服務器虛擬化技術探索

摘 ?要：隨著計算機網絡應用的增多，其對企業中的數據中心提出了更高的要求。在數據中心服務器配置越來越高的工作環境中，其資源利用率卻沒有得到實質性的提高。本文探討了虛擬化技術目前概要，如虛擬化技術的發展、虛擬技術的定義、虛擬技術的作用及分類等，進一步探討了實現服務器虛擬化的核心技術，如Hypervisor的定義及功能和分類;還探討了常用服務器虛擬化技術介紹、服務器虛擬化技術的選擇。

關鍵詞：虛擬化;服務器;虛擬機;云計算

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0093-03

Abstract：With the increase of computer network applications，higher requirements are placed on data centers in enterprises. In the work environment where the data center server configuration is getting higher and higher，the resource utilization has not been substantially improved. This paper discusses the current outline of virtualization technology，such as the development of virtualization technology，the definition of virtualization technology，the role and classification of virtualization technology，and further explores the core technology of server virtualization，such as the definition and function and classification of Hypervisor，and also discusses the introduction of commonly used server virtualization technology and the choice of server virtualization technology.

Keywords：virtualization;server;virtual machine;cloud computing

0 ?引 ?言

現代信息技術的發展，極大地擴展了計算機網絡的應用范圍，不僅網上共享資源越來越多，網絡使用者人數也逐年遞增。服務器作為網絡資源的集散地，負責將各種信息服務通過網絡傳遞給客戶機。因此為了使客戶機能夠得到快速而穩定的服務，服務器的整體性能、日常管理和維護工作就顯得尤為重要。

企業數據中心在提供網絡服務過程中，經常出現由于負載過重而導致服務器卡死故障，經過故障分析，在判定故障為服務器性能瓶頸問題時，采用的解決方案大多是對現有服務器進行硬件方面的升級換代。在選擇相關服務器硬件參數時大多是按照網絡訪問的峰值流量進行配置的，但在實際使用過程中，服務器所提供的資源并沒有得到充分的利用。據相關數據統計，目前服務器的利用率平均在15%左右。那么我們如何才能在不提高硬件成本的基礎上，充分利用好現有的服務器資源，更好地為客戶端提供優質的服務呢？這就要用到服務器虛擬化技術。

1 ?虛擬化技術概述

1.1 ?虛擬化技術的發展

虛擬化概念最早出現在20世紀60年代，由于當時大型機的硬件價格比較昂貴，研究虛擬化技術的初衷是為了對其進行分區。隨著硬件成本的逐漸降低以及多用戶操作系統的出現，計算機在進行資源分配和處理時，有了更加經濟有效的方法。到20世紀80年代，虛擬化技術應用就沒有那么廣泛了。然而到了20世紀90年代，在計算機網絡應用中出現了新的問題，如隨著計算機硬件的更新換代而導致廉價硬件增多、高性能硬件資源空間利用率不高，服務器管理維護成本增加等問題。為了解決相關問題，研究人員開始對虛擬化技術進行了全新的探索。如今，運行在X86架構上的虛擬化技術，已成為企業應用的主流。

1.2 ?虛擬技術的定義

在計算機中，虛擬化實質上就是把磁盤、內存、I/O等物理資源加以抽象，轉換為一種統一的邏輯資源并加以呈現的資源管理技術。它可以將系統中所有可以利用的資源以一個整體的形式提供給所有用戶共同使用，打破了以往實體結構不可分割的障礙，也解除了地理位置不同、資源架設方式不同的限制。利用虛擬化技術在提高系統資源利用率的同時，可以為用戶提供更優質的服務。

1.3 ?虛擬技術的作用及分類

首先，虛擬化技術能夠對廉價的物理硬件進行重組利用。其次，虛擬化技術能夠使物理層硬件對虛擬機客戶不可見，從而更大程序上發揮物理硬件的功能。再次，各類資源的邏輯抽象和統一表示也離不開虛擬化技術。

虛擬化技術通過對物理資源的邏輯化表示，實現了對資源的統一管理和調度。在實際應用中能夠實現資源的按需分配，使各類資源都得到充分的利用，解決了以往因缺乏資源而導致的網絡應用服務性能下降的問題。運用虛擬化技術可以實現虛擬機的創建和動態遷移，提供了系統的容錯性。當網絡服務出現故障時，很容易就可以完成災難恢復。虛擬化技術對云計算機的實現提供了很大的支持，它使得網絡上的計算、存儲、應用和服務都以資源的形式得以呈現，并可以根據用戶的需求進行動態擴展，因此虛擬化技術也被視為云計算中的核心技術。

虛擬化技術包括服務器虛擬化、網絡虛擬化和存儲虛擬化等。其中服務器虛擬化是我們最常用的一種虛擬化技術。

2 ?實現服務器虛擬化的核心技術

2.1 ?Hypervisor的定義及功能

Hypervisor也叫虛擬機監視器，它是一個運行在服務器物理硬件和傳統意義上操作系統之間的軟件層。利用Hypervisor可以實現多個操作系統共享一組物理硬件，即所有虛擬機都可以利用它來對物理機的硬件進行訪問控制。在進行服務器虛擬化時，利用Hypervisor來為虛擬機模擬分配各種硬件環境并加載所有的虛擬機操作系統。Hypervisor作為虛擬化技術的核心，其基本功能是非中斷地支持多工作負載遷移。

2.2 ?Hypervisor的分類

Hypervisor可以劃分為兩大類：類型一和類型二。

類型一虛擬機監控程序運行在裸機上，系統主機加電后就被加載運行。被創建的虛擬機中運行著不同的操作系統。這一類虛擬機監控程序運行在最底層的軟件層，需要完成原來由操作系統完成的如系統初始化、系統資源管理等任務。它會創建一個具有特殊功能的虛擬機，由這臺虛擬機來運行操作系統環境，用來滿足用戶的日常操作需求。類型一虛擬機的典型代表有：微軟的Hyper-V、商業軟件VMware ESX/ESXi和著名的開源虛擬化軟件Xen。

類型二虛擬機監控程序在系統主機加電后首先運行的是傳統意義上的操作系統，即所謂的宿主機操作系統。其他虛擬機需要在此基礎上進行創建。采用這一類型監控程序的虛擬機的優勢在于，可以充分利用現有操作系統來實現系統資源的管理，從而實現起來更為簡單。類型二虛擬機的典型代表有：著名的VirtualBox、VMware Workstation以及KVM。

3 ?常用服務器虛擬化技術介紹

服務器虛擬化是指將CPU、內存、磁盤和I/O等物理資源抽象成邏輯資源，并在此基礎上創建多個虛擬機共享使用這些資源，從而達到整合服務器資源，提高資源利用率的目的。此外，它還有助于資源利用率的提升，根據IT業務的變化更好地做出調整。就目前來說，Citrix公司的Xen、VMare公司的ESX、Redhat的KVM以及微軟公司的Hyper-V等都是目前比較流行的服務器虛擬化軟件。

3.1 ?Xen

Xen最初源于劍橋大學的科研項目，它直接運行在裸機上，因此屬于類型一虛擬機監控器。Xen采用了一種定制的微內核，把每個虛擬機都稱為Domain域，每個Xen平臺都有一個特殊的虛擬機Domain0，它運行了資源調度和管理程序作為管理平臺，可以直接訪問硬件的只有Domain0，至于其他虛擬機，則都必須借助虛擬I/O才能訪問硬件。

Xen支持全虛擬化和準虛擬化的虛擬機運行方式。全虛擬化是指借助軟件來完整地模擬客戶機的硬件環境，包括機器指令、I/O操作、中斷、內存訪問等;準虛擬化是指不用軟件來模擬完成硬件環境，而是利用一套適合軟件平臺的指令來簡化硬件訪問，在運行準虛擬化虛擬機時，需要更改客戶機系統。Xen的核心框架替換掉了復雜的硬件指令，讓客戶機自己知道工作在虛擬的狀態，并配合虛擬化工作，避免了效率低下的純軟件環境模擬，因此Xen可以運行在沒有硬件虛擬化的平臺上。

3.2 ?Vmware ESX

VMware ESX采用的是單內核的結構，該結構的特點是硬件的驅動程序都裝載在虛擬機監控程序層中，被所有虛擬機所共用。這種單內核的Hypervisor不需要虛擬機操作系統做任何的改變，可以提供很好的性能，但也有一些弊端。由于Hypervisor層對于被使用的虛擬機是不可見的，而驅動程序和一些第三方代碼需要運行在Hypervisor層，會導致無法通過防病毒軟件對其實施監控，因此安全性無法保證;另外其穩定性和兼容性也存在一定的欠缺。一旦某個驅動程序中存在bug，所有的虛擬機都將受到影響。由于Hypervisor層支持所有的硬件驅動程序，導致該層體積較大。因此單內核的Hypervisor還有另一個別稱——胖Hypervisor。

3.3 ?Hyper-V

Hyper-V采用的是微內核結構，里面沒有裝載驅動程序，被稱為瘦Hypervisor。而且由于微內核體積較小，所以大大提升了它的運行效率。除此之外，由于驅動程序是跑在每一個分區里的，因此通過Hypervisor，硬件不僅可以被每一個分區內的虛擬機直接訪問，而且還會使每一個分區都相互獨立，這樣就擁有更好的安全性和穩定性。

通常，大多數服務器虛擬化技術的硬件訪問的兼容性問題大多是通過采用硬件模擬方式來解決的，這樣的解決方案會造成極大的開銷和性能損失。微軟的Hyper-V并沒有采用硬件模擬的方式，而是采用了Enlightenment技術來實現虛擬機操作系統與Hypervisor的通信。它通過對虛擬機操作系統的啟蒙，讓其記住自己的虛擬機身份。啟蒙后的操作系統通過虛擬化服務提供者（VSP）/虛擬化服務消費者（VSC）這套組件來實現對硬件的訪問。當某虛擬機中的操作系統需要訪問硬件時，由虛擬機中的VSC通過VMBUS將request發給物理機中的VSP，實際的硬件服務由VSP提供。相對于傳統使用硬件模擬的方法，采用這種使用硬件的方式，可以大大提高訪問性能。

3.4 ?KVM

KVM英文全稱為Kernel-based Virtual Machine，其中Kernel指的是Linux內核。KVM從Linux2.6.20版本開始與Linux打包發布，可以看出Linux社區對KVM的認同和支持，KVM必須運行在硬件虛擬化特性的物理機上，比如說Intel VT或AMD-V的虛擬機，因為KVM利用了硬件特性輔助來提高虛擬機訪問物理硬件的性能，在形式上KVM是二型虛擬機監控器，KVM是和Linux操作系統打包發布的，并未獨立地在裸機上工作，因此虛擬機需要通過硬件模擬器模擬出來的環境與物理硬件通信。在KVM工作模式中，KVM是與QEMU綁定發布的。其中KVM負責與硬件通信的部分，工作在Linux內核空間;QEMU負責把虛擬機的硬件環境模擬出來，工作在Linux用戶空間。KVM最初只支持全虛擬化一種模式，利用QEMU虛擬模擬器來實現硬件環境的模擬。這樣的優點在于虛擬機的操作系統完全不需要因為作為虛擬機在工作而做任何的改變;缺點在于純粹的軟件模擬速度很慢。因此為了改善性能，KVM采取了依賴硬件性能來實現虛擬化的方法，要求虛擬機一定要工作在具有虛擬化特性的硬件上，如支持Intel VT或AMD-V功能的硬件。

KVM在發展了一個階段后，也實現了支持準虛擬化的驅動，以此來提升I/O的性能，這種驅動稱為Virtio驅動。KVM在與物理硬件通信時，充分利用了Linux內核，虛擬機作為Linux內存進程存在著，可以利用很多Linux的原生功能，如進程調度模塊、內存管理模塊和電源管理等，對虛擬機的管理提供了很大的便利條件。可以說KVM把Linux操作系統變成了一個大的虛擬機監控器，用來支持虛擬環境下所要求的強大而穩定的資源管理功能。

4 ?服務器虛擬化技術的選擇

通過前面的介紹大體了解了各服務器虛擬化軟件的工作原理及特點，那么企業數據中心在具體應用時，應該選擇哪一種虛擬化技術進行部署呢？此時我們還需要了各虛擬化軟件除了功能之外的一些特性。

從是否需要付費的角度來看，KVM和Xen是開源且免費的虛擬化軟件，VMware ESX則是需要付費的虛擬化軟件，而Hyper-V是微軟Windows Server 2008 R2自帶的虛擬化組件，如果你購買了Windows Server的授權，則Hyper-V就可以免費使用。

如果用戶使用Hyper-V或VMware ESX虛擬Windows，虛擬化軟件和虛擬機所作用的操作系統都需支付許可費用。如果用戶使用Hyper-V或VMware ESX（VMware ESXi是免費的）虛擬Linux，則只支付虛擬化軟件本身的許可費用即可，虛擬機操作系統可用Linux來節省成本。

如果用戶使用KVM或Xen虛擬Windows，僅需要支付虛擬機操作系統的許可費用。而如果用戶使用KVM或Xen虛擬Linux，那么虛擬化軟件和虛擬機操作系統不需要支付任何費用。

從虛擬機中運行操作系統的性能角度來看，如果購買廠商的許可，那么虛擬Windows時，利用前面提到的任何一款軟件都能使系統資源利用率達到80%以上。此時還是建議優先選擇Hyper-V，因為它是微軟公司自己的產品，與其他軟件相比是絕對有優勢的。在虛擬Linux時，建議優先考慮Xen。該軟件可以直接使用宿主系統的資源來支持虛擬機的操作，減少虛擬化調度操作，可實現極高的性能，但它的缺點在于操作比較復雜、維護成本高。其次推薦使用KVM，因為KVM本身就是集成在Linux內核中，Linux能夠支持KVM的Virtio技術，很容易利用Linux系統中的功能來實現較高的系統性能。在虛擬Linux時，不建議使用Hyper-V，因為不可兼容性太多極有可能大幅降低虛擬化后的Linux系統性能。

如果用戶在選購虛擬化軟件產品時，不考慮后續廠商的服務與支持，而Hyper-V和Vmware ESX兩種只有取得廠商授權才能允許使用，因此就不在考慮范圍之內了。在備選的KVM和Xen中，如果選用KVM，用戶可從Linux社區中免費獲取許多針對Windows系統優化過的軟件，從而使系統發揮出高效的性能（與用Hyper-V虛擬出來Windows系統性能不分伯仲）。如果選用Xen，用戶很難獲取到相關的軟件支持。綜上所述，企業數據中心在做服務器虛擬化時，需要從實際工作環境中需要的系統功能、軟件授權、現有資源和管理成本等多方面進行綜合考慮，最終選擇一種適宜的服務器虛擬技術來完成最終的部署。

參考文獻：

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[3] 王中剛，薛志紅，項帥求.服務器虛擬化技術與應用 [M].北京：人民郵電出版社，2018.

作者簡介：喬壽合（1979-），男，漢族，山東煙臺人，副教授，碩士，研究方向：計算機網絡技術。