对于母机的4%-8%左右。

Xen-HVM:全虚拟化,可以安装windows或自由挂载ISO文件安装任意系统,由于是全虚拟化,所以性能损失较大,大概相对于母机性能损失8%-20%左右。


Xen适用人群:预算较为充足,且希望VPS有较高性能的客户

Xen注意事项:注意Xen-PV和Xen-HVM的区别。

Xen可用系统:Xen-PV:纯Linux,Xen-HVM:支持Windows、Linux等。

Xen代表商家:Linode.com


二、OpenVZ 官网:http://openvz.org/


OpenVZ(简 称OVZ)采用SWsoft的Virutozzo虚拟化服务器软件产品的内核,是基于Linux平台的操作系统级服务器虚拟化架构。这个架构直接调用母服务器(母机)中的内核,模拟生成出子服务器(VPS,小机),所以,它经过虚拟化后相对于母服务器,性能损失大概只有的1-3%。


当然 OpenVZ可以超售,意思味着一台服务器总共16G内存,他可以开出配置为1G内存×17台以上的子服务器。因为他的虚拟架构关系属于:客户用多少,就扣除母服务器多少,所以OpenVZ架构的VPS较为便宜。但由于存在超售因素,如果服务商毫无休止的超售会导致服务器的性能急剧下降。


OpenVZ另一个特点是,它是直接调用母服务器的内核,所以会导致部分软件无法使用,以及部分内核文件是无法修改。


OpenVZ适用人群:新手、低预算客户

OpenVZ注意事项:资源不是自己独有的,安装VPN服务需要注意检测虚拟网卡支持。

OpenVZ可用系统:Linux(不支持Windows)

OpenVZ代表商家:Buyvm.net


三、KVM 网站:http://www.linux-kvm.org/


KVM是Linux下的全功能虚拟化架构,基于KVM架构的VPS,默认是没有系统的,可自己上传ISO或调用服务商自带的ISO手动安装系统。这个非常适合热爱DIY自己VPS的客户。


由于KVM架构全功能虚拟化架构,甚至拥有独立的BIOS控制,所以对母服务器性能影响较大,所以基于KVM的VPS较贵,但KVM VPS相对其它架构的VPS较为自由。


KVM适用人群:折腾帝

KVM注意事项:虚拟化性能比Xen略低

KVM可用系统:Windows、Linux系列

KVM代表商家:Hostgation.com


四、Hyper-V 网站:http://www.microsoft.com/zh-cn/server-cloud/


Hyper-V是微软的一款虚拟化产品,大部分国内的VPS服务商使用这个架构,主要是因为其转为Windows定制,管理起来较为方便。目前的Hyper-V也支持Linux,只不过性能损失比较严重。


Hyper-V完美支持Windows系统,包括32位和64位。如果大家选购Hyper-V架构的VPS,强烈建议使用Windows。


Hyper-V目前不能超售内存,但可超售硬盘,硬盘是根据客户使用情况扣除。一般来说,服务器的硬盘不会100%用完,这点不用担心。


Hyper-V适用人群:Windows系统爱好者

Hyper-V注意事项:Linux操作系统性能较低

Hyper-V可用系统:Windows、Linux


五、VMWare 网站:http://www.vmware.com/


VMWare 是全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商开发的一款全功能完全虚拟化的软件。但由于VMWare用于开设类似VPS(含独立面板)的系列产品授权费用非常昂贵,所以大部分使用VMWare服务商会使用 VMware工作站(VMware Workstation)提供VPS。


使用VMware工作站(VMware Workstation)开设的VPS是无控制面板的,操作系统需要服务商手动安装,但现在网上寻找VMware Workstation的神KEY非常容易,对于VPS服务商来说节省不少成本。一般用于新创业的VPS服务商。


使用VMWare Workstation实质上的VPS可以超售,因为其和OpenVZ架构一样,子机用多少内存,就扣除系统多少内存,但如果物理内存不足时可能导致母服务器使用Windows虚拟内存。


VMWare适用人群:认真建站或挂机的客户

VMWare注意事项:无控制面板

VMWare可用系统:Windows、Linux系列


以上衡量超售指的是内存、磁盘,其它硬件条件,如网络带宽、CPU等不在考虑范围内。


六、Xen和OpenVZ的区别

Xen由dom0和domU组成,Dom0是虚拟出CPU, IO总路线等资源,供工作于DomU上的不同的kernel运行。

这样的好处是,

1. 对可以运行的操作系统限制较少。

2. domU上系统的crash不会影响其他的dom. 当然Dom0发生故障时还是会有问题。

坏处:

1. 由于需要虚拟CPU,BUS等物理资源,开销会更大点。


OpenVZ使用了完全不同的方式,它所创造的虚拟机都使用工作在同一个kernel下。

这样的好处是

1. 性能好。

坏处:

1. 任何一个kernel bug都会危及所有的虚拟机。 因kernel bug所crash的可能性大大增加。

2. 他需要对内核作很多的改动。


区分上最明显的,XEN VPS有swap区,基于RHEL5的OpenVZ VPS没有swap区,基于RHEL6的OpenVZ VPS有VSwap区。


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