云计算导论第5章.ppt

《云计算导论第5章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《云计算导论第5章.ppt（47页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、,第5章虚拟化与云计算,5.1虚拟化技术5.2虚拟化的分类5.3虚拟化的架构5.4云计算与虚拟化5.5小结,5.1虚拟化技术5.1.1虚拟化概念在一个计算机上创建的另一个计算机称为虚拟机，这种创建虚拟机的技术就是虚拟化技术。虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，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。虚拟化技术已经成为在IT环境中各个部分都需要使用的重要技术之一。这项

2、技术正迅速部署在服务器、存储、网络以及客户端环境。从最大的UNIX服务器到最小的系统都在使用虚拟化技术，虚拟化成为节省空间和能耗的一种手段。,5.1.2虚拟化技术的优势虚拟化的目标是集中管理任务，同时提高可扩展性和工作负载。随着计算技术的发展，虚拟化技术在计算机中得到快速的发展，在硬件与软件、服务系统与网络系统、主机系统与存储系统上都可以见到虚拟机。通过虚拟化技术，可以提高系统的动态扩展性、设备的复用性和管理的方便性。,虚拟化技术主要有如下几个优势：(1)提高软/硬件的利用率。将原本一台服务器的资源分配给数台虚拟化的服务器，可有效利用闲置资源，确保企业应用程序发挥出最高的可用性和性能。（2）实

3、现作用域的隔离。虽然虚拟机可以共享一台计算机的物理资源，但它们彼此之间仍然是完全隔离的，就像它们是不同的物理计算机一样。在可用性和安全性方面，虚拟环境中运行的应用程序之所以远优于在传统的非虚拟化系统中运行的应用程序，隔离就是一个重要的原因。,（3）良好的可靠性。虚拟服务器是独立于硬件进行工作的，通过改进灾难恢复解决方案提高了业务连续性。当一台服务器出现故障时，可在最短时间内恢复且不影响整个集群的运作，在整个数据中心实现了高可用性。（4）兼容性。所有的虚拟服务器都与正常的x86系统相兼容，它改进了桌面管理的方式，可部署多套不同的系统，将因兼容性而造成问题的可能性降至最低。（5）便于管理。采用虚拟

4、化技术，可提高服务器/管理员比率，一个管理员可以轻松地管理比以前更多的服务器而不会造成更大的负担。,5.2虚拟化的分类根据层次划分，可将虚拟化分为平台虚拟化、基础设施虚拟化和软件虚拟化。1.平台虚拟化平台虚拟化包括操作系统或者中间件的虚拟化。通过平台虚拟化技术，可以在一个软件系统平台上虚拟多个相近的平台，每个虚拟的平台均可以对外独立提供服务，例如中间件虚拟化、Web服务器虚拟化等。,2.基础设施虚拟化基础设施虚拟化主要包括系统虚拟化、网络系统虚拟化和存储系统虚拟化等。通过基础设施虚拟化技术，可以将有限的硬件资源（包括服务器资源、存储资源和网络资源）虚拟出多个基础平台，每个平台可以独立地为用户提

5、供服务，用户并不了解平台后端的硬件分布情况。,3.软件虚拟化软件虚拟化是将一个软件的实体虚拟成多个副本，它是一种软件共享的模式，即将本来应该独立使用的软件通过虚拟机共享的模式提供给更多的用户使用。一个数据中心可能拥有服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化以及服务虚拟化，并使用虚拟化工具对其进行管理。下面详细介绍这几种虚拟化类型。,5.2.1服务器虚拟化服务器虚拟化（也称硬件虚拟化）是当今最广为人知的硬件虚拟化应用。如今，强大的x86计算机硬件旨在运行单一操作系统和单一应用，这使得无法有效利用大多数机器。虚拟化允许在一台物理机器上运行多台虚拟机，在多个环境之间共享单台计算机的资源。不同的虚拟机可以

6、在同一台物理机器上运行不同的操作系统和多个应用。,虚拟机监控程序软件创建的虚拟机（VM）模拟物理机器的环境，创建独立的操作系统环境，在逻辑上与主服务器隔离。虚拟机监控程序也称虚拟机管理器(VMM)，它是一个计算机程序，允许多个操作系统共享单一硬件宿主。单一物理机器可以用来创建多个虚拟机，多个虚拟机可以同时且独立地运行多个操作系统。虚拟机以文件形式存储，因此在恢复故障系统时，只要将虚拟机的文件复制到新机器上即可。,服务器虚拟化的关键收益主要表现在以下几个方面：（1）分区：在一台物理机器上运行多个操作系统；在虚拟机之间划分物理系统资源；虚拟机并不知道存在其他虚拟机。(2)管理:一台虚拟机发生故障时

7、不会对其他虚拟机构成影响；管理代理能够在每台虚拟机上独立运行，以便确定每台虚拟机的性能以及在这台虚拟机上运行的应用。(3)封装:可以将整个虚拟机状态保存在一个文件内;移动和复制虚拟机信息如同复制文件一样简单。,(4)灵活性:可以配置任何虚拟机并将其迁移到任何物理服务器上的相似机器上;使用多个操作系统平台，例如Windows和Linux;无需终端虚拟机，便可修改虚拟机配置。在任何数据中心聚合项目中，服务器虚拟化都是减少物理服务器数量(即减少物理空间占用）、制冷、电缆以及资本费用的关键驱动因素。,5.2.2存储虚拟化存储虚拟化是指为物理存储设备提供一个逻辑、抽象的视图,它为许多用户或应用提供了一种

8、访问存储的方式，用户或应用在访问存储的时候，无需考虑存储的物理位置和物理管理方式。存储虚拟化使得一个环境中的物理存储可在多个应用服务器间共享，虚拟层后的超大容量的物理设备对其加以管理。存储虚拟化将所有存储设备综合在一个设备中进行使用，从而隐藏了一个组织内有多个独立存储设备的事实，也隐藏了寻找数据存储位置、获取数据、向用户提供数据的复杂过程。,通常情况下，存储虚拟化适用于大型的存储区域网（SAN）阵列，但也非常适合于本地桌面硬盘驱动器上的逻辑分区和独立冗余磁盘阵列(RAID)。长期以来，大型企业已经从SAN技术中获益，在SAN中，存储与服务器解耦，直接连接到网络上。通过在网络上共享存储，SAN可

9、以实现可伸缩且灵活的存储资源分配、支持高效的备份解决方案、实现更高的存储利用率。,存储虚拟化可提供下列好处：（1）资源优化。在传统情况下，存储设备物理地连接到服务器上，并专用于服务器和应用。如果需要更多存储容量，则需要购买更多磁盘并将其添加到服务器上，专用于应用。这种运营方式会造成空间和成本的浪费。利用存储虚拟化技术，可以按需获取存储空间而不会浪费任何空间，组织还可以更高效地利用现有的存储资源而无需购买额外的存储资源。,（2）运营成本。为每台服务器和应用添加及配置独立的存储资源需要耗费大量的时间，并且需要许多技术娴熟的专业人员，这些都会影响总体运营成本（TCO）。存储虚拟化支持在应用之外添加存

10、储资源，运营人员只需在管理控制台采取施放操作就可以将存储资源添加到存储池中。带有图形用户界面的安全管理控制台可以提高安全性，允许运营人员方便地添加存储资源。,（3）提高可用性。在传统的存储应用中，因为维护存储设备、升级软件而导致计划内停机时间，以及由于病毒和电源问题造成的计划外停机时间，都会造成客户无法使用应用。这种停机会导致无法实现对客户做出的服务等级协议（SLA）承诺，从而引起客户的不满以及客户流失。存储虚拟化能够在最短时间内配置新的存储资源，从而提高资源的整体可用性。,（4）提高性能。许多执行单一任务的系统会压垮单一存储系统。如果通过虚拟化将工作负荷分布到多个存储设备，那么就可以大大提高

11、性能。另外，还可以在存储上实施安全监控，例如只允许经过授权的应用或服务器访问存储资源。,5.2.3网络虚拟化网络虚拟化可能是所有虚拟化类型中最具有歧义的一种虚拟化。网络虚拟化有多种类型，简要描述如下。（1）VLAN是网络虚拟化的一个简单实例。VLAN允许将一个局域网逻辑地划分到多个广播域内，按照交换机端口定义VLAN。也就是说，用户可以选择将端口110加入VLAN1，将端口1120加入VLAN2。同一VLAN中的端口无需保持连续性（因为这是逻辑划分，并不是物理划分，所以连接到这些端口上的工作站不需要处于同一位置），处于建筑物不同楼层的用户可以连接在一起，以便构成一个局域网。,（2）虚拟路由和转

12、发（VRF）通常用于多协议标签交换（MPLS）网络，允许一个路由表的多个实例同时并存在同一路由器内。因为无需使用多台设备就可以划分多个网络路径，这可以大大提高路由器的功能。又因为流量自动进行分离，VRF还提高了网络的安全性，并能消除加密和认证的需求。（3）网络虚拟化的另一种形式就是将多个物理网络设备聚合到一台虚拟设备中。该虚拟化的实例有Catalyst6500交换机的虚拟交换系统（VSS）特性。这一特性将两个独立的机箱虚拟地组合成一台更大、更快的Catalyst交换机。,（4）虚拟设备上下文环境（VDC）是一个数据中心的虚拟化概念，可以用来虚拟化设备本身，使物理交换作为多台逻辑设备来呈现。在V

13、DC内，可以包含自己独有、独立的VLAN和VRF集合。可以给每个VDC分配物理端口，从而将硬件数据层也虚拟化。在每个VDC内，独立的管理域来管理VDC本身，从而将管理层本身也虚拟化。对于与VDC连接的用户，每个VDC看起来都是唯一的设备。,(5)虚拟网络（VN）代表着基于计算机的网络，至少有一部分由VN链接构成。VN链接不包含两种资源之间的物理连接，但使用网络虚拟化的方法实施了虚拟连接。开发CiscoVN链接技术以便桥接服务器管理、存储管理以及网络管理领域，从而确保在一个环境内所做的更改会传递到其他环境。例如，当用户在VMwarevSphere环境中使用vCenter初始化VMotion，以便

14、将虚拟机从一台物理服务器转移到另一台物理服务器时，这个事件就会传递给数据中心网络和SAN，于是相应的网络配置和存储服务也会随着这台虚拟机一并转移。从广义上讲，如果设计得当，网络虚拟化会与服务器虚拟化或虚拟机监控程序类似，即用户、应用、设备之间能够安全地共享通用的物理网络基础设施。,5.2.4服务虚拟化数据中心的服务虚拟化指的是提供额外安全性的防火墙服务、提供额外性能和可靠性的负载均衡服务。虚拟接口通常称为虚拟IP(VIP),对外公开，且对外表现为实际的Web服务器，并按需管理进出Web服务器的连接。这样负载均衡器就能将多个Web服务器或多个应用作为单一实例来进行管理。与允许用户直接连接到每个W

15、eb服务器相比，这种做法可以提供更安全、更健康的拓扑。这是一种一对多的虚拟化表现方式，对外表现为一台服务器，实际隐藏着反向代理设备后的多台服务器的可用性。,5.3虚拟化的架构由于虚拟化技术能够通过资源共享与合并资源来提高效率并降低成本，因此它已经被迅速地应用于数据中心与其他设备上。在网络核心，由于受法规、运营、组织以及安全等各方面的影响，不同网络与服务的虚拟化工作变得更加具有挑战性。虚拟化能够降低IT资金成本和运营成本，并提高资产的运营效率和灵活性。虚拟化在服务器整合的基础上更进一步，通过部署标准的虚拟化平台来实现整个IT基础架构的自动化。虚拟化的强大功能能够有效地管理IT容量，提供更高的服务

16、级别，并简化IT流程。因此，我们为IT基础架构的虚拟化创造了一个术语，将其称做“虚拟基础架构”。,以前的虚拟软件必须是装在一个操作系统上，然后在虚拟软件之上安装虚拟机，再在其中运行虚拟的系统及其应用。而在当前的架构下，虚拟机可以通过虚拟机管理器（VirtualMachineMonitor，VMM）来进行管理。VMM在底层实现对其上的虚拟机的管理和支持。但现在许多硬件，比如Intel的CPU已经对虚拟化技术做了硬件支持，大多数VMM可以直接装在裸机上，在其上再装几个虚拟机便可大大提升虚拟化环境下的性能体验。,图51VMM的工作模式,利用虚拟基础架构可以在整个基础架构范围内共享多台计算机的物理资源

17、。利用虚拟化技术可以在多台虚拟机之间共享单台物理计算机的资源以实现最高效率。资源在多个虚拟机和应用程序之间进行共享。业务需要是将基础架构的物理资源动态映射到应用程序的驱动力，即便在这些需要发生变化时也是如此。可将x86服务器与网络和存储器聚合成一个统一的IT资源池，供应用程序根据需要随时使用。这种资源优化方式有助于组织实现更高的灵活性，使资金成本和运营成本得以降低。,图52虚拟基础架构,（1）裸机管理程序，可使每台x86计算机实现全面虚拟化。（2）虚拟基础架构服务（如资源管理和整合备份），可在虚拟机之间使可用资源达到最优配置。（3）自动化解决方案，用于通过提供特殊功能来优化特定IT流程，如部署

18、或灾难恢复。将软件环境与其底层硬件基础架构分离，以便管理员可以将多个服务器、存储基础架构和网络聚合成共享资源池。然后，根据需要安全、可靠地向应用程序动态提供这些资源。借助这种具有开创意义的方法，我们可以使用价格低廉的行业标准服务器以构造块的形式构建自我优化的数据中心，并实现高水平的利用率、可用性、自动化和灵活性。,5.4云计算与虚拟化5.4.1云计算的基石虚拟化虚拟化是云计算的基石。如图53是一个典型的云计算平台。在此平台中，由数台虚拟机所构成的虚拟化的硬件平台共同托起了全部软件层所提供的服务。在虚拟化与云计算共同构成的一个整体架构中，虚拟化有效地分离了硬件与软件，而云计算则让人们将精力更加集

19、中在软件所提供的服务上。云计算必定是虚拟化的，虚拟化给云计算提供了坚实的基础。但是虚拟化的用处并不仅限于云计算，这只是它强大功能中的一部分。,图53 云计算平台,IBM于2009年发布了企业级数据中心(NewEnterpriseDataCenter，NEDC)概念，主要通过简化(Simplified)、共享(Shared)与弹性(Dynamic)三个层面，逐步达到数据中心的转型，透过更具弹性的IT架构（如同云计算的架构），全面解除应用服务与硬件资源间的固定对应关系，达到快速提供服务的目的。,就目前来说，这种新一代的数据中心的一大特点就是运营的弹性。因此IBM认为，全新企业级数据中心要做到弹性，

20、就要做到类似云计算的架构。云计算并不限制应用程序与硬件间必然的关系，也就是通过平行运算的方式，一个应用程序可以在不同的硬件上执行，全面解除应用服务与硬件资源间的固定对应关系。,按照现在的情况，数据中心要做到这样的弹性相当不容易。但是如果将数据中心简单地划分为硬件与软件两个层面，那么未来数据中心的面貌就是将底层的硬件（包含服务器、储存与网络设备）全面虚拟化，在上层的软件则是面向服务的体系结构（ServiceOrientedArchitecture，SOA），让数据中心可以达到随选所需的运作环境，也就是建立起一个共享的环境，数据可以根据业务形态的不同需求，临时搭配出各种应用，达到一个服务导向的IT

21、架构。,由此可见，实现云计算弹性数据中心的关键是虚拟化和SOA。不过，这种理想状态需要高度的技术整合能力。单就虚拟化而言，随着虚拟化厂商的增多，异构的虚拟化环境已经是大势所趋。用户重新面临异构虚拟化技术的整合问题，目前无论是VMware还是微软的产品，对于其他虚拟化软件的管理都不是很理想。所以，当应用云计算时，面对庞杂的设备平台和各种技术，如何既有效整合各种资源，又能保证其安全性和可用性，是实现云计算的关键。云计算已经是第三代的IT，第一代是静态的IT，第二代是一个共享的概念，数据和信息的共享，第三代则是动态的IT，所有的信息和数据都在动态的架构上。对于存储、服务器的“服务化”，一定要让硬件变

22、成动态的，而这一切都要看服务器在虚拟化方面的能力。,5.4.2虚拟化技术实现云计算1.基础设施服务基础设施即硬件设施，主要包括服务器系统与存储系统以及网络系统。采用虚拟化技术，将集中的服务器系统与存储系统建立为统一的基础设施云，并通过网络以IaaS的服务模式提供给用户使用。用户得到的资源是一个虚拟系统（并非物理系统），而该虚拟系统在用户端看来和物理系统并没有区别，完全可以当做一个物理系统使用。基础设施服务架构图如图54所示。,图54基础设施服务架构图,通过虚拟化管理系统，将多个物理的系统资源整合在一起，然后通过虚拟化的方式在之上建立所需的虚拟机供用户使用，虚拟机可以实现动态的资源调整和迁移，以

23、达到高可用性和高性能的目的。虚拟化技术通过硬分区（如IBM的LPAR或者Sun的Domain技术）以及软分区（如VMwarevCloud、CitrixXen或者RedHat的KVM等）加以实现基础设施的云计算服务。从以上架构和实现可以看出，通过该虚拟化技术，可以实现基础设施服务的云计算服务。,2.平台服务平台服务即应用运行平台，主要包括中间件和操作系统等。通过这类软件的虚拟化技术，构建统一的公共的平台和相应的虚拟服务，以PaaS方式提供给用户使用，用户即可在之上部署其应用，而无需自己构建和维护这些平台，所有的工作交由云端处理。平台服务架构图如图55所示。,图55平台服务架构图,通过在统一的硬件

24、平台上部署各种常见的通用应用服务器和数据库系统，例如IBMWebShpere、Jboss、OracleWebLogic和OracleDatabase等软件，使得该类软件均可以通过创建实例等模式来创建虚拟服务，各个虚拟服务之间彼此相对隔离，可以供不同的用户使用。从以上架构和实现可以看出，通过该虚拟化技术，可以实现平台服务的云计算。,3.软件服务软件服务即将软件当做一种服务，变传统的买为租的形式，是当前众多的服务提供商所提供的服务，也是目前云计算实现最为广泛的方式，例如Google、Amazon、Tencent、FaceBook等。将软件当做一种服务，关键在于软件的数据存储和相关的业务均在云端，用

25、户只需通过浏览器或者简单的客户端，即可以进行服务的访问和操作。,由此可以看出，由于所有的计算均在云端，故云端的计算能力需要满足计算的要求。由于移动终端的发展，例如智能手机和平板电脑等的快速发展，这类客户端快速占据了极大的访问量，因此如何解决性能问题是该类云服务的关键。一般来说，单一硬件甚至是单一的数据中心都无法实现这么大规模运算的性能要求，因此通过多个硬件甚至是多个数据中心来共同提供服务成为必需的路径。简单地说，负载均衡解决方案才能解决该类性能的问题。,从以上虚拟化的介绍可以看出负载均衡也是一种虚拟化，不同于传统的虚拟化，它是一种汇聚型的虚拟化的过程，即为了解决单一系统无法满足性能要求的问题。

26、软件服务架构图如图56所示。通过在处于不同数据中心的服务器上部署相关的应用系统，每个应用系统都具有为客户端提供相同服务的功能，通过上层的负载均衡管理系统进行集中管理，并对外提供统一的入口。用户只需通过统一的入口登录。负载均衡管理系统根据用户的终端类型、需求的服务类型以及网络的来源等，选择最适合用户服务的服务实体为用户提供服务，而整个过程用户无需也不知道其服务的所在的详细情况。,图56软件服务架构图,5.5小结虚拟化概念其实并不像有些人想象的那样新，用于在主机上进行分时处理的虚拟化技术可追溯到20世纪60年代。正是由于充满挑战的商业需求和书架上满是虚拟化技术的情况产生了交汇，才使得虚拟化对于今天的企业如此重要。关于虚拟化的好处最常被引述的是其可降低成本。虽然这点意义非常重大，但降低成本只是虚拟化所产生的价值的一部分。未来虚拟化将是一种变革性的技术，如果有效地应用，可帮助企业创建具有高效率和成本效益并且具备自适应能力的IT系统，能够自动即时地提供由于业务环境发生变化所需要的新能力。,虚拟化的好处是与更复杂的服务器管理问题相生相伴的。为了实现虚拟化承诺的更低的功耗和成本，企业还必须要加上自动化的虚拟化管理。虚拟化与云计算是相辅相成的，虚拟化造就了云计算，而云计算也令虚拟化在网络时代被重新定义。,