虛擬化與虛擬技術應用

江國忠+江君

摘 要：20世紀90年代以來，隨著對電腦硬件和操作系統需求的日益增加，虛擬化的概念被越來越重視。由于虛擬技術的特殊內涵，它與業界流行的云技術密切相關，企業向云生態發展，實際上就是向虛擬化發展。虛擬技術可以簡化IT管理，為企業創造更有利的價值，因此虛擬技術必將成為未來的發展趨勢。文中對虛擬化以及虛擬技術的應用進行了分析和探討。

關鍵詞：虛擬化；虛擬技術；虛擬設備；應用

中圖分類號：TP393文獻識別碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0083-02

0引言

虛擬機的概念產生在20世紀60年代，它最早是由IBM提出用來交互式訪問主機計算機。 每個虛擬機（VM）是一個物理機的虛擬實例，讓用戶有直接訪問物理機的錯覺。用戶通過同一個硬件平臺分享上面的資源。每一個VM是一個底層系統完全保護和隔離的副本。用戶可以在上面執行，開發和測試應用程序，而不必擔心因為導致系統當機而影響其他正在使用同一臺物理機的用戶。虛擬化的出現，可以降低硬件購置成本和提高生產力，讓更多的用戶可以同時在同一個平臺上并行工作。隨著硬件價格的降低和具有多線程處理能力的操作系統的出現，虛擬機一度在20世紀70年代和20世紀80年代幾乎消失。進入20世紀90年代以來，隨著對電腦硬件和操作系統需求的日益增加，虛擬化的概念被越來越重視。事實上，在傳統的電腦技術中，虛擬技術已經被廣泛的應用。虛擬內存技術在現代操作系統中已經不再陌生，它允許一個程序調用遠遠多于其本機物理內存的容量。同時虛擬內存也實現了讓上百個進程同時訪問同一個物理內存。同樣道理，CPU的多任務處理能力也可以理解為一個CPU被虛擬為多個CPU從而可以分配運行多個進程，或者在另一種模式設置下，多個具有普通時鐘速度的CPU可以被虛擬的整合成一個CPU從而具體有很高的時鐘速度。后者在現實生活中更為常用。

1虛擬化

虛擬化（Virtualization），顧名思義：虛幻的、虛構的，不是真實存在的。在電腦界，虛擬化泛指創建一個虛擬版本的設備或資源，例如服務器、存儲裝置、網絡或者甚至是一個框架被分割成一個或多個執行環境資源的操作系統。即使像硬盤分區這樣一個簡單的操作也可以被認為是虛擬化，因為你可以把一個物理硬盤分割成為兩個分區后成為兩個獨立的硬盤存儲器。用戶能夠通過應用軟件和設備與所建立的虛擬資源進行互動，就好像它是一個真正的單一存在的邏輯資源。

2虛擬技術的實現

那么虛擬技術是通過什么方法實現的呢？虛擬技術大致分為常見的五個層面：指令集架構層實現虛擬化（Virtualization at the Instruction Set Architecture Level）；硬件抽象層實現虛擬化（Virtualization at the Hardware Abstraction Level）；操作系統層的虛擬化（Virtualization at the OS Level）；編譯語言層虛擬化（Virtualization at the Programming Level）和系統庫層的虛擬化（Virtualization at the Library Level）。其中，又由硬件抽象層實現虛擬化技術是最為普遍的應用，例如常見的虛擬機（VM）。其實現架構目前大致分為托管（Hosted）和裸機（Bare-Metal）兩種架構方式。一般在托管架構下，一個基本的操作系統會首先被安裝到主機中，被稱為“主操作系統（Host Operating System）”，然后再將VMM（Virtual Machine Monitor）安裝到主操作系統上，并允許用戶在VMM中安裝“來賓操作系統（Guest Operating System）”，這種主賓模式稱為Hosted（托管）。在這個虛擬化架構中，每個虛擬機的操作系統通常只具有訪問I/O（輸入輸出）設備的有限子集，主操作系統保留對所安裝主機中物理I/O設備的所有權。來賓操作系統需要通過VMM，在可能的情況下（由于VMM對很多非通用的I/O沒有記錄，例如PCI數據采集卡等，所以在虛擬過程中不會將這些設備提供給虛擬的環境，只有對例如網卡，聲卡，光驅這樣的通用設備進行模擬），通過對物理硬件的模擬來進行訪問。到目前為止，大部分的軟件虛擬方案支持直接使用USB設備的功能。允許用戶從虛擬操作系統內直接訪問USB設備，提供超出以上所提到的I/O模擬方式。例如，用戶可以從虛擬操作系統中訪問連接到電腦的USB打印機。在實際實現這個過程當中，需要通過多個軟件組件合作才能完成對I/O的訪問。例如VMware的VMware WorkStation將虛擬操作系統的I/O請求傳輸給一個底層VMM組件，通過驅動程序，傳輸給一個名為VMApp的用戶級別的組件，再由這個組件將請求傳送給主操作系統。值得強調的一點是，在這個架構中，無論有多少個虛擬系統，所有對I/O的請求都必須通過主操作系統。這也就導致了這種虛擬架構雖然方便配置和安裝，但是由于對主操作系統請求的增加，虛擬系統越多，主系統的性能及穩定性就會大幅度下降。而裸機的架構則通過直接安裝在系統硬件上虛擬機管理程序（Hypervisor）與系統硬件進行訪問，而不是依賴于主操作系統。這個方案為虛擬系統提供了多種I/O訪問的選項。虛擬系統之間則通過虛擬機管理程序中所包含的底層驅動程序來共享同一個I/O資源，例如網卡，硬盤等。而裸機虛擬架構的另一個特點就是通過分配指定的I/O資源供所需要的虛擬系統獨享，此虛擬系統即可通過指定I/O設備的原生驅動直接訪問，這類方法的虛擬機管理程序將最小化地參與到其中，從而更好的提升訪問速度。

3虛擬技術的應用

虛擬化技術應用到實踐中比較常見的有：服務器整合（Server Consolidation）- 將一些工作能力較低的服務器整合，從而節省基礎設施投資和管理精力以及充分利用硬件資源；應用程序整合（Application Consolidation）- 一些傳統的程序可能需要獨自享用一個硬件環境或系統環境，現在通過虛擬化，可以在一些新的設備上通過虛擬使這類程序運行在單獨的環境里；沙盒技術（Sandboxing）- 虛擬機可以通過提供一個獨立的，封閉的環境來運行一些不被信任的軟件，也可以認為虛擬技術可以幫助建立一個安全可靠的計算機平臺；多執行環境（Multiple Execution Environment）- 虛擬技術可以用來在最大可能條件下創建多個可執行環境，并在同時增加QoS（服務質量）以確保每個環境的資源量；虛擬硬件（Virtual Hardware）- 可以虛擬一個在物理機中不存在的硬件，例如虛擬SCSI驅動器，虛擬網卡，虛擬網絡交換機或集線器等等；多個并行操作系統（Multiple Simultaneous OS）- 可以在同一個設備上同時運行多個操作系統，且運行不同的應用程序；調試（Debug）- 允許用戶在一個虛擬的電腦環境內通過享有完全軟件調度權來調試復雜的操作系統或是驅動軟件；軟件合并（Software Migration）- 簡化的軟件合并的過程并且方便軟件轉移的過程；測試（Testin/QA）- 通過模擬各種現實中很難出現場景來確保軟件的質量并簡化測試過程。

這些虛擬技術的應用已經慢慢的滲透到很多企業的日常應用當中。一個傳統的企業在部署IT方案的時候，會將所有的企業應用程序直接運行在專有服務器硬件上，且大部分時間將由特殊需要的應用程序分散到獨立的服務器上，使數據中心的服務器運行最小的工作負載。如果在日后公司有需求使用新的應用程序，那么IT部門將不得不制定新硬件計劃，購置或更新硬件并部署到網絡中。而現在，只需要根據需要劃分一個新的虛擬服務器或在原有虛擬服務器的基礎上劃分更多硬件資源就可實現更新計劃，整個操作很多時間只需要幾個鼠標點擊即可完成。甚至于現在很多基于云端的企業方案，在后臺實際上都是通過虛擬的方式實現，企業只需要根據隨時實際的需要，向供應商提供所需要服務的硬件需求，無需等待漫長的采購過程，無需等待設備的安裝過程，馬上就能投入使用（當然對虛擬設備的軟件配置還是需要企業按照自己的需求搭建軟件環境）。隨著各個企業業務的飛速發展，數據中心的數據也在與日俱增，傳統存儲管理模式已經不足以跟上更新的速度，且管理員需要掌握各種管理工具才能在復雜結構的存儲環境進行管理。存儲虛擬化可以統一的管理數據中心的數據， 將所有可用資源虛擬為一個龐大資源，管理員可以根據需要動態的分配資源，并且整合結構相異的存儲壞境以達到更高的存儲利用率和降低企業成本，并且虛擬技術還提供快照，磁盤鏡像，數據保護等特有功能。

4結語

實際上，由于虛擬技術的特殊內涵，它與業界流行的云技術密切相關，企業向云生態發展，實際上就是向虛擬化發展。通過硬件節省成本往往得不償失，企業更關心如何整合各種資源，以加快應用部署速度，通過簡化IT管理，為企業創造更有利的價值。因此虛擬技術必將成為未來的發展趨勢。

參 考 文 獻：

[1]陳浩磊，鄒湘軍，陳燕，等.虛擬實現技術的最新發展與展望[J]中國科技論文在線，2011（1）：6-10.

[2] Jason Langone.Vmware View 5 Desktop Virtualization Solutions[M]. Packt Publishing Limited，2012.

[3]Danielle Ruest， Nelson Ruest.虛擬化技術初用者指南[M]. 陳奮，譯. 北京：機械工業出版社，2009.

[4]廣小明， 胡杰， 陳龍，等.虛擬化技術原理與實現[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]《虛擬化與云計算》小組. 虛擬化與云計算[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

作者簡介：江國忠（1955—），男，北京人，計算機專業本科，工程師。主要研究方向為計算機應用與管理。

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收稿日期：2014-03-19

這些虛擬技術的應用已經慢慢的滲透到很多企業的日常應用當中。一個傳統的企業在部署IT方案的時候，會將所有的企業應用程序直接運行在專有服務器硬件上，且大部分時間將由特殊需要的應用程序分散到獨立的服務器上，使數據中心的服務器運行最小的工作負載。如果在日后公司有需求使用新的應用程序，那么IT部門將不得不制定新硬件計劃，購置或更新硬件并部署到網絡中。而現在，只需要根據需要劃分一個新的虛擬服務器或在原有虛擬服務器的基礎上劃分更多硬件資源就可實現更新計劃，整個操作很多時間只需要幾個鼠標點擊即可完成。甚至于現在很多基于云端的企業方案，在后臺實際上都是通過虛擬的方式實現，企業只需要根據隨時實際的需要，向供應商提供所需要服務的硬件需求，無需等待漫長的采購過程，無需等待設備的安裝過程，馬上就能投入使用（當然對虛擬設備的軟件配置還是需要企業按照自己的需求搭建軟件環境）。隨著各個企業業務的飛速發展，數據中心的數據也在與日俱增，傳統存儲管理模式已經不足以跟上更新的速度，且管理員需要掌握各種管理工具才能在復雜結構的存儲環境進行管理。存儲虛擬化可以統一的管理數據中心的數據， 將所有可用資源虛擬為一個龐大資源，管理員可以根據需要動態的分配資源，并且整合結構相異的存儲壞境以達到更高的存儲利用率和降低企業成本，并且虛擬技術還提供快照，磁盤鏡像，數據保護等特有功能。

4結語

實際上，由于虛擬技術的特殊內涵，它與業界流行的云技術密切相關，企業向云生態發展，實際上就是向虛擬化發展。通過硬件節省成本往往得不償失，企業更關心如何整合各種資源，以加快應用部署速度，通過簡化IT管理，為企業創造更有利的價值。因此虛擬技術必將成為未來的發展趨勢。

參 考 文 獻：

[1]陳浩磊，鄒湘軍，陳燕，等.虛擬實現技術的最新發展與展望[J]中國科技論文在線，2011（1）：6-10.

[2] Jason Langone.Vmware View 5 Desktop Virtualization Solutions[M]. Packt Publishing Limited，2012.

[3]Danielle Ruest， Nelson Ruest.虛擬化技術初用者指南[M]. 陳奮，譯. 北京：機械工業出版社，2009.

[4]廣小明， 胡杰， 陳龍，等.虛擬化技術原理與實現[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]《虛擬化與云計算》小組. 虛擬化與云計算[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

作者簡介：江國忠（1955—），男，北京人，計算機專業本科，工程師。主要研究方向為計算機應用與管理。

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收稿日期：2014-03-19

這些虛擬技術的應用已經慢慢的滲透到很多企業的日常應用當中。一個傳統的企業在部署IT方案的時候，會將所有的企業應用程序直接運行在專有服務器硬件上，且大部分時間將由特殊需要的應用程序分散到獨立的服務器上，使數據中心的服務器運行最小的工作負載。如果在日后公司有需求使用新的應用程序，那么IT部門將不得不制定新硬件計劃，購置或更新硬件并部署到網絡中。而現在，只需要根據需要劃分一個新的虛擬服務器或在原有虛擬服務器的基礎上劃分更多硬件資源就可實現更新計劃，整個操作很多時間只需要幾個鼠標點擊即可完成。甚至于現在很多基于云端的企業方案，在后臺實際上都是通過虛擬的方式實現，企業只需要根據隨時實際的需要，向供應商提供所需要服務的硬件需求，無需等待漫長的采購過程，無需等待設備的安裝過程，馬上就能投入使用（當然對虛擬設備的軟件配置還是需要企業按照自己的需求搭建軟件環境）。隨著各個企業業務的飛速發展，數據中心的數據也在與日俱增，傳統存儲管理模式已經不足以跟上更新的速度，且管理員需要掌握各種管理工具才能在復雜結構的存儲環境進行管理。存儲虛擬化可以統一的管理數據中心的數據， 將所有可用資源虛擬為一個龐大資源，管理員可以根據需要動態的分配資源，并且整合結構相異的存儲壞境以達到更高的存儲利用率和降低企業成本，并且虛擬技術還提供快照，磁盤鏡像，數據保護等特有功能。

4結語

實際上，由于虛擬技術的特殊內涵，它與業界流行的云技術密切相關，企業向云生態發展，實際上就是向虛擬化發展。通過硬件節省成本往往得不償失，企業更關心如何整合各種資源，以加快應用部署速度，通過簡化IT管理，為企業創造更有利的價值。因此虛擬技術必將成為未來的發展趨勢。

參 考 文 獻：

[1]陳浩磊，鄒湘軍，陳燕，等.虛擬實現技術的最新發展與展望[J]中國科技論文在線，2011（1）：6-10.

[2] Jason Langone.Vmware View 5 Desktop Virtualization Solutions[M]. Packt Publishing Limited，2012.

[3]Danielle Ruest， Nelson Ruest.虛擬化技術初用者指南[M]. 陳奮，譯. 北京：機械工業出版社，2009.

[4]廣小明， 胡杰， 陳龍，等.虛擬化技術原理與實現[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]《虛擬化與云計算》小組. 虛擬化與云計算[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

作者簡介：江國忠（1955—），男，北京人，計算機專業本科，工程師。主要研究方向為計算機應用與管理。

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收稿日期：2014-03-19