基于高效能計算機系統的虛擬化技術探究

周健

摘要：隨著社會發展，計算機技術不斷發展變化，在高效能計算機領域對系統性能、系統安全性等形成更高標準。虛擬化技術是隨著計算機技術不斷發展所產生的衍生技術，具有良好的安全性及配置靈活等特性，在計算機系統安全領域做出不菲成績，產生深遠影響。然而，當下虛擬化技術是基于傳統計算機發展所開發的技術，對高效能計算機系統的適配度達不到相應標準，在實用性上還略顯不足。因此，旨在研究高效能計算機系統的虛擬化技術，以期為高效能計算機系統發展提供相關借鑒經驗，推動高效能計算機更好發展。

關鍵詞：高效能計算機；虛擬化技術；操作系統

一、前言

虛擬化技術已經廣泛應用于各行各業的計算機系統領域，對行業發展產生深遠影響。在行業發展中，虛擬化技術被廣泛應用于安全管理、服務整合等方面，極大程度上加強計算機系統運行效率和產出效率，完善傳統計算機系統運行中存在的弊端，利用其共享存儲的多處理器系統結構來提高計算機系統性能，保證計算機系統完美運行。在高效能計算機系統領域，虛擬化技術正向高產出率方面覆蓋，通過計算機技術全面降低虛擬化技術的使用難度和提高服務質量，加強計算機系統可靠性。當下，高效能計算機已經從低產出率向著高產出率轉變，依靠HPCS項目發展出高效率性、高安全性等方面內容。傳統高效能計算機采取共享服務模式，用戶基數和用戶基礎處于同一操作環境，使得系統運行時資源占用率不平衡，導致系統運行緩慢，而虛擬化技術的應用就是將高效能計算機系統進行分流，以系統為基礎，虛擬化技術為方法進行計算機操作系統優化，以此來實現系統性能上的提高，同時保證易用性和安全性。

二、虛擬化技術概述

（一）虛擬化技術定義

虛擬化技術是一種基于資源管理所開發出的計算機技術，運用虛擬化技術可將一臺計算機邏輯運算能力進行并聯，虛擬出多臺計算機邏輯運算能力，全面加強計算機運算效率和運算質量，這樣能夠從技術層面打破計算機運算在物理層面的限制，提高計算機應用效率。利用虛擬化技術能讓單一計算機系統操作實現多個操作系統效果，多個系統之間保持并聯，在運行各程序時相互獨立，互不干擾。但在計算機運行時，虛擬化技術需要專業裝置進行支撐，如果沒有相關裝置就必須利用監管程序進行替代，以此保證虛擬化技術順利運行，利用相關操作系統支撐實現虛擬化技術，是當下虛擬化技術在計算機系統中的關鍵。

（二）虛擬化技術類型

虛擬化技術主要包含四種類型，即：網絡虛擬化、CPU虛擬化、服務器虛擬化和桌面虛擬化。網絡虛擬化的誕生是基于用戶能更好應用計算機的需求，對網絡連接實行虛擬化處理，保證用戶能夠通過遠程訪問的方式實現對計算機的操控。CPU虛擬化是以CPU為核心實現的虛擬化技術，將虛擬化技術應用于CPU運行時，可以模擬多個CPU并行的運行模式，全面加強運行效率[1]。服務器虛擬化是指對計算機運行資源進行綜合排序、合理應用，準確實現對計算機運行資源的分配，延長服務器使用壽命。桌面虛擬化就是將網絡地址和橋接運作等內容進行虛擬化，利用虛擬服務器實現橋接運作，將各區域數據信息進行分離，保證數據安全性。

三、對接高效能計算機系統的虛擬化技術

（一）服務結點虛擬計算域技術

這一操作技術主要是利用系統虛擬化技術完成對多種計算機系統的操作，運用服務結點虛擬計算域技術能夠有效將計算機操作系統進行虛擬化處理，以此分離出多個虛擬操作系統，從而實現計算機多點操作情況，全面彌補共享技術存在的瑕疵。以虛擬化技術為核心對操作系統進行分離，能滿足用戶不同的使用情況，降低用戶使用壓力，合理優化計算機系統資源，使系統運行更方便、更高效。服務結點虛擬計算域技術能夠有效虛擬出滿足用戶需求的使用環境，并讓其保持獨立狀態，避免出現用戶間相互干擾的情況。作為服務結點虛擬計算域技術的衍生技術，雙分區單影像優化技術可以完美適配系統運行情況，滿足系統運行需要。基于此種技術手段的誕生，高效能計算機系統在操作上實現全面發展，對機密數據和重要資料能夠有效保護，保證計算機操作系統的安全性和穩定性。

（二）計算節點高性能計算域

計算節點高性能計算域是對應用戶操作所產生的虛擬化技術，針對用戶操作方式方法來完成系統任務遞交，利用計算節點實現對系統的任務處理，在處理過程中使用科學計算方法完成系統任務。在傳統計算機系統處理方式中，需要搭建一個完善的OpenVG環境，在構建系統操作環境時會大量占用系統應用資源，擠占其余系統任務運行空間，利用計算節點高性能計算域能夠有效降低計算機系統資源占用，將計算資源進行虛擬化處理能夠解放計算機系統資源，讓系統任務在虛擬化網絡中實現運行，在保證數據安全的基礎上提高系統運行效率，提高計算機性能。在實際應用上，虛擬域技術可以在計算機文件路徑上進行轉換，提高虛擬化技術實踐應用效率，依托不同使用環境完成對系統任務的運行后，將不同信息數據輸入到不同用戶路徑，實現數據有效防控，提高計算節點高性能計算域使用效率，依靠服務結點和計算節點的對接保證數據的統一性。

（三）面向虛擬域的作業管理

虛擬域的作業管理是對用戶作業加載過程所產生的虛擬化技術，能夠有效實現對用戶作業加載過程中的合理掌控，實現對用戶作業管理上的應用。在全面推廣虛擬域作業管理技術后，用戶在任務規模建立時就能夠合理分配計算機系統資源，利用不同任務規模對接計算機系統資源運用，并將服務結點虛擬計算域和計算節點高性能計算域進行串聯，以虛擬域作業管理運行模式保證兩者之間的正向鏈接，通過合理加載路徑搭建出完成資源運行環境，充分考慮計算機系統資源運行中的數據變量，完成用戶系統作業和系統任務[2]。在具體運行過程中，應利用虛擬域作業管理運行模式將數據進行節點分析，依照計算節點的便捷性來對用戶作業和任務進行有效管理，利用簡潔運算方法完成用戶系統作業并保證數據在傳輸和計算上具備絕對安全性，將任務運行路徑和虛擬環境變量進行充分融合，以此實現用戶數據傳輸，避免用戶作業在傳輸過程中出現數據丟失或數據損壞等情況，保證虛擬域作業管理技術的可靠性。

四、高效能計算機系統虛擬化技術應用優勢

（一）提高系統安全性

在計算機系統的運行過程中，安全和穩定是首要因素。在高效能計算機系統中應用虛擬化技術能夠有效保證計算機運行中的安全性。依托虛擬化技術沒有物理設備和地點方面的限制，使用虛擬化技術能將計算機系統進行分化處理，讓用戶在同一系統上實現不同系統的運行，通過模擬的方法來實現多系統并行。如此一來就能準確優化高效能計算機系統的運行環境，將計算機系統資源進行集中化管理，利用虛擬化技術提高系統安全性。同時，還能降低系統維護成本，幫助用戶簡化系統操作步驟，加強系統運行效率，全面提高系統安全性。

（二）降低能源消耗性

計算機系統在運行過程中會極大程度提高能源消耗，高效能計算機更是如此。在高效能計算機系統運行時使用虛擬化技術能夠有效降低傳統計算機物理設備的性能消耗，延長計算機設備的使用壽命，以此達成降低能源消耗的目的。在傳統計算機系統運行時，需要利用大量計算機進行數據演算和分析，會消耗大量電能，大大增加運營成本。但在高效能計算機系統運行時使用虛擬化技術，能將能源消耗降到最低，利用虛擬化技術的便捷性實現對數據的虛擬演算和虛擬分析，在提高整體計算機系統運行效率的同時降低能源消耗，這樣不僅能保證數據穩定，還能優化計算機系統運行路徑。

（三）保證集中管理性

在傳統計算機系統運行時，只能利用單一物理設備進行數據演算和數據分析，這樣大大降低了計算機系統對數據的處理能力，限制計算機功能的應用，縮減整體計算機利用空間。在高效能計算機系統運行中使用虛擬化技術，能夠有效加強計算機資源集中管理性，讓用戶在實際操作時通過一臺計算機系統模擬出多種不同系統來進行數據演算，大大提高了運行效率，在降低用戶對物理計算機設備的依賴性的同時利用虛擬化技術實現對計算機資源合理分配，消減操作任務在計算機系統運行時的無關程序，在滿足用戶對計算機運算速率需求的基礎上，完成計算機資源集中化管理[3]。

五、高效能計算機系統虛擬化技術應用情況

（一）虛擬化技術在教學領域的應用

虛擬化技術在學校發展過程中發揮著不可磨滅的作用。比如：在高校發展過程中，利用虛擬化技術可以促進教學手段多元化，幫助教師將課堂教學方法進行網絡化、技術化，全面利用學校豐富的教學資源實現教學目的，營造出良好教學環境，推動學生綜合素質發展。深入挖掘虛擬化技術在教學中的應用還能有效培養學生對虛擬化技術的應用能力，利用虛擬化技術實現教學設備更新。比如：學校可以利用以虛擬化技術為核心打造校園平臺，讓學生隨時隨地能夠進行學習資料下載和瀏覽，打破時間和空間限制，讓學生能夠保持學習熱情和學習興趣，推動學校教學任務發展。虛擬化技術在教學領域的應用可以分為桌面虛擬現實和分布式虛擬現實，是現代教育體系發展的重要推手。基于虛擬現實技術可以實現三維網絡課件制作、開設網絡實驗課與構建虛擬教室。三維網絡課件制作是基于HTML網絡課件進行優化創新，結合虛擬現實技術完成技術突破，實現二維教學課件向三維課件的轉變。利用虛擬現實技術可以將文字、聲音和視頻等教學相關內容進行整合，全面補足二維課件的短板與不足，激發學生主觀能動性，提高整體學習效率和學習效果。網絡實驗課程是依托虛擬現實技術進行虛擬實驗，真正做到打破時間與空間的桎梏，引導學生在網絡中完成各種實驗操作，在降低整體實驗危險的基礎上加強學生操作性。虛擬教室是以分布式虛擬技術構建虛擬真實教學環境，保證學生按時完成不同知識的學習，實現不同空間的答疑活動，加強師生互動性。

（二）虛擬化技術在云存儲中的應用

隨著信息技術的全面發展，云存儲技術已經成為當下各行各業發展所必不可少的應用手段。由于互聯網發展迅速，數據增長呈爆炸性趨勢，傳統數據存儲手段雖然能保證數據的安全性和穩定性，但對于日常數據的應用不具備便捷性，數據存儲成本較高。因此，云存儲技術的誕生完美解決了這一問題，利用云存儲技術，用戶可以快速實現對數據的存儲與調用，將文件數據進行分門別類地上傳，同時利用相關電子設備就能完成下載，大大加強數據應用的便捷性。將虛擬化技術全面應用于云存儲中，全面提高數據資源利用效率，以虛擬化技術為核心框架搭建云存儲功能，可以保證數據資源的軟件化和服務化發展，加強工作效率。云存儲技術的本質可以看作云計算系統的重要組成部分，主要以數據存儲功能完成對虛擬化技術的融合，保證用戶可以在最短時間內完成對數據的獲取與應用，提高整體數據使用效率。在進行云存儲應用時，用戶通常可以采取文件、對象和分布式數據存儲的方式加強數據安全性，為后續業務開展提供基礎數據支持，加強業務部署速度，優化存儲成本。虛擬化技術在云存儲中的應用就是構建出一個共享數據存儲池，以標準化管理形式推動數據整合，預留出不同規制的接口以滿足不同品牌的存儲設備，最大限度地降低數據業務對底層存儲功能的依賴性。同時要積極優化虛擬化技術在云存儲中的功能，保證核心技術架構具備動態更新能力，以適應不同版本的云存儲效果，滿足對數據存儲和數據管理的軟件化、服務化發展。深度引導傳統存儲技術進行虛擬化轉變，加強整體業務調度性，搭建高性能云存儲系統。

（三）虛擬化技術在API服務的應用

在虛擬化技術的實際應用中，應注重其實用性，而不應將其看成戰術性技術工具。因此，要注重虛擬化技術在API服務中的應用情況，實現虛擬化技術與API服務的全面對接，保證虛擬化技術下沉。比如：在打車系統中應用虛擬化技術，首先要構建出完善的開放應用平臺，以客戶端軟件和虛擬號碼為輔助手段實現虛擬化技術應用。客戶通過客戶端完成叫車服務，平臺根據數據產生地點和運行路徑建立訂單并進行分派，為客戶或司機提供虛擬號碼，讓雙方實現交流，以此來保證客戶數據信息安全。在整條服務鏈上，依托虛擬化技術來實現服務者和被服務者間的對接，提高數據利用效率的同時保障信息安全，全面提高用戶使用效率。以上海貝爾的NC API為例，主要通過運營商構架開放平臺實現對虛擬化技術的全面使用，將其應用于打車軟件中可以實現客戶隱私保護，確保客戶在進行叫車時利用虛擬號碼與司機進行實際聯系，最大限度減少客戶號碼泄露的情況發生。由于該虛擬號碼是虛擬化技術臨時開通的權限，在服務結束后就會對相關虛擬資源進行回收銷毀。將虛擬化技術應用于API服務中，可以有效實現對產業鏈上游與下游的串聯，實現多方共贏局面，既為服務提供商打開業務局面，也為運營商帶來一定效益，還能為使用者提供便利，可謂一舉多得。同時虛擬化技術在API服務中應用還能降低整體服務資源投入，達成以小博大的發展方針，減少整體資源應用，以技術手段取代資源使用效果，為傳統計算機架構提供技術支撐。同時能夠充分開發虛擬化技術的應用范圍，全面引領技術發展。

（四）虛擬化技術在高效能計算中的應用

高效能計算是高效能計算機的核心功能，主要應用于HPC開發、Botnet研究等綜合實驗環境。因此，要重視高效能計算機的核心功能使用，將虛擬化技術融入高效能計算過程中，引導計算規模日益擴大。比如：在開發HPC過程中，可以依托虛擬化技術構建符合系統軟件調試的計算環境，確保HPC硬件開發到應用的流程掌控，既構建支撐系統運行的硬件系統，又完成符合應用需求的軟件體系。由于高效能計算需要結合多核處理器、并行管理系統等，所以將虛擬化技術融入其中可以有效降低整體使用條件，以模擬技術實現對高效能計算的創新優化[4]。同時，虛擬化技術還能為虛擬制造提供技術支持，保證虛擬制造的相關數據與實際產品數據相吻合，以計算機技術實現復雜產品的設計演練，優化整體設計效率。基于高效能計算在虛擬制造領域的關鍵性作用，在使用虛擬化技術時要重視應用框架搭建，保證虛擬化技術在高效能計算中的整體性與專業性（見圖1）。

六、結語

綜上所述，隨著虛擬化技術越發成熟、完善，其對各行各業的影響也越加深遠，能夠全面輔助高效能計算機系統良好運行。在保證計算機系統資源合理利用和分配基礎上，全面加強計算機系統適配程度和運行效率。使高效能計算機系統在動態遷移領域和數據運算領域實現全面突破，保證系統運行穩定。

參考文獻

[1]盛愷航.高效能計算機系統虛擬化技術的探索[J].數碼世界，2017（12）：416.

[2]宋曦，段軍紅，張華峰，等.高效能計算機系統虛擬化技術初探[J].電腦編程技巧與維護，2017（21）：16-17+24.

[3]陳長全.高效能計算機系統的虛擬化技術探析[J].電子商務，2016（3）：59-60.

[4]王卉.高效能計算機系統虛擬化技術研究[J].城市地理，2015（6）：252.

基金項目：2020年度首批國家級職業教育教師教學創新團隊重點課題“新時代高等職業院校‘Web前端開發專業領域團隊教師教育教學改革創新與實踐”（課題編號：ZD2020030101）