1.前言
20 世紀60 年代，為了提高大型計算機硬盤的利用率，首次開發(fā)了虛擬化技術。IBM公司在這一技術上率先實現(xiàn)將大型計算機的硬盤進行邏輯分區(qū)，以若干獨立虛擬機的形式進行多任務處理，并同時運行多個應用程序和進程。
20世紀80年代，建立在客戶端-服務器應用程序，以及價格低廉的X86 服務器和臺式機的分布式計算技術，代替了資源昂貴的虛擬化技術。
20 世紀90 年代，Windows 的廣泛使用及l(fā)inux 作為服務器操作系統(tǒng)，在奠定X86 的行業(yè)標準地位的同時，也出現(xiàn)了一些新的問題，即基礎架構利用率低、物理基礎架構成本日益高昂、IT 管理成本不斷攀升、故障切換和災變防護不足，用戶IT 運維成本直線上揚。計算機虛擬化技術，是指對計算機系統(tǒng)的各組件利用軟件方法和硬件技術進行模擬，以實現(xiàn)多個虛擬的硬件系統(tǒng)平臺，這些系統(tǒng)平臺彼此相互獨立、互不干擾，可以在其之上安裝任何操作系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)虛擬化，一種控制程序被設計，并插入到硬件層和操作系統(tǒng)層之間，這個控制程序稱之為超級管理程序或者虛擬機管理程序，其作用是將硬件層抽象出來，實現(xiàn)物理虛擬化，使操作系統(tǒng)不需要知道自己運行在何種硬件之上。
從2008 年起，虛擬化技術己經(jīng)進入很多應用領域，且己被大眾所接受。虛擬化的目的就是要對IT基礎設施進行簡化，通過處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化、I/O 虛擬化和網(wǎng)虛擬化等技術，提高IT 資源的利用率和靈活性，降低IT 運維成本和管理成本。
2.虛擬化技術全面介紹
2.1 虛擬化技術概覽
IT 行業(yè)虛擬化的含義非常廣泛， 一種比較通俗的定義就是淡化用戶對于物理計算資源如處理器、內(nèi)存、I/O 設備的直接訪問， 取而代之的是用戶訪問邏輯的資源， 而后臺的物理連接則由虛擬化技術來實現(xiàn)和管理。
虛擬化技術（Virtualization）并不是一個新的名詞，早在20 世紀60 年代，IBM 就在其大型計算機上運用了虛擬化技術，實現(xiàn)了多個用戶同時使用同一臺計算機設備進行數(shù)據(jù)處理。
而現(xiàn)在普遍使用的虛擬內(nèi)存技術，則是對某一特定部件，利用虛擬化技術以實現(xiàn)功能和規(guī)模的擴展。近年來興起的虛擬化技術，不僅僅是對某一部件實現(xiàn)虛擬化，而是對整個計算機硬件系統(tǒng)進行模擬，通過軟硬件技術，真正實現(xiàn)由一臺計算機到多臺計算機的轉變。
虛擬技術需要解決服務器和操作系統(tǒng)的虛擬化、存儲虛擬化以及系統(tǒng)管理虛擬化等一系列問題。如今，虛擬化開始從早期的存儲虛擬化，向服務器和操作系統(tǒng)虛擬化以及整體虛擬化發(fā)展。
虛擬化解決方案的底部需要進行虛擬化的計算機硬件，這臺機器可能直接支持虛擬化，也可能不會直接支持虛擬化，需要系統(tǒng)管理程序層的支持，系統(tǒng)管理程序可看作是平臺硬件和操作系統(tǒng)的抽象化。在某些情況下，這個系統(tǒng)管理程序就是一個操作系統(tǒng)，系統(tǒng)管理程序之上是客戶機操作系統(tǒng)，也稱為虛擬機，這些虛擬機都是一些相互隔離的操作系統(tǒng)，將底層硬件平臺視為自己所有，但實際上是系統(tǒng)管理程序為它們模擬出來的一種假象（圖1）。
圖1 基于虛擬化管理程序的體系架構
2.2 虛擬化技術分類
目前，虛擬化技術主要流行的技術分類可以分為平臺虛擬化、桌面虛擬化和應用虛擬化等類別。
2.2.1 平臺虛擬化(Platform Virtualization)
平臺虛擬化又稱硬件虛擬化，主要包括CPU、內(nèi)存、磁盤和I/O 等部件的虛擬化。它是在硬件和傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)之間插入一個超級管理程序，操作系統(tǒng)不再直接運行在計算機硬件上，而是在Hypervisor 之上。操作系統(tǒng)稱為客戶機，Hypervisor 系統(tǒng)稱為主機。客戶機可以完全實現(xiàn)用戶在傳統(tǒng)物理機上的各種應用需求，實現(xiàn)對各種資源的訪問和操作。
2.2.2 桌面虛擬化(Desktop Virtualization)
桌面虛擬化是相對傳統(tǒng)的計算機桌面而言的，用戶通過網(wǎng)絡訪問一臺可集中控制的服務器，也可以由服務器將所需要的信息推送給用戶所在設備。
桌面虛擬化技術可以分為四種模式： 主機模式（Hosted）、集中管理模式（Centralized）、同步模式（Remote Synchronization） 和客戶機模式（Client-hosted）。
主機模式和集中管理模式較為相似，都需要可靠的網(wǎng)絡作為基本支持。這兩種模式一般都是由服務器構成桌面虛擬化數(shù)據(jù)中心，用戶可以通過網(wǎng)絡訪問虛擬化服務，這些服務各自都包括了桌面操作系統(tǒng)配置文件。
集中管理模式有兩種子模式，一對一模式： 即一個用戶使用一個桌面虛擬化鏡像； 一對多模式：是有一個共有的主鏡像，每當一個用戶申請使用虛擬化桌面時，都從該鏡像復制一個副本，然后使用自己的數(shù)據(jù)和配置信息一并保存。
在同步模式中，一個鏡像文件被復制到本地計算機中，由服務器的管理軟件做定期更新，這種模式可以有效地避免因網(wǎng)絡中斷而引起的業(yè)務中斷。在客戶機模式中，使桌面虛擬化徹底擺脫了對網(wǎng)絡的依賴，集中式服務器提供對主鏡像的存儲和管理，而每個客戶則保留自己的獨立桌面虛擬機。
以上四種模式，在實際部署中一般會較多地考慮集中管理模式和客戶機模式。在實際應用部屬中，還需要根據(jù)服務器性能、網(wǎng)絡帶寬及實際需求等因素來決定采用哪種模式或幾種模式一起使用。
2.2.3 應用虛擬化（Application Virtualization）
從技術實現(xiàn)角度來說，應用虛擬化與硬件虛擬化有著非常明顯的差異，應用虛擬化不是將底層的硬件通過各種虛擬化技術模擬出一臺或多臺虛擬機，而是將應用程序進行重新封裝，在運行時，將所有的文件和注冊表操作重定向到一個特定的文件，從而滿足應用程序對底層硬件的訪問需要，使應用程序直接對硬件進行操作。
應用虛擬化的具體實現(xiàn)方式有兩種： 一是應用程序流（Application Streaming），這是一種基于軟件分發(fā)形式的實現(xiàn)方法，根據(jù)應用程序順序執(zhí)行的特點，將應用程序封裝和存儲在一臺應用程序流服務器上，執(zhí)行時由服務器推送到客戶端，從而實現(xiàn)程序的各種操作。第二種方式就是桌面虛擬化方式，應用程序安裝在虛擬機里，通過連接虛擬機來實現(xiàn)應用程序的虛擬化。
2.3 虛擬化技術特點
①分區(qū)：大型的、擴展能力強的硬件能夠被用來作為多臺獨立的服務器使用； 在一個單獨的物理系統(tǒng)上，可以運行多個操作系統(tǒng)和應用； 計算資源可以被放置在資源池中，并能夠被有效地控制。
②隔離：虛擬化能夠提供理想化的物理機，每個虛擬機互相隔離； 數(shù)據(jù)不會在虛擬機之間泄露；應用只能在配置好的網(wǎng)絡連接上進行通訊。
③封裝：虛擬單元的所有環(huán)境被存放在一個單獨文件中； 為應用展現(xiàn)的是標準化的虛擬硬件，確保兼容性； 整個磁盤分區(qū)被存儲為一個文件，易于備份、轉移和拷貝。
④硬件獨立：可以在其他服務器上不加修改的運行虛擬機（圖2）。
圖2 虛擬化技術特點
虛擬技術支持高可用性、動態(tài)資源調整，極大地提高系統(tǒng)的可持續(xù)運行能力。
2.4 虛擬化技術優(yōu)勢
①提高運維自動化能力。日常工作中對舊服務器上應用系統(tǒng)的維護，往往因年久資料缺失而花費大量人力，而服務器更換產(chǎn)生的系統(tǒng)遷移工作更困難；
通過虛擬技術可將原有獨立服務器上的操作系統(tǒng)整體遷移至虛擬環(huán)境，極大地提高系統(tǒng)的可維護性。隨著物理設備的減少，有效地減少單點故障的發(fā)生率，管理人員可以有更多的時間管理有限的幾臺服務器。
②提高單臺服務器的資源利用率，降低總體能耗。多臺服務器通過整合歸并至少量服務器后，將原有舊服務器淘汰，可節(jié)約機房空間、UPS 資源、空調資源等輔助設備費用。
③低成本備份和恢復方案。虛擬操作系統(tǒng)的備份是以文件形式存放的，備份和恢復非常方便。
④對于一些臨時用的測試環(huán)境、開發(fā)環(huán)境等，可進行快速部署，提高系統(tǒng)部署效率，節(jié)省人工成本和IT 運維成本。
3.VMware虛擬化技術
VMware (Virtual Machine ware）是一個“虛擬PC”軟件公司，提供虛擬化解決方案。VMware 虛擬化是直接在計算機硬件或主機操作系統(tǒng)上面導入一個精簡的軟件層，它包含一個以動態(tài)和透明方式分配硬件資源的虛擬機監(jiān)視器，從而實現(xiàn)多個操作系統(tǒng)同時運行在同一臺物理機上，彼此之間共享硬件資源。
VMware 于1999 年首次將虛擬化技術引入到x86計算平臺上，VMware 虛擬化將操作系統(tǒng)從運行它的底層硬件中抽離出來，并為操作系統(tǒng)及其應用程序提供標準化的虛擬硬件，從而使多臺虛擬機能夠在一臺或多臺共享處理器上同時獨立運行。
在所有通過虛擬化技術對IT 環(huán)境進行優(yōu)化和管理的軟件中，VMware 虛擬化技術得到了最為廣泛應用，從桌面環(huán)境到數(shù)據(jù)中心均有涉及。
3.1 VMware服務模式
①橋接模式（Bridge）。橋接模式是將虛擬機連接到網(wǎng)絡的最簡單方法。當真實主機在一個以太網(wǎng)中時，可以手工為虛擬系統(tǒng)配置IP 地址、子網(wǎng)掩碼，將其和宿主機處在同一個網(wǎng)段建立通訊。
虛擬機就像一個新增加的、與真實主機有著同等物理地位的一臺電腦，可以訪問網(wǎng)內(nèi)任何一臺電腦以及所有可用服務，并能以最簡易的方法從真實主機獲取資源。
②主機模式（Host-only）。遇到特殊網(wǎng)絡調試環(huán)境時，需將真實環(huán)境和虛擬環(huán)境隔離開，可采用Host-only 模式建立隔離的虛擬機環(huán)境，在此種模式下，虛擬機與真實主機通過虛擬私有網(wǎng)絡進行連接。只有同為Host-only 模式下的、且在一個虛擬交換機的連接才可互相訪問。
③網(wǎng)絡地址轉換模式（NAT）；使用NAT（NetworkAddress Translation）模式可以讓虛擬系統(tǒng)借助NAT（網(wǎng)絡地址轉換）功能，經(jīng)由宿主機所在網(wǎng)絡訪問公網(wǎng)，實現(xiàn)虛擬系統(tǒng)中網(wǎng)絡互聯(lián)。
3.2 VMware性能分析
主要從CPU、RAM、存貯、網(wǎng)絡以及VMware 與同類技術的對比來分析其性能：
① CPU：中央處理器虛擬化添加不同數(shù)量開銷，這取決于不同因素。用于密集型應用時，任何處理器虛擬化的開銷，都可能轉化為減少整體性能。然而，虛擬機解決方案有能力平衡處理器加載一個高效率的方式，虛擬機器可以充分利用多核和多處理器配置，使它能夠承擔運行密集的工作量。
② RAM：虛擬化不減少內(nèi)存數(shù)量，還需要運行一個應用程序和主機操作系統(tǒng)，像任何軟件一樣，虛擬層需要自己的內(nèi)存。虛擬機技術增加了很少的內(nèi)存開銷，提供先進的內(nèi)存管理機制。
③存貯：虛擬機運行完整的、未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)，因此，需要幾個千兆字節(jié)的存儲空間來保存所有應用程序、文件、設備驅動程序和其他數(shù)據(jù)。當多個虛擬機在同一臺物理服務器上，他們可以影響要與他們聯(lián)合的文件，同時需要快速訪問存儲數(shù)據(jù)。
④網(wǎng)絡：虛擬基礎設施、網(wǎng)絡規(guī)模和性能，與物理環(huán)境非常類似。在大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡吞吐虛擬化的工作量相當于網(wǎng)絡吞吐量的體力負荷。VMware 提供了理想的安全平臺，一臺物理服務器上的高速網(wǎng)絡虛擬機支持網(wǎng)絡拓撲，通過使用額外硬件提供安全隔離。
4.VMware虛擬化技術應用
4.1 VMware虛擬服務器
服務器虛擬化是IaaS 的核心技術，是將一個物理服務器虛擬成若干個獨立的虛擬服務器使用，充分發(fā)揮服務器的硬件性能。服務器虛擬化技術將CPU、內(nèi)存、I/O 設備等傳統(tǒng)的物理資源，轉化為可以統(tǒng)一管理的邏輯資源，為每一個虛擬服務器提供能夠支持其運行的抽象資源（圖3）。
圖3 VMware 服務器虛擬化技術
服務器虛擬化技術是一個抽象層，它將物理硬件與操作系統(tǒng)分開，從而提供更高的IT 資源利用率和靈活性。它通過虛擬化層的實現(xiàn)，在單一的物理服務器上獨立運行多個虛擬服務器，虛擬服務器上可以安裝不同的操作系統(tǒng)和應用程序，以此來滿足不同IT硬件需求。
VMware 虛擬服務器的創(chuàng)建方式，就是創(chuàng)建一個擴展名為“vmx”的虛擬機配置文件。一般通過選擇“自定義”選項，系統(tǒng)會自行調整虛擬服務器的物理內(nèi)存大小和硬盤空間，也可手工再分配物理內(nèi)存和磁盤空間。VMware Workstation 所建立的硬盤是虛擬硬盤，是在主機硬盤上建立一個特殊文件，因此，在VMware中對硬盤進行分區(qū)甚至低級格式化，都不會影響主機的硬盤分區(qū)。
為了保證系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性，VMware 把大部分硬件設備都虛擬成最標準、兼容性最好的虛擬設備，且不需要安裝驅動程序。
VMware 軟件服務器上可同時啟動多臺虛擬服務器，實現(xiàn)多臺虛擬機操作系統(tǒng)之間相互切換。利用某臺服務器的部分內(nèi)存、硬盤資源，可構建成“獨立”的虛擬服務器平臺，而這些“獨立”的虛擬機擁有各自的CMOS、硬盤、軟驅、光驅、網(wǎng)卡、顯卡等硬件，不僅可在每一臺虛擬機中安裝當前各種流行的操作系統(tǒng)和應用軟件，而且還可以像對待新服務器那樣，對其進行分區(qū)、格式化等操作，對原有硬件不會產(chǎn)生任何不良影響。
利用VMware 的vSphere 進行部署或創(chuàng)建虛擬服務器時，每個虛擬服務器都會依附于一個實體機，隨著虛擬服務器的增多，當Virtual Center 監(jiān)控到某個虛擬機在某實體機上運行時其可用資源不夠時，或需要對虛擬機進行統(tǒng)一規(guī)劃或調整時，利用VMware的DRS（Distributed Resource Scheduling）技術可對存儲池進行動態(tài)資源管理，實現(xiàn)虛擬機在不同主機之間的動態(tài)遷移。
當在同一主機上有多個虛擬機時，有的實體機存儲空間可能不滿足虛擬機的運行情況，或存儲空間所屬物理磁盤性能受限，在這種情況下，可以將虛擬機遷移到同一物理主機的其它存儲上，利用VMware 的VMotion 技術，實現(xiàn)運行中虛擬服務器的動態(tài)遷移，其優(yōu)勢在于能最大程度避免高峰期及軟硬件升級帶來的宕機事件，并按虛擬機的需求來分配和配置共享資源池中的硬件資源（圖4）。
圖4 VMotion 實現(xiàn)虛擬服務器動態(tài)遷移
4.2 VMware虛擬桌面
桌面虛擬化（Desktop Virtualization）是指將計算機的桌面進行虛擬化，用戶可以通過任何終端設備，不受地點和時間限制，訪問在網(wǎng)絡上的屬于個人的桌面系統(tǒng)。
桌面虛擬化相對傳統(tǒng)的PC 系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢：
①集中管理、統(tǒng)一配置，降低辦公系統(tǒng)總體擁有成本；
②數(shù)據(jù)集中存儲，提高數(shù)據(jù)安全性；
③隨時隨地、任意設備接入，更靈活方便的訪問方式；
④按需動態(tài)調配硬件資源，提高硬件資源使用率，發(fā)揮硬件資源最大效能；
⑤瘦客戶端能耗很低，占用空間小，應用更加環(huán)保節(jié)能。
VMware View 桌面虛擬技術打破了軟件、硬件和操作系統(tǒng)之間相互依賴的關系，將桌面操作系統(tǒng)、應用程序和用戶數(shù)據(jù)封閉到想隔離的層次，使IT 管理員從終端設備安裝及桌面環(huán)境管理的工作中解放出來（圖5）。
圖5 VMware View 桌面虛擬化架構
VMware 作為服務器虛擬化的領跑者，開發(fā)了桌面虛擬化產(chǎn)品View。其后臺架構在成熟且強大的服務器虛擬化平臺vSphere 上，遠程訪問使用了自有的PCOIP 協(xié)議，提供了與真實PC 機相媲美的用戶體驗。VMware View 桌面虛擬化架構主要由四部分組件構成：VMware vSphere、View Connection Server、View Composer 和View Client。
VMware View 后臺構建于vSphere 之上，vSphere平臺由多臺安裝ESXi 操作系統(tǒng)的物理主機組成，每臺ESXi 主機上可以承載幾十到上百臺虛擬機。View Connection Server 是虛擬桌面訪問管理器，管理客戶端與虛擬桌面的連接，同時提供ViewAdministrator 服務，允許管理員進行配置設置、管理虛擬桌面和設置桌面的權限以及分配應用程序。
View Composer 是創(chuàng)建鏈接克隆（Linked Clone） 虛擬桌面的組件，可以安裝在vCenterServer 實例上或單獨服務器上。Composer 可以從指定的父虛擬機創(chuàng)建鏈接克隆池，鏈接克隆與父虛擬機共享一個基礎映像，因此，存儲需求明顯減少，而且還可極大降低桌面維護成本。
View Client 是View 客戶端程序， 將該程序安裝在瘦客戶機上， 使View Client 與View Connection Server 進行通訊，實現(xiàn)用戶與虛擬桌面的連接。
View 的客戶端可以是PC、筆記本電腦、上網(wǎng)本、瘦客戶機、平板電腦或手機等智能設備，這些終端設備需要安裝客戶端軟件View Client。
VMware View 桌面虛擬化的特點：
①強大而穩(wěn)定的后端服務器虛擬化平臺vSphere是View 的最大優(yōu)勢。vSphere 是服務器虛擬化事實上的標準，其HA 功能可為虛擬機提供高可用性；FT 功能確保零停機時間和零數(shù)據(jù)丟失；DRS 功能可以動態(tài)分配和平衡計算容量。
② VMware 桌面虛擬化平臺在存儲方面做了大量的優(yōu)化，其Thin Provisioning 技術實現(xiàn)存儲按需分配，鏈接克隆技術極大地減少重復的存儲空間和虛擬桌面的安裝部署時間。
③ VMware 在內(nèi)存共享方面也做了大量優(yōu)化，其內(nèi)存過量使用（Memory Over Commitment）技術可以提高單位服務器硬件上可承載的虛擬機密度。
④ View 中采用了高性能顯示協(xié)議PC overIP(PCoIP)，PCoIP 是一種動態(tài)自適應協(xié)議，它自我調整后，可通過LAN 和WAN 提供最佳用戶體驗。
5.結束語
據(jù)統(tǒng)計，一般企業(yè)的IT 預算費用的70%-80%，用于對現(xiàn)有IT 設備和系統(tǒng)的維護和管理，而只有20%-30% 的費用用于開發(fā)新系統(tǒng)。虛擬化技術的應用，能夠有效降低IT 管理和運維成本，減少IT 日常維護工作的復雜度。
虛擬化技術不僅是一種IT 潮流，更是一種發(fā)展趨勢。虛擬化技術將重新界定終端用戶、應用程序和數(shù)據(jù)三者之間的關系，并將推動企業(yè)IT 工作環(huán)境的改變，從而改變用戶的工作方式。
VMware 是當今世界虛擬技術的領航者，與其同類虛擬技術相比，不難發(fā)現(xiàn)VMware 技術在靈活性、安全性、高性能等方面都有不俗表現(xiàn)，在實際應用過程中，能給我們的工作帶來更多實惠。
VMWare 虛擬技術可以在不額外增加硬件設備條件下，充分挖掘現(xiàn)有硬件潛力，提高硬件資源的利用率；在不增加甚至減少現(xiàn)有IT 資源的情況下，可以獲得更多的經(jīng)濟回報。
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本文標題：VMware虛擬化技術及其應用的綜合剖析
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