Putting it bluntly, virtualization is deception.

（坦白說，虛擬化就是欺騙）

1.虛擬技術(shù)帶來的好處與問題

隨著21世紀(jì)，信息時代的步伐加快，一些基礎(chǔ)設(shè)施遭到了虛擬機(jī)服務(wù)器、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲、虛擬設(shè)備和其他的“虛擬技術(shù)”的逆襲，從而帶來不少好處同時也面臨了一些新的問題需要我們來思考。

1.1虛擬技術(shù)的不斷深入帶來的好處：

• 降低成本，提高資產(chǎn)利用率；
• 更穩(wěn)定和更高的可用性；
• 簡化操作流程

1.2 可能帶來的問題：

• 所有的這些技術(shù)是否真的能帶來這么多好處？
• 什么是虛擬設(shè)備？它近乎是一個設(shè)備嗎？會實現(xiàn)的更好嗎？
• 所有的虛擬化技術(shù)是否都一樣？

2.數(shù)據(jù)中心的基本定義

2.1數(shù)據(jù)中心的定義

數(shù)據(jù)中心：它是一個特殊設(shè)施，他被設(shè)想用來為一個或多個組織安置、管理和支持那些被認(rèn)為至關(guān)重要的計算機(jī)資源。

典型數(shù)據(jù)中心包含：

特殊建筑結(jié)構(gòu)、電源備份結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、專用室（例如：入口和電信接入）、設(shè)備機(jī)柜、結(jié)構(gòu)化布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲系統(tǒng)、服務(wù)器、主機(jī)、應(yīng)用軟件、物理安全系統(tǒng)、監(jiān)控中心，以及許多其他支持系統(tǒng)。所有的這些資源極其相互關(guān)系均為專門人員（本地或遠(yuǎn)程）管理。

如下圖所示：描繪的是一個單一的數(shù)據(jù)中心機(jī)房情況，而現(xiàn)實中模塊數(shù)據(jù)中心可能包括多個類似的跨越不通樓層或建筑的機(jī)房環(huán)境。

需要注意的是：數(shù)據(jù)中心目前已經(jīng)成為各大公司以及技術(shù)人員的關(guān)注焦點，因為現(xiàn)在普遍公司實現(xiàn)利潤增長，業(yè)務(wù)對IT的依賴越來越密不可分，對公司而言所有的數(shù)據(jù)中心組件協(xié)調(diào)工作，以保障以下商業(yè)應(yīng)用具備足夠的服務(wù)等級協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）

• 商業(yè)智能（Business Intelligence，BI）例如：常常談到的大數(shù)據(jù)技術(shù)
• 客戶關(guān)系管理（Customer Relationship Management，CRM）
• 數(shù)據(jù)倉庫（Data Warehouse，DW）
• 電子商務(wù)
• 企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）
• 供應(yīng)鏈管理（Supply Chain Management，SCM）
• 其他諸多系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)中心的演進(jìn)

2.2.1 DC1.0階段（20世紀(jì)50年代~20世紀(jì)80年代）

可視為一份“藝術(shù)許可協(xié)議”，因為這些設(shè)施被簡單的成為計算機(jī)室。通常有IBM設(shè)計體型龐大，基于龐大的軟件體系機(jī)構(gòu)，這些集中的系統(tǒng)需要更加嚴(yán)密的控制，才能獲得較高的資源利用率。

2.2.2 DC2.0階段（20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初）

主要由于“客戶端—服務(wù)器”應(yīng)用模型的普及，個人PC的興起，應(yīng)用環(huán)境開始從大型機(jī)向更小的“服務(wù)器”平臺遷移，并且通過安裝在PC機(jī)上的客戶端應(yīng)用程序來實現(xiàn)訪問。

就性能預(yù)測和軟件模塊化而言，C/S模型被納入到了應(yīng)用協(xié)議層之中，每一層都部署了專用的服務(wù)器來執(zhí)行特定的功能。典型的分層應(yīng)用架構(gòu)的例子：

三層模型：呈現(xiàn)（WEB頁面）、應(yīng)用（APP或業(yè)務(wù)邏輯）、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（DB）

2.2.3 DC3.0 階段（21世紀(jì)初到至今）

DC2.0的突出問題：
數(shù)據(jù)中心的空間和功耗不斷趨于飽和，而擴(kuò)容和部署新的設(shè)施昂貴。（說白了，也就是資源利用率低到尷尬，而且管理不便）

虛擬化技術(shù)項目的應(yīng)用是來解決DC2.0時代產(chǎn)生的的問題

虛擬化項目的目標(biāo)：

• 統(tǒng)一的架構(gòu)下環(huán)境隔離
• 離散資源聚集形成共享池
• 操作程序簡單化，最好使用自動化技術(shù)

2.3 作業(yè)區(qū)以及數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

2.3.1 數(shù)據(jù)中心組織

?

?上圖中是數(shù)據(jù)中心組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，但實際上他們不是相互獨立的，而是相互依存的關(guān)系。

例如：

• 每機(jī)架的服務(wù)器數(shù)量取決于電源動力分配設(shè)計；
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須依據(jù)每個機(jī)架安裝多少服務(wù)器以及提供多少個接口；
• 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理位置會影響結(jié)構(gòu)布線設(shè)計；
• 線纜可以布在活動地板下（EOR布線）；
• 活動地板會對冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響，而冷卻系統(tǒng)通常是消耗電力最高的；

注意：在數(shù)據(jù)中心“萬物互聯(lián)”的環(huán)境中，一個團(tuán)隊的單獨決定可能會損害整個設(shè)施。因為在整合數(shù)據(jù)中心的演變過程中，強(qiáng)烈推薦站到端到端的角度去考慮，也就是從整體出發(fā)，弄清之間的關(guān)聯(lián)性。

2.3.2 不同技術(shù)的生命周期

數(shù)據(jù)中心架構(gòu)是這樣一套指令，由它驅(qū)動著所有數(shù)據(jù)中心的設(shè)計。

如果一個數(shù)據(jù)中心是一座城市的話，數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)師就相當(dāng)于城市規(guī)劃師，按照附近的街道容量（網(wǎng)絡(luò)）以及公共停車位的數(shù)量（存儲）來統(tǒng)籌部署建筑（服務(wù)器）。同樣的專業(yè)人員還必須處理“社區(qū)”之間的差異性，就像大型機(jī)和低端機(jī)服務(wù)器一樣。

• 建筑：10年~15年
• 布線：7~10年
• 網(wǎng)絡(luò)：3~5年
• 存儲：1~2年
• 服務(wù)器：6~18個月

?3.數(shù)據(jù)中心虛擬化的起源

3.1 虛擬內(nèi)存

3.1.1 存儲的定義

存儲：在若干時間間隔內(nèi)來保留計算所使用數(shù)據(jù)的能力。

計算機(jī)至少部署兩個級別的存儲：

• 主存儲器（或主內(nèi)存）：可以直接由CPU進(jìn)行訪問，通常是易失性的。（掉電數(shù)據(jù)容易丟失）
• 二級存儲器（或輔助內(nèi)存）：它要求一個額外的系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)到主存儲器中，通過使非易失性的。（掉電數(shù)據(jù)不丟失容易保存）

注意：根據(jù)定義，二級存儲器會空間會更大，更加便宜，但是比主存儲器慢。

3.1.2 虛內(nèi)存出現(xiàn)的背景

在20世紀(jì)50年代，主內(nèi)存通過磁核直接部署，而輔助內(nèi)存則是基于磁鼓旋轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)。那時的程序員在編寫代碼時，需要努力使它不會超過主內(nèi)存大小。有時候，他們不得不使用一個特定的策略將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到輔助內(nèi)存中，從而釋放主內(nèi)存空間以滿足程序中更多的數(shù)據(jù)的處理。

3.1.3 虛擬內(nèi)存的產(chǎn)生

1959年，曼徹斯特大學(xué)的阿特拉斯團(tuán)隊發(fā)明了一種自動機(jī)制，解決了程序員對上述存儲分配的煩惱。

虛擬內(nèi)存定義：使用輔助內(nèi)存作為主內(nèi)存的擴(kuò)展。

注意：使用虛擬內(nèi)存，計算機(jī)的CPU可以直接訪問內(nèi)存的一個地址，無需知道它位于主內(nèi)存或者輔助內(nèi)存。

?

?虛擬化操作過程：

• （1）將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)化為主內(nèi)存或輔助內(nèi)存的位置；
• （2）在這兩個存儲設(shè)備之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；
• （3）選擇哪些數(shù)據(jù)將被合理放置在更快的主內(nèi)存中；

總結(jié)：采用這種做法，一個仿真的內(nèi)存呈現(xiàn)給了CPU，這樣帶來了內(nèi)存擴(kuò)展的優(yōu)勢并且增強(qiáng)了程序代碼的復(fù)用性。

應(yīng)用：虛擬內(nèi)存是最新計算機(jī)操作系統(tǒng)（如：Windows和Linux）的一個重要組成部分。常用的虛擬內(nèi)存方法被稱為分頁，這項技術(shù)中，被稱為頁面的同類數(shù)據(jù)塊就是從輔助內(nèi)存中重新獲得的，實現(xiàn)了非連續(xù)數(shù)據(jù)存儲。虛擬內(nèi)存原理同樣適用于“高速緩沖存儲器”的創(chuàng)建。

3.2 大型機(jī)虛擬化

3.2.1 大型機(jī)虛擬化

1972年，與新一代的處理器（System/370）一起，IBM官方同時發(fā)布了大型機(jī)虛擬化的解決方案。

上圖所示,VM/370操作系統(tǒng)包含一個叫做控制程序（Control Program, CP）的軟件組件，也可稱為超級監(jiān)督者（hypervisor）。

該程序作用：虛擬機(jī)創(chuàng)建、資源共享、設(shè)備管理、虛擬存儲管理和其他的操作系統(tǒng)任務(wù)。每個大型機(jī)用戶可以通過與會話監(jiān)控系統(tǒng)（Conversational Monitor System，CMS）交互，來實現(xiàn)自己物理處理器的仿真。

影響：對于IBM而言，當(dāng)時每個新處理器發(fā)布是，客戶總會面臨操作系統(tǒng)遷移問題，而虛擬機(jī)為此遷移提供了一個解決方案。筆記使用這種虛擬化，一臺獨立的大型機(jī)可以同時安裝不通版本的操作系統(tǒng)（包括另一個CP實例）

3.2.2 分時共享機(jī)制

技術(shù)背景：將昂貴的大型機(jī)資源分配給不同用戶。

技術(shù)原理：通過將掛起當(dāng)前用戶的作業(yè)，并在內(nèi)存中保存其用戶狀態(tài)，然后加載另一個用戶狀態(tài)，為每個用戶提供一個平等的大型機(jī)資源的時間片。

技術(shù)解析：分時共享機(jī)制可以認(rèn)為是一個“陳舊的”虛擬化技術(shù)，因為每個用戶均會錯誤的認(rèn)為它完全控制另外的計算機(jī)。然而與虛擬機(jī)截然不同的是，所有用戶共享相同的操作系統(tǒng)，不存在不平等的、不適當(dāng)?shù)馁Y源分配情況，也不會處于相同的故障域之中。

注意：這兩個概念對于當(dāng)前計算機(jī)系統(tǒng)界非常重要。如今，分時共享已經(jīng)是多任務(wù)操作系統(tǒng)的基石，虛擬機(jī)則是數(shù)據(jù)中心3.0階段的旗艦技術(shù)。

3.3 熱備份路由協(xié)議

3.3.1 技術(shù)背景

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一臺主機(jī)通常使用一個路由器接口作為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)來將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個IP子網(wǎng)。盡管在一個局域網(wǎng)（Local-Area Network，LAN）中可以部署多臺路由器，然而絕大多數(shù)的TCP/IP協(xié)議棧只允許為每個主機(jī)定義一個默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

3.3.2 暴露的問題

在TCP/IP體系下存在與生俱來的一個單點故障，當(dāng)含有主機(jī)所定義網(wǎng)關(guān)IP地址的那臺路由器產(chǎn)生故障時，到不同網(wǎng)段間的流量將會中斷。

3.3.3 解決的辦法

思科公司在1998年創(chuàng)建一個稱謂熱備份路由器協(xié)議（Hot Standby Router Protocol，HSRP）解決方案。與之類似的有VRRP（公有標(biāo)準(zhǔn)）、GLBP（Cisco私有）。

• 兩臺路由器發(fā)送HSRP Hello消息來協(xié)商參數(shù)狀態(tài)，如：所配置虛擬IP地址、HSRP組以及優(yōu)先級；
• 通過這些報文，在HSRP熱備份組中選舉主備路由器，主路由器為本地主機(jī)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，備份路由器提供備份，模擬的虛擬IP地址充當(dāng)主機(jī)的網(wǎng)關(guān)接口（和派生的虛擬MAC地址），具備更高優(yōu)先級的接口總是當(dāng)選為活動接口；
• 如果活動接口故障，其他HSRP路由器會感知到，于是備份路由器就會模擬相同的虛擬IP。如果WAN口失效，路由器也可以減低活動接口的優(yōu)先級。（這個就是HSRP與Track或者BFD聯(lián)動）

?

?

3. 4 定義虛擬化

通過虛擬內(nèi)存、大型機(jī)虛擬化以及HSRP，可以看到以下相似之處。

• 仿真：在所有例子中，均各自仿真了先前存在的資源（主內(nèi)存，大型機(jī)以及默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的IP地址）
• 透明：毫無疑問，IT資源的消費者（CPU，大型機(jī)用戶，TCP/IP主機(jī)）均無法區(qū)分是仿真資源還是物理實體
• 好處：與IT物理資源（內(nèi)存擴(kuò)展、資源優(yōu)化和高可用性）相比，這些例子均有各自的優(yōu)勢（好處）。

虛擬化定義：虛擬化是IT資源的透明仿真，為其消費者帶來物理形態(tài)中無法獲得的好處。

虛擬機(jī)可以提供兩種不同風(fēng)格的仿真：

• 模擬：假裝擁有沒寫不存在的特征行為。
• 偽裝：利用別人的知識，掩飾其真實屬性的行為。

注意：從單一地址的變化到一個全新的邏輯結(jié)構(gòu)的建造，透明在這些技術(shù)中有很大差異。同樣，受益的范圍也是非常多樣化的，有時候甚至包括原先并沒有計劃的附帶優(yōu)勢。

4. 虛擬化技術(shù)的分類

借用生物學(xué)分類法：域（Domain）、界（Kingdom）、門（Phylum）、綱（Class）、目（Order）、科（Family）、屬（Genus）、種（Species）。

每個虛擬化“物種”將會按照以下特征進(jìn)行分類：

• 仿真
• 類型和子類型
• 可擴(kuò)展性
• 技術(shù)領(lǐng)域和子領(lǐng)域
• 優(yōu)勢

仿真的含義：通過仿真，IT資源將通過虛擬化而生成；優(yōu)勢：虛擬化帶來的好處。

4.1 虛擬化的分類

盡管與生物圈相比虛擬化技術(shù)在種類變化上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，但我們的分類系統(tǒng)也可以從層次化分類中受益，在虛擬化技術(shù)中，第一層將被簡單的稱為分類和將涉及的物理組件數(shù)量和邏輯組件數(shù)量之間的比例。

4.1.1 池化虛擬化技術(shù)

在池化虛擬技術(shù)中，幾個物理組件會同事工作從而建立一個單獨的邏輯實體，這些邏輯實體與原來的實體分享其特征。

上圖中，動物世界中，類比于一群大雁的“V”字隊形，它們符合空氣動力學(xué)“V”型，利用這種隊列增加了效率和單個個體的范圍（巧合的是，字母“V”也存在與大多的虛擬化技術(shù)的命名之中）

池化技術(shù)分類：

• 同構(gòu)：資源池中的所有組件都是由相似的組件所組成。
• 異構(gòu)：資源池中不同的物理組件所組成，并可以部署某些層次結(jié)構(gòu)。（這種情況下，虛擬實體必須具有相似性，至少物理資源池中要有一個類似的硬件）

例子：虛擬內(nèi)存可歸為采用異構(gòu)子類型所實現(xiàn)的池化技術(shù)（因為虛擬內(nèi)存是由2個不通存儲設(shè)備所組成，他們是主內(nèi)存和輔助內(nèi)存）

4.1.2 抽象虛擬化技術(shù)

在抽象虛擬化技術(shù)中，為了創(chuàng)建一個邏輯實體，仿真不會增加或減少物理組件的數(shù)量。一個物理資源創(chuàng)建一個單獨的虛擬組件來提供不同的特征，以實現(xiàn)設(shè)備或者用戶交互。

上圖中的Caligomennon（貓頭鷹蝶）所使用的模仿為例：說明了這些技術(shù)，而這些技術(shù)也被用于防御其獵食者的一種機(jī)制。

抽象技術(shù)分類：

• 地址重映射：當(dāng)只改變地址或標(biāo)識符時，邏輯設(shè)備共享物理實體的屬性。
• 結(jié)構(gòu)化：是指一個不共享設(shè)備格式的虛擬組件部署其虛擬化。例如：兩個路由器可以通過一個隧道，創(chuàng)建一條虛擬背靠背連接。

例子：按照這種分類法，HSRP使用了地址重映射子類的方式，部署一個抽象的虛擬化。

注意：盡管多個路由器接口可以作為同一HSRP組的一部分，但常見的情況是，一個組內(nèi)只能有一個活動的IP。然而以這種分類法，可認(rèn)為GLBP（多個網(wǎng)關(guān)之間部署負(fù)載平衡）是一種池化虛擬技術(shù)。

4.1.3 分區(qū)虛擬化技術(shù)

分區(qū)虛擬化特點是采用獨立的邏輯分區(qū)來模擬物理資源的特點。盡管有點粗略，圖中的蝸蟲從原始標(biāo)本中創(chuàng)造了完美的生命副本，其演示了動物界中的鏡像行為。

分區(qū)技術(shù)分類：

• 資源分配型：可以為每一個虛擬分區(qū)預(yù)留物理資源的資產(chǎn)。
• 沒有資源分配型：對與每個創(chuàng)建的分區(qū)，沒有資源控制部署。

例子：大型機(jī)的虛擬化，IBM虛擬機(jī)毫無疑問屬于分區(qū)虛擬化技術(shù)中的資源分配型。

4.2 虛擬化的擴(kuò)展性

與虛擬化技術(shù)相關(guān)的一大風(fēng)險是：仿真可以被盲目接受。

為了避免災(zāi)難性的情況，強(qiáng)烈建議讀者清楚地了解每個虛擬化技術(shù)的可擴(kuò)展性。如：

• 可以池化在一起的設(shè)備的最大數(shù)量；
• 每個設(shè)備的地址重映射的最大數(shù)量；
• 分區(qū)的最大數(shù)量；

4.3 技術(shù)領(lǐng)域

在過去的30年里，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施解決方案附屬于3個基本的領(lǐng)域：服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。

“定位”一個虛擬化技術(shù)到這3個領(lǐng)域中的其一，會進(jìn)一步指定可能與它們有直接交互的運營團(tuán)隊。

將分類系統(tǒng)更進(jìn)一步，將每個技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行分區(qū)定義。子分區(qū)會準(zhǔn)確的指明在單一技術(shù)領(lǐng)域最常用的組件中“哪里”正在被執(zhí)行虛擬化。

例如下圖所示：

?

（1）存儲虛擬化可以在一下位置被執(zhí)行：

• 存儲設(shè)備：代表數(shù)據(jù)存放的位置；
• 主機(jī)：代表了能有效檢索和保存數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)；
• 互連：包括主機(jī)和存儲設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)媒介。

（2）服務(wù)器虛擬化：

• 硬件：不依賴于所安裝的任何操作系統(tǒng)提供虛擬化；
• 操作系統(tǒng)：軟件層直接控制服務(wù)器硬件，并因此提供虛擬化特性
• 應(yīng)用：虛擬化是通過運行在服務(wù)器操作系統(tǒng)之上的一個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用來執(zhí)行。

（3）網(wǎng)絡(luò)虛擬化：

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)也可分布于網(wǎng)絡(luò)平面之中，它代表著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的不同功能組件。

• 數(shù)據(jù)平面：處理穿越兩個或者兩個以上網(wǎng)絡(luò)接口的流量（穿越數(shù)據(jù)包）。負(fù)責(zé)大部分流入這些設(shè)備的數(shù)據(jù)。
• 控制平面：處理直接送往網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身和起源于其他設(shè)備的流量。例如：來自路由協(xié)議的控制數(shù)據(jù)包，控制數(shù)據(jù)平面的行為。
• 管理平面：運行組件用于設(shè)備管理，如命令行界面（command-line interface，CLI）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP）。這個平面通常會與第三方軟件交互，可以修改控制平面和數(shù)據(jù)平面的行為。

?4.4 分類的例子

下面為用它來對“數(shù)據(jù)中心虛擬化起源”中所描述的技術(shù)進(jìn)行分組

中文翻譯：

顯然，這個分類系統(tǒng)并不是對虛擬化技術(shù)進(jìn)行分類的唯一途徑。其目的在于對于一個技術(shù)分析之前，提供一個快速可視化呈現(xiàn)方式。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/fulong20181055/p/10130681.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的1.虚拟化的历史和定义的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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