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  • 云计算和虚拟化的关系
    2021-08-12 14:44:56

    云计算概念:

    云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问, 进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络,服务器,存储,应用软件,服务),这些资源能够被快速提供,只需投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互。

    云计算特点:超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、极其廉价。

    虚拟化概念:

    虚拟化是通过软件手段对计算机硬件资源镜像整合管理和再分配的一种技术,常用的手段有基于虚拟机的虚拟化和基于容器的虚拟化。

    虚拟化场景分类:
    操作系统虚拟化
    应用程序虚拟化
    桌面应用虚拟化
    存储虚拟化
    网络虚拟化

    云计算和虚拟化差别

    对云计算和虚拟化差别的描述,有一句经典的话:虚拟化是云计算构建资源池的一个主要方式。只要这句话你理解透了就知道他俩的关系了。
    简单来说,云计算是一个概念,而不是具体技术。虚拟化是一种具体技术,指把硬件资源虚拟化,实现隔离性、可扩展性、安全性、资源可充分利用等特点的产品。

    目前云计算,大多是依赖虚拟化,通过把多台服务器实体虚拟化后,构成一个资源池,实现共同计算,共享资源。也就是现在所谓云计算,其实这个词提出来之前,过去的服务器集群就已经实现这些功能了,只不过没有现在那么先进而已。

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  • 云计算和虚拟化技术

    千次阅读 2021-04-10 15:30:39
    # 写于2021.04.10 ...虚拟化 高可靠性 通用性 高可伸缩性 按需服务 极其廉价 1.3 云计算你找服务类型可分为哪几类? 1.4 云计算技术体系结构可分为哪几层? 资源池管理中间件层为云计算技术的
    # 写于2021.04.10
    # 本文为学习笔记,用的ppt是陈羽中教授版,侵删
    # 笔记只为交流,入门小白,有错望留言纠正
    # 总结不易 望赞鼓励
    

    一. 大数据和云计算

    1 大数据时代数据特点?

    在这里插入图片描述

    2 云计算七个特点?

    • 超大规模
    • 虚拟化
    • 高可靠性
    • 通用性
    • 高可伸缩性
    • 按需服务
    • 极其廉价

    3 云计算你找服务类型可分为哪几类?

    在这里插入图片描述

    • 软件即服务(Software as a Service,缩写SaaS)
      软件即服务是普通消费者可以感知到的云计算,它的代表有Dropbox,还有国内用户熟悉的百度云、腾讯微云等。这种云计算最大的特征就是消费者并不购买任何实体的产品,而是购买具有与实体产品同等功能的服务
      以前,我们是花钱购买的是服务器上的存储空间。现在,我们花钱购买的是Dropbox的存储服务。表面上看,两者没有实际的区别。但是换一个角度来看,两者却完全不同。以前,我们花钱购买服务器上的存储空间,假设是空间容量是10G,我们是真正的买到了服务器上的10G空间。如果我们不上传文件的话,那么服务器上的这10G空间就是空的。现在,我们购买Dropbox的存储服务,假设空间容量还是10G,我们却并没有真正的买到Dropbox服务器上10G的空间,我们买到的是10G空间的服务。也就是说,如果我们上传文件,Dropbox会将文件分开放在任何地方的任何服务器上,如果我们不上传文件,Dropbox的服务器上就根本没有属于我们的任何空间。
    • 平台即服务(Platform as a Service,缩写PaaS)
      与软件即服务不同,平台即服务是面向开发者的云计算。这种云计算最大的特征是它自带开发环境,并向开发者提供开发工具包。它的代表有Google的GAE(Google App Engine),还有国内的百度的BAE、新浪的SAE等。
      平台即服务与软件即服务之间可以相互转换。如果是消费者,购买Dropbox的服务,那Dropbox就是软件即服务。如果是开发者,利用Dropbox提供的开发包借助Dropbox的服务开发自己的服务,那么Dropbox本身就是平台即服务,构筑在Dropbox之上的开发者的服务就是软件即服务。
      以前,开发者如果要搭建一个网站,需要做很多准备工作,比如购买服务器,安装操作系统,搭建开发环境等等。现在,开发者如果购买平台即服务云计算,就可以省去上面费时费力的准备工作,直接进行网站的开发。不仅如此,开发者还可以使用各种现成的服务,比如GAE会向开发者提供Google内部使用的先进的开发工具和领先的大数据技术。这一切都使得网站开发变得比以前轻松很多,这也是云计算时代互联网更加繁荣的原因之一。
    • 基础架构即服务(Infrastructure as a Service,缩写IaaS)
      基础架构即服务一般面向的是企业用户,它的代表有Amazon的AWS(Amazon Web Service),还有国内的PPPCloud等。
      这种云计算最大的特征在于,它并不像传统的服务器租赁商一样出租具体的服务器实体,它出租的是服务器的计算能力和存储能力。AWS将Amazon计算中心的所有的服务器的计算能力和存储能力整合成一个整体,然后将其划分为一个个虚拟的实例,每一个实例代表着一定的计算能力和存储能力。购买AWS云计算服务的公司就以这些实例就作为计量单位。
      基础架构即服务与平台即服务有显著的区别,基础架构即服务提供的只有计算能力和存储能力的服务,平台即服务提供的除了计算能力和存储能力的服务,还提供给开发者的完备的开发工具包和配套的开发环境。也就是说,开发者使用平台即服务时,可以直接开始进行开发工作。而使用基础架构即服务时,则必须先进行如安装操作系统、搭建开发环境等准备工作。
      基础架构即服务是云计算的基石,平台即服务和软件即服务构建在它的上面,分别为开发者和消费者提供服务,而它本身则为大数据服务。

    4 云计算技术体系结构可分为哪几层?

    在这里插入图片描述

    资源池和管理中间件层为云计算技术的重要部分
    其实虚拟化的就是资源池层,然后管理中间件层负责管理。SOA层应该类似于外部接口。

    在这里插入图片描述

    5 在性价比上云计算相比传统技术为什么又压倒性的优势?

    在这里插入图片描述

    二. 虚拟化技术

    虚拟相对于真实,虚拟化就是将原本运行在真实环境上的计算机系统或组件运行在虚拟出来的环境中。
    核心理念:以透明的方式提供抽象的底层资源


    【分类】:

    • 服务器虚拟化;
    • 存储虚拟化
    • 网络虚拟化
    • 桌面虚拟化

    【虚拟化的三层含义】:

    • 虚拟化的对象是各种各样的资源
    • 经过虚拟化后的逻辑资源对用户隐藏了不必要的细节
    • 用户可以在虚拟环境中实现其在真实环境中的部分或者全部功能

    【虚拟化的目标】:

    • 逻辑简化,提供接口:对包括基础设施、系统和软件等IT资源的表示、访问和管理进行简化,并为这些资源提供标准*接口来接收输入和提供输出。
    • 降低耦合:降低了资源使用者和资源具体实现之间的耦合程度,让使用者不再依赖于资源的某种特定实现

    1 虚拟数据优势

    随着云计算的发展,传统的数据中心逐渐过渡到虚拟化数据中心,即采用虚拟化技术将原来数据中心的物理资源进行抽象整合。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    2 服务器虚拟化

    【两个方向】:

    • 一个物理的服务器虚拟成若干个独立的逻辑服务器,比如分区;
    • 把若干分散的物理服务器虚拟为一个大的逻辑服务器,比如网格技术;

    2.1 服务器虚拟化的层次

    • 寄居虚拟化
      有点类似于os平台上 装个win虚拟软件

    在这里插入图片描述

    • 寄居虚拟化的虚拟化层一般称为虚拟机监控器(VMM),负责对虚拟机提供硬件资源抽象,为客户操作系统提供运行时环境
    • 由主机操作系统负责在多个虚拟机之间分配硬件资源,这类虚拟化架构系统损耗比较大
    • 原生虚拟化
      类似于在mac上装双系统

    在这里插入图片描述

    • 称为Hypervisor(虚拟化平台),负责虚拟机的托管和管理,直接运行在硬件上,实现受底层体系结构的约束,可以认为是一个操作系统,
    • Hypervisor实现从虚拟资源到物理资源的映射
    • Hypervisor实现了不同虚拟机的运行上下文保护与切换,保证了各个客户虚拟系统的有效隔离

    2.2 服务器虚拟化的底层实现

    2.2.1 cpu虚拟化

    杨鸽理解

    • 可以虚拟成很多cpu,但是实际就一个,任何时刻 都只能运行一个虚拟CPU的指令
    • ring0是最高权限,也就是cpu虚拟同时可以调度物理等资源,拥有最高权限
    • 但这个最高权限的敏感指令,不是真正作用在真是硬件之上,而是需要被虚拟机监视器接管和模拟
    • 把物理CPU抽象成虚拟CPU,任何时刻一个物理CPU只能运行一个虚拟CPU的指令

    • 在x86体系中实现虚拟化,需要在客户操作系统以下加入虚拟化,来实现物理资源的共享,虚拟化层运行在Ring0级,客户操作系统运行在Ring0以上级别。

    • 虚拟化x86体系结构问题的关键在于虚拟机里执行的敏感指令不能直接作用于真实硬件之上,需要被虚拟机监视器接管和模拟。

    【实现cpu虚拟化的方式】

    杨鸽理解
    纯虚拟化: 多用于个人计算机上,性能损失较大。
    ①敏感指令在二进制上修饰,让计算机知道知道这是敏感指令
    ②或者通过虚拟机监视器执行的具有相同功能的指令序列后执行
    半纯虚拟化:多用在服务器,性能损失较小
    就是系统层面开发一套指令来实现敏感指令
    新技术:通过硬件或者第三方指令集实现

    ① 纯虚拟化

    • 采用二进制代码动态翻译技术(敏感指令前插入陷入指令)
    • 将敏感指令转换成可以通过虚拟机监视器执行的具有相同功能的指令序列后执行
    • 非敏感指令可以直接在物理处理器上执行

    ② 半虚拟化

    • 修改客户操作系统来解决虚拟机执行特权指令的问题
    • 客户操作系统将敏感指令转换为对底层虚拟化平台的超级调用
    • 虚拟化平台不需要做耗费资源的指令翻译工作

    ③ 硬件辅助虚拟化

    • 在CPU中加入新的指令集和处理器运行模式来完成与CPU虚拟化的相关功能
    • 客户操作系统可直接在CPU上运行虚拟化相关指令,无需进行二进制翻译或超级调用

    ④ INTEL VT技术

    • 增加一套名为虚拟机扩展VMX的指令集,支持与虚拟化相关的操作
    • 定义根模式和非根模式,虚拟化平台运行在根模式,客户操作系统运行在非根模式

    在这里插入图片描述调度问题
    指VMM决定当前哪个虚拟CPU在物理CPU上运行,要保证隔离性、公平性和性能。这个地方没讲

    2.2.2 内存虚拟化

    内存虚拟化技术把物理内存统一管理,包装成多个虚拟的物理内存提供给若干虚拟机使用,每个虚拟机拥有各自独立的内存空间。
    在这里插入图片描述

    杨鸽理解

    • 虚拟内存要保证各个虚拟间内存数据不能受影响
    • 虚拟内存要解决的问题就是虚拟地址到服务器上真正的物理地址.方法有两种,影子页表法和页表输入法
    • 影子页表发: 虚拟地址,能通过续集你的操作系统页表查到操作系统上物理地址(虚拟的),那么这个操作系统上物理地址(虚假的)实际和服务器真正的物理地址有个对应关系,通过服务器端影子页表来实现。
    • 页表写入法: 虚拟机上的操作系统页表直接就是虚拟地址和服务器真实的物理地址对应。
    • 管理物理机器上的内存,并按每个虚拟机的需要分配内存,并保持每个虚拟机对内存访问的相互隔离

    • 需要维护物理机里的内存地址块和虚拟机内部的连续内存块的映射关系,具备管理虚拟机内存的机制

    • 虚拟机监视器必须具备管理虚拟机内存的机制,即虚拟机内存管理单元
      在这里插入图片描述
      映射关系

    • ①影子页表法
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

    • ② 页表写入法

    • 在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

    2.2.3 IO设备虚拟化

    杨鸽理解

    • 设备统一管理起来,包装成多个虚拟设备给若干个虚拟机使用,响应每个虚拟机的设备访问请求和I/O请求。
    • 通过软件来实现
    • 使不同标准的设备,在虚拟层面标准化,实现大家都通用。

    2.3 虚拟机迁移

    云计算和虚拟化分析


    https://www.bilibili.com/video/BV1PB4y1c78j?p=1

    虚拟机迁移是将虚拟机实例从源宿主机迁移到目标宿主机,并且在目标宿主机上能够将虚拟机运行状态恢复到其在迁移之前相同的状态,以便能够继续完成应用程序的任务。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    2.4 隔离技术

    虚拟机隔离是指虚拟机之间在没有授权许可的情况下,互相之间不可通信、不可联系的一种技术。

    https://www.bilibili.com/video/BV1PB4y1c78j?p=2

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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  • 云计算和虚拟化关系

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    1.1、什么是虚拟化

    虚拟化没有具体的定义,各行各业都有虚拟化,对虚拟化的理解也可能不同,但无论怎么理解,虚拟化的本质都是将现有的计算机资源通过虚拟化的技术分割成若干个计算机资源,这些计算机资源相互独立。如下图所示:


    1.2、虚拟化的目的是什么

    提高计算机的利用效率和使计算机的灵活性最大化

    1.3、虚拟化的分类

    平台虚拟化(服务器虚拟化和桌面虚拟化)、资源虚拟化、应用程序虚拟化、表示层虚拟化

    1.4、虚拟化产品三剑客

    VMware、Citrix、Microsoft


    2.1什么是云计算

    云其实是网络、互联网的一种比喻说法,计算可以理解为计算机,因此云计算的基本模型,就是远程计算服务:用户通过网络连接到计算机上,获取计算服务。而远程计算机,因为规模效应,可以提供比个人计算机强大若干个数量级的计算能力,可以根据用户需求提可供弹性伸缩的计算资源,可以大大降低用户获取相同计算结果花费的成本。这三点其实都很容易理解。

      1.计算能力。用户的个人计算机一台智能配置一颗CPU,但云计算远程调用的计算机集群可能有成百上千颗CPU,计算能力天壤之别。

      2. 弹性的计算资源。个人电脑想要增加内存,只能重新买一根内存条来安装。而云计算的弹性伸缩能力,可以做到点下鼠标,内存就变成了8G。

      3. 低廉的使用成本。由于规模效应,以及按需使用的分配原则,硬件成本低,资源闲置率也低,所以也进一步降低了云计算的使用成本。


    2.2云计算的特点

    基于互联网、按需服务、资源池化、高可用、资源可控

    2.3云计算的体系结构

    Iaas(基础设施即服务)、Paas(平台即服务)、Saas(软件即服务)

    具体的理解如下:这里我们通过一个吃披萨的例子来类比


    IaaS(Infrastructure-as-a- Service):基础设施即服务,常见形式是硬件服务器租用。阿里巴巴、腾讯、京东云鼎提供的就是IaaS层为主的云计算服务。IaaS层的云服务配置 灵活,但使用起来更为复杂,适合大型的、后台处理业务复杂的项目选用。IaaS层的服务目前基本已全面收费。

      PaaS(Platform-as-a- Service):平台即服务,常见形式是提供Web托管的应用引擎(App Engine)。PaaS层是最适合多数开发者选用的云计算服务。PaaS层可以被理解为在IaaS 层提供的硬件服务之上,还额外搭建好了服务器环境、中间件、数据库等。开发者用户只需要将网页代码上传部署,网站就可以运行起来了,既降低了IT运维成 本,还省去了大量的开发与运维工作量。PaaS平台目标的产品包括:京东云擎(JAE)、BAE、SAE,目前京东JAE是全免费,BAE、SAE是收费的,BAE根据每日收费,SAE是根据使用服务来收费。稳定性都存在一些问题,JAE、SAE相比而言较为稳定。

      SaaS(Software-as-a- Service):软件即服务,常见的形式是提供Web端应用,按需购买使用,著名的CRM服务提供商Salesforce就是此类代表。国内提供 SaaS服务的包括阿里云、京东电商云、新浪云商店等。SaaS层服务目前收费与免费模式平分秋色,还暂无定论。

    2.4云计算的模式

    公有云、私有云、混合云、行业云


    3.总结:云计算与虚拟化的关系

    云计算和虚拟化没有必然的联系,实现云计算可以不需要虚拟化,但是要提高资源的利用效率和方便管理,云计算还是需要用虚拟化来实现的,不过虚拟化技术只是实现云计算的一种方式而已。通过下图我们可以看到在Iaas层里面使用了虚拟化技术。


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  • 尽管事实上云计算和虚拟化是两种非常不同的技术,但他们仍然常常被等同起来。从行业数据互相关联的角度来说,云计算是极度依赖虚拟化的。
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    虚拟化

    • 随着计算机服务器性能日益增强,同时应用程序或服务功能拆分越来越细致,同一物理服务器运行多个不同独立操作系统的需求得以使用虚拟化技术实现计算资源充分利用。
    • “虚拟化 ”指实现单一系统上同时运行多个不同独立操作系统的技术。
    • 大多数现行的虚拟化实现使用一个“虚拟机管理程序 ”(hypervisor),即一个软件层或子系统,该子系统控制硬件并向“客机操作系统 ”提供访问底层硬件的途径。
    • 通过向客机操作系统提供虚拟化的硬件虚拟机管理程序允许多种操作系统在相同的物理系统中运行,
    • 实现虚拟化操作系统有多种方式:

    全虚拟化

    • 全虚拟化利用处理器的虚拟化特性,创建虚拟系统,称为一个“虚拟机 ”(virtual machine),
      • 虚拟机不对硬件进行模拟,仅进行资源的分配
    • 全虚拟化也叫基于硬件辅助的虚拟化技术
    • KVM,VMware

    半虚拟化

    • 半虚拟化应用一系列呈现给虚拟机的软件和数据结构,
    • 半虚拟化包含整个内核,就像 Xen 准虚拟机,
    • -半虚拟化用的人比较少,内核特别庞大,而且内核已经不在支持了
    • 半虚拟化不能跨平台,还要对客户机内核做修改
    • Xen

    软件虚拟化(或仿真)

    • 软件虚拟化利用更慢的二进制转换和其他仿真技术运行未更改的操作系统。
    • 模拟器,使用软件程序模拟CUP、内存
    • Quem,安卓模拟器

    虚拟化技术实现

    • 我们常说的虚拟化技术指的是软件层面的实现虚拟化的技术,
    • 典型的代表有:Xen,KVM,WMware,Hyper-V、Docker容器等。
    • Xen和KVM,是开源免费的虚拟化软件;
    • WMware是付费的虚拟化软件;
    • Hyper-V是微软操作系统上的收费虚拟化技术
    • Docker是一种容器技术,属于一种轻量级虚拟化技术。

    Hypervisor(虚拟机监控程序)

    • 虚拟机监控程序是一种创建并运行虚拟机(VM)的软件。
    • 虚拟机监控程序(有时也称为 VMM)会将虚拟机监控程序的操作系统与虚拟机的资源分离开,并创建和管理这些 VM。
    • Hypervisor在虚拟服务器和底层硬件之间建立一个抽象层。

    裸机型

    • 直接装在物理机上,不需要安装额外的操作系统
    • KVM、Microsoft Hyper-V 和 VMware vSphere
      裸机型

    主机托管型

    • 虚拟机运行在常规操作系统上以软件层或应用的形式运行。
    • VMware Workstation 和 Oracle VirtualBox

    早期虚拟化技术公司

    云计算和虚拟化的关系

    • 云计算是一种虚拟化技术的实现
    • 虚拟化是云计算的基础
    • 基于虚拟基础架构,将虚拟资源集使用管理和自动化软件,例如OpenStack,对虚拟资源进行编排,此来创建云服务

    云计算和虚拟化的区别

    实现云计算的虚拟化技术

    • 云计算中的虚拟化指的是IaaS层虚拟化解决方案,而不是虚拟机技术。

    VMware vSphere

    • 基于VMware虚拟化技术的虚拟化管理软件,目前在行业内来说算是最成熟,生产环境应用度最广的IaaS层虚拟化技术的解决方案。
    • 目前对整个集群的虚拟机监控管理也是最好的。(vSphere本身收费,而且监控软件还需要单独收费)。

    Openstack

    • 基于linux的IaaS层解决方案(支持多种虚拟化技术,比如KVM),是目前用户最多,影响最大的开源解决方案,得到了HP,IBM等知名厂商的大力支持,国内的虚拟化解决方案也大部分是基于Openstack开发定制。
    • 主要运行在cent os和ubuntu server操作系统上。

    CloudStack

    • 使用 java开发的基于linux的IaaS层解决方案(支持多种虚拟化技术,比如KVM),目前发展潜力非常不错,也得到了很多知名厂商的认可,
    • 相对起步比较晚,在国内的推广度也不如Openstack。
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云计算和虚拟化的关系