现在已经是19年9月27号，马上就要国庆啦！新睿云这次要跟大家谈一谈云计算虚拟化技术，小睿科普，真的靠谱！
 
不一样的小睿，不一样的烟火~(看图怎么跟云计算都搭不上边)
 

 
各位排坐坐吃果果的小伙伴做好啦！下面睿老师要讲干货了。
 
要说到云计算，我们不得不说一下计算机的发展，以前电脑刚发明的时候，那时候没有网络，可能计算机的发明者都没想到日后计算机会成为21世纪产业的支柱。
 

 
冯诺依曼
 
上图就是号称“计算机之父”的冯诺依曼，大佬一枚，话说在美图秀秀这种“邪恶”的软件出现之前，这位大佬的素颜照不得不说是挺帅的。电脑能就是一个单机，用来处理大额的计算任务，一台电脑包括CPU、内存、硬盘、显卡等硬件。用户在单机上，安装操作系统和应用软件，完成自己的工作。
 

 
后来一台计算机干不过来，需要几台计算机一起协作，此时就有了网络。几台计算机可以实现数据互通……大体如下图：
 

 
随着计算机技术的发展，单个计算机的能力越来越强，甚至出现那种超级计算机，一个能干几十台微机的活。慢慢出现了一些厂商，把超级计算机也就是服务器的资源集中起来，放到机房中，在由网络进行访问机房使用计算机资源。
 

 
小机房慢慢变成大机房就出现了IDC(Internet Data Center，互联网数据中心)，很多自己没有能力组建机房的个人或企业想使用服务器资源，这怎么办？于是就求助租用资源，当时的办法是把一台服务器挂多个应用，用托管的方式运营。不过后来人们发现弊端太多了(服务器被入侵，上面所有托管的应用都挂了)，大家想用独立的服务器，但不可能每人都给一个独立服务器，这时候虚拟化技术就诞生了。
 
无数个大型机房通过网络交换数据，通过虚拟化技术分割成一个个独立的小型服务器，云计算(Cloud Computing)也就发展起来了。
 

 
通过刚才的叙述我们引出了虚拟化技术，什么是虚拟化呢？这显然又成为了一个问题。
 
虚拟化就是把大型服务器的空间隔绝出来，然后分成“小型服务器”，每一个空间都独立，相互不影响。一般的虚拟化有两种主流方式：
 

 
1、基于硬件资源
 
2、基于操作系统
 
因为是科普文，我们不说的太复杂。举个例子，比如你在厂家定做一辆车，一般车都是四座的。不过你要求厂家必须做成六座，于是厂家造车的时候把车改造了，在后面加了两个座位。因为厂家工艺水平高，做完挺得劲，坐上去也舒服，这就是硬件虚拟化。通过模拟CPU、内存、硬盘运行来形成独立服务器。
 
操作系统虚拟化就是您没让厂家改装，自己取回来四座的车，直接把后备箱砸了，放上两把椅子，此时也成为六座……(直接在操作系统上模拟，弊端占用资源高，运行速度下降)，好处就便捷，然后快，很容易就做到了，适合学习开发使用。
 
当然现今又出现基于内核模拟的先进技术，咱们这里就不探讨了，否则小睿三天三夜也说不完。容我喘口气，下期见！
 

云计算的的定义 云计算是基于互联网的服务的增加 使用 和交付模式，通常涉及通过互联网提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。是传统计算机和网络技术发展融合的产物，它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。
云计算的六大关键特性技术 按需自助服务 可测量的服务 广泛的网络接入 多租户 资源池化 快速的弹性和可扩展性
云计算的特征 在国际标准ISO中，将云计算定义为;能通过网络访问可扩展的 灵活的 可共享的物理或虚拟资源池，并按照自助获取和管道这些资源的模式 这些资源包括服务器 操作系统 网络 软件 应用 和存储设备
云计算的分类 Iaas paas saas  私有云 公有云 混合云 行业云/企业云








虚拟化定义含义
以透明的方式提供抽象的计算资源


虚拟化的三层含义
1.被虚拟化的对象，是各种计算资源，如CPU，磁盘，内存，网络等
2.物理资源被虚拟化成逻辑资源后，对用户隐藏了不必要的细节
3。用户在虚拟环境中可实现物理环境中的部分或全部功能
虚拟化的类型

虚拟化技术是云计算的重要技术，主要用于物理资源的池化，从而可以弹性地分配给用户。物理资源包括服务器、网络和存储。但是计算资源的池化不一定要用虚拟化技术，金属裸机也能池化，比如 IBM 的 Softlayer 就是直接使用物理机来实现云计算的。

 主机虚拟化的思想可以追溯到 IBM 机器的逻辑分区，即把一台 IBM 机器划分成若干台逻辑的服务器，每台逻辑服务器拥有独占的计算资源（CPU、内存、硬盘、网卡），可以单独安装和运行操作系统。IBM 机器价格昂贵，相对于当时的计算任务来说，机器的计算能力太过强大，所以需要划分为更小的计算单元。

 后来随着个人计算机处理能力的不断发展，1998 年 VMware 公司成立，这家公司专注于机器虚拟化的软件解决方案。也就是说，对于不支持逻辑分区的计算机，可以直接通过安装 VMware 虚拟化软件来模拟更多的虚拟机，然后再在这些虚拟机里安装操作系统和应用软件，可以给虚拟机灵活配置内存、CPU、硬盘和网卡等资源，如图 1 所示。
 

 图 1  虚拟机结构
 

 在一台物理机上可以创建很多虚拟机，虚拟机里允许安装不同的操作系统，配置不同的网络 IP 地址。

 可以动手做个实验：购买一台计算机（配置：双核 3.0GB CPU、4GB 内存、500GB 硬盘、1000MB 网卡），首先安装 Windows 8 操作系统，把所有的硬件驱动安装好，然后安装办公软件、QQ、音视频播放软件和 C 语言开发工具等。接下来安装 VMware Workstation 12.0 虚拟化软件，安装完成后重新启动计算机，并双击桌面上的“VMware Workstation”图标启动虚拟化软件，如图 2 所示。

 在里面可以创建很多虚拟机，比如图 2 中就创建了 14 台虚拟机，虚拟机里安装的操作系统分别是 Windows 7、Windows 8、Windows Server 2012、Windows XP 和 Linux 的各种发行版。只要不启动虚拟机，就不会消耗内存和 CPU 资源，但是会占用硬盘空间。能同时启动的虚拟机数目与计算机的物理内存容量和 CPU 速度有关。另一款免费的桌面虚拟机软件是 Oracle 公司的 VirtualBox。

 近几年来，很多大公司不断加入主机虚拟化软件市场，竞争异常激烈。排名靠前的有 EMC（收购 VMware）、微软、思杰、红帽、Oracle、Parallels。微软把虚拟机直接集成在操作系统里；红帽携 KVM 开源虚拟机一路攻城略地；Oracle 的虚拟机算是个小字辈；Parallels 公司的产品既支持虚拟机，也支持容器。

 容器是一个轻量级的运行环境，在同样配置的物理机上，能同时运行比虚拟机多三倍的容器。VMware 的虚拟化产品受到微软 Hyper-V、红帽 KVM 及思杰 Xen 的强大冲击，其市场开始出现萎缩的征兆。
 

 图 2  启动虚拟化软件
 

 目前 CPU 发展到多核，且本身就支持虚拟化。虚拟化软件厂商直接推出了能运行在裸机上的虚拟化软件层，如微软的 Windows Hyper-v 2012、EMC 的 ESXi6、思杰的 XenServer、红帽的 RHEV-H等，然后在虚拟化软件层上直接创建更多的虚拟机，如图 3 所示。

 虚拟化软件层消耗的计算资源很少，一般在 10% 以内，相比前面的方法，同一台物理机可以运行更多的虚拟机。

 针对云计算方案，各虚拟化软件厂商还推出了云端虚拟机管理工具，实现虚拟机的创建、删除、复制、备份、恢复、热迁移和监控等统一管理。其中，热迁移就是在不关闭虚拟机的情况下，把虚拟机从一台物理机转移到另一台物理机上，而正在使用虚拟机的租户感觉不到虚拟机被移动了。一台虚拟机的计算能力目前还不能超过其所在的物理机的计算能力。
 

 图 3  直接在虚拟化软件层创建更多虚拟机
 

 但是在每台虚拟机里都要安装和运行操作系统的做法，仍然浪费了很多计算资源。

 举一个简单的例子：假如一台计算机的配置是双核 3GHz 的 CPU、8GB 的内存、500GB 的硬盘，现在在这台计算机上创建 6 台虚拟机，每台虚拟机分配 1GB 内存、64GB 硬盘、1GHzCPU，虚拟机都安装 Windows 7 操作系统。那么当全部虚拟机启动后，几乎就很难再运行应用程序了，因为内存和 CPU 资源都被操作系统本身消耗掉了。

 为此，有公司专门推出了应用软件容器产品，即在操作系统层上创建一个个容器，这些容器共享下层的操作系统内核和硬件资源，但是每个容器可单独限制 CPU、内存、硬盘和网络带宽容量，并且拥有单独的 IP 地址和操作系统管理员账户，可以关闭和重启。与虚拟机最大的不同是，容器里不用再安装操作系统，因此浪费的计算资源也就大大减少了，这样同样一台计算机就可以服务于更多的租户，示意图如图 4 所示。
 

 图 4  容器
 

 容器产品提供商 Parallels 针对 Linux 和 Windows 操作系统分别推出了两套应用软件容器产品：OpenVZ 和 Parallels Containers for Windows，其中 OpenVZ 是开源的，Windows 版是商用的，最新版 Parallels Containers for Windows 6.0 支持 Windows Server 2012 Data Center Edition。

 开源容器项目 Docker 绝对是后起之秀，受到谷歌公司的大力推崇，发展迅速。微软目前也推出了两种容器产品：Windows Server Container 和 Hyper-V Container，后者的隔离效果介于容器和虚拟机之间。

 应用软件容器与虚拟机的第二个不同是，容器里不能进行操作系统级的修改和配置。对于做驱动开发和 Linux 内核定制的人来说，就不适合租赁容器，而虚拟机则没有任何限制。

 现在有企业推出了云计算一体机（或称为箱式数据中心），做一个大箱子，里面封装了几台服务器、磁盘柜、计算机网络设备、UPS（不间断电源）、制冷设备等，并且安装了虚拟化软件和云管理工具。微软的云计算一体机采用水冷系统，冷水进去，热水出来，如图 5 所示。
 

 图 5  云计算一体机
 

 云计算一体机消耗的电能（3000W 以上）全部转化为热能被水带出，热水可以进一步利用，真正做到了节约能源，从而使云计算成为名副其实的绿色 IT。图 6 所示为华为的 FusionCube 一体机，不过里面没有制冷设备和 UPS，外表显得“傻大黑粗”。
 

 图 6  华为的 FusionCube 一体机
 

 电力使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是目前国际上通行的用于衡量云端和云计算一体机能源效率的指标，它等于总能耗与 IT 设备能耗的比值。比值越小，表明能源利用率越高，绿色程度越高。

 目前国外先进的数据中心机房 PUE 值通常小于 2，而我国的大多数数据中心的 PUE 值为 2～3。在云端，IT 设备主要指服务器、存储设备、网络设备，其他的诸如制冷设备、UPS、安防设备等属于非 IT 设备，其中制冷设备功耗几乎占到总功耗的一半。

 出租虚拟机属于 IaaS 云服务，IaaS 的另一种产品是出租裸机，即直接把硬件服务器出租出去，通过服务器上的远程管理卡可以把配置、安装操作系统、开关机等功能整合到租户自助网站上。

 最后，对主机虚拟化技术进行总结，如图 7 所示。
 

 图 7  主机虚拟化技术
 

 在图 7 中，“多用户”是实现远程桌面最轻量化的方案，即在操作系统里创建多个用户账号，然后让这些用户登录使用计算机。

 目前微软的远程桌面服务和 Linux 多用户运行级别都是实现“多用户”的方法。最近有不少公司在多用户的基础上进一步做轻量化处理，推出应用程序虚拟化（vAPP），如微软的 APP-V、思杰的 XenAPP、VMware 公司的 ThinAPP、Ceedo 公司的 Ceedoclient 等。

 应用程序虚拟化有一个好处，即使计算服务器按应用分工，比如使用一台服务器专门运行 Word 软件，第二台专门运行 Excel 软件，第三台专门运行 QQ，第四台运行 Photoshop，通过应用软件虚拟化技术把 Word、Excel、QQ、Photoshop 整合到用户的桌面上。

 使用户桌面环境与应用程序分离有如下几个好处：
 
1）可以根据应用程序来专门定制服务器硬件
 
不同的应用软件，对机器配置的侧重点不同，比如图形处理软件对显卡要求较高、QQ 对网络要求较高，根据应用软件定制的服务器运行效率自然会提高不少。
 
2）节约更多的资源
 
一台服务器只运行一个应用软件，但同时服务多个用户，可以节约硬盘资源、节约内存资源、节约 CPU 资源，具体原因可以参考操作系统原理和计算机体系结构方面的书籍。
 
3）提高生产效率
 
运行同一个程序，等于执行一份相同的软件代码，从而大大提高了各级缓存的命中率，也加快了进程的切换速度，提高了虚拟内存的换入、换出效率。

 图 7 中的物理机（也称为裸金属机）是最重型的方案。同一台计算机上租户数越多，表明相应方案越轻量化，反之则越重型化。在实际方案中，要根据租户的需求来确定轻重级别。

 目前一台虚拟机不能跨越多台物理机（只能在一台物理机上运行），这意味着虚拟机的运算能力不会超过一台物理机的运算能力，以后的技术能不能突破还很难下定论。目前通过集群联合多台物理机，对外呈现一致的寻址空间，对用户来说，似乎在使用一台超级计算机，但这是虚幻的，集群与虚拟化具有本质的不同。

 但是目前主流的主机虚拟化技术都支持过度分配资源，即分配给同一台物理机上的虚拟机的资源之和大于物理机本身的资源数。比如物理机的计算资源是内存 4GB、CPU 8 核、磁盘 100GB，在这台物理机上创建 5 台虚拟机，每台虚拟机分配资源如下：内存 1GB、CPU 2 核、磁盘 30GB，显然 5 台虚拟机资源之和是内存 5GB、CPU 10 核、磁盘 150GB，超过了物理机的资源总数。

 在虚拟机运行时，按其实际消耗的资源动态分配，但是不超过管理员给其分配的上限，一般计算机正常运行时资源耗费不会超过其总资源的 75%，这样过度分配资源就容易理解了。CPU 的过度分配率一般为 16 倍，内存的过度分配率一般为 1.5 倍。

 接下来我们再来看看网络虚拟化技术。网络虚拟化技术主要用来对物理网络资源进行抽象并池化，以便于分割或合并资源来满足共享的目的。人们很早就意识到了网络服务与硬件解耦的必要性，先后诞生了许多过渡的技术，其中最重要的 6 种分别是虚拟局域网络（VLAN）、虚拟专用网络（VPN）、主动可编程网络（APN）、叠加网络（Overlay Network）、软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV），如图 8 所示。
 

 图 8  网络虚拟化的发展历程
 

 APN 把控制信息封装到报文内部，路由器根据报文内的控制信息做决策。SDN 和 NFV 是目前最为热门的网络虚拟化技术，在云计算和大数据时代，其发展不可小视。

 网络虚拟化技术已经出现了 20 多年，但是发展却一直不温不火，原因是缺少一个杀手级的应用。云计算的出现对于网络虚拟化来说是一次千载难逢的机会，可以说，有了云计算，网络虚拟化才变得如此热门，如果没有网络虚拟化，就没有大规模的云计算。

 众所周知，一个计算机网络必须完成两件事：
 
把数据从 A 点传送到 B 点，主要包括接收、存储和转发数据。
控制如何传送。主要是各种路由控制协议。

 这跟交通网络很相似，连接两个城市的交通网络具备的第一个功能就是汽车从一个城市到达另一个城市；第二个功能是控制到底走哪条线路最好。前者就是由公路组成的交通网络，后者就是交通控制系统。

 下面我们再来看看传统的网络设备（比如一台路由器）的逻辑分层结构，如图 9 所示。
 

 图 9  路由器的逻辑分层
 

 传统的网络设备包含了完整的三层，由厂商统一捆绑销售，第三方很难修改里面的软硬件结构，由此对用户来说有以下几个明显的缺点：
 
容易被网络设备厂商绑定。
不能快捷满足业务的需求。
成本高。
无法实现网络虚拟化。
数据传送的路径很难保证全局最优。

 如今，SDN 是网络虚拟化技术当中最热门的技术。SDN 技术通过分离网络控制部分和封包传送部分来避免传统网络设备的缺点，处于数据通路上的网络设备蜕化为准硬件设备，网络中的所有网络设备的网络控制部分独立出来由一台服务器单独承担，示意图如图 10 所示。

 把网络控制部分从各个网络设备中独立出来，统一由 SDN 网络控制器承担，这样做的最大好处是数据传送的路径是全局最优的。

 SDN 网络控制器类似于 GPS 导航卫星，它存储了全局的网络拓扑图，俯视着整张网络，精确导航着每个数据包的流向。当某台网络设备收到一个数据包时，就会询问网络控制器：“这个包要往哪个口送出去？”SDN 网络控制器可能回答：“从 2 端口送出去。”

 为了加快转发速度，SDN 网络设备会存储答案，即属于同一个会话的数据包直接从之前的出口送走，类似于现实生活中完成同一个运输任务的车队，在每个交叉路口，GPS 卫星只导航第一辆车，后面的车跟着行驶即可。SDN 网络设备和网络控制器之间采用 Openflow 协议进行通信。
 

 图 10  SDN 原理图
 

 云端一般采用 Open vSwitch 交换机，它是一款开源的网络虚拟化产品，是二层交换机，性能可以与硬件交换机媲美。利用它可以在虚拟机的下面构筑虚拟网络层，通过实时修改 Open vSwitch 的配置，可以组建变化灵活的局域网，使得一台虚拟机能快速地从一个局域网迁移到另一个局域网中，这是物理交换机所无法实现的，如图 11 所示。
 

 图 11 迁移
 
不同物理机上的两台虚拟机之间的网络通路如图 12 所示。
 

 图 12  不同物理机上的两台虚拟机之间的网络通路

近两年，随着一些国际知名的虚拟化软件厂商在中国市场的大力开拓，虚拟化及云计算的概念越来越热，虚拟化软件市场大幅升温。同时也带动了一批国内的虚拟化软件企业迅速的发展起来，虚拟化技术从早期的企业应用，逐步过渡到公有云应用，应用范围越来越广泛。那么，在未来，虚拟化又会发生怎么样的变化呢？从整体的虚拟化技术应用及发展来看，以下几点可能会成为未来的发展趋势：
 
平台开放化——作为基础平台，封闭架构带来不兼容性，无法支持异构虚拟机系统，也难以支撑开放合作的产业链需求。随着云计算时代的来临，虚拟化管理平台逐步走向开放平台架构，多种厂家的虚拟机可以在开放的平台架构下共存，不同的应用厂商可以基于开放平台架构不断的丰富云应用。
 
公有云私有化——在公有云场景，政府/企业整体IT架构构建在公有云上，对于数据的安全性有非常高的要求，可以说，如果不能解决公有云的安全性，就难以推进企业IT架构向公有云模式的转变。在公有云场景，需要提供类似于VPN的技术，把企业的IT架构变成叠加在公有云上的“私有云”，这样既享受了公有云的服务便利性，又可以保证私有数据的安全性。
 
连接协议标准化——桌面虚拟化连接协议目前有VMware的PCoIP，Citrix的ICA，微软的RDP等，特别值得一提的是国内虚拟化软件公司——方物软件的FAP。多种连接协议在公有桌面云情况下，将带来终端兼容性的复杂化，终端将需要支持多种虚拟化客户端软件，对于嵌入式的云终端来说，限制了客户采购的选择性和替代性。未来桌面连接协议标准化之后，将解决终端和云平台之间的广泛兼容性，形成良性的产业链结构。
 
虚拟化客户端硬件化——当前的桌面虚拟化和应用虚拟化技术对于富媒体的客户体验和传统的PC终端相比还是有一定的差距的，主要原因是对于2D/3D/视频/Flash等富媒体缺少硬件辅助虚拟化支持。随着虚拟化技术越来越成熟及广泛应用，终端芯片将可能逐步加强对于虚拟化的支持，从而通过硬件辅助处理来提升富媒体的用户体验。特别是对于PAD、智能手机等移动终端设备，如果对虚拟化指令有较好的硬件辅助支持，将大大虚拟化技术在移动终端的落地。
 
云计算时代是开放、共赢的时代，作为云计算基础架构的虚拟化技术，将会不断的有新的技术变革，逐步的增强开放性、安全性、兼容性以及用户体验。
 　　人工智能、大数据、云计算和物联网的未来发展值得重视，均为前沿产业，有兴趣的朋友，可以查阅多智时代，在此为你推荐几篇优质好文：
 什么是云计算技术，对云计算技术的产生、概念、原理、应用和前景又在哪里？
 http://www.duozhishidai.com/article-527-1.html
 云计算服务模式，主要分为哪几种？
 http://www.duozhishidai.com/article-13377-1.html
 面对巨大的云计算人才需要，你准备好了么？
 http://www.duozhishidai.com/article-12312-1.html
 
 
多智时代-人工智能和大数据学习入门网站|人工智能、大数据、物联网、云计算的学习交流网站