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  • 虚拟化

    万次阅读 2019-06-01 16:29:52
    1.1.1 什么是虚拟化 在计算机中,虚拟化(英语: Virtualization)是一种资源管理技术,是将计算机的各种 实体资源,如服务器、网络、内存及存储等,...一般所指虚拟化资源包括计 算能力和资料存储。 在实际的生产...

    1.1.1 什么是虚拟化
    在计算机中,虚拟化(英语: Virtualization)是一种资源管理技术,是将计算机的各种
    实体资源,如服务器、网络、内存及存储等,予以抽象、转换后呈现出来,打破实体结构间
    的不可切割的障碍,使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的新虚
    拟部份是不受现有资源的架设方式,地域或物理组态所限制。一般所指的虚拟化资源包括计
    算能力和资料存储。
    在实际的生产环境中,虚拟化技术主要用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老的旧的
    硬件产能过低的重组重用,透明化底层物理硬件,从而最大化的利用物理硬件 对资源充
    分利用
    虚拟化技术种类很多,例如:软件虚拟化、硬件虚拟化、内存虚拟化、网络虚拟化(vip)、
    桌面虚拟化、服务虚拟化、虚拟机等等。
    1.1.2 虚拟化种类
    (1) 全虚拟化架构
    虚拟机的监视器( hypervisor)是类似于用户的应用程序运行在主机的 OS 之上,如
    VMware 的 workstation,这种虚拟化产品提供了虚拟的硬件。
    在这里插入图片描述

    ( 3) 硬件层虚拟化
    在这里插入图片描述

    硬件层的虚拟化具有高性能和隔离性,因为 hypervisor 直接在硬件上运行,有利于控制
    VM 的 OS 访问硬件资源,使用这种解决方案的产品有 VMware ESXi 和 Xen server
    Hypervisor 是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系
    统和应用共享一套基础物理硬件,因此也可以看作是虚拟环境中的“元”操作系统,它可以
    协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机,也叫虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor,
    VMM)。
    Hypervisor 是所有虚拟化技术的核心。当服务器启动并执行 Hypervisor 时,它会给每一
    台虚拟机分配适量的内存、 CPU、网络和磁盘,并加载所有虚拟机的客户操作系统。 宿主

    Hypervisor 是所有虚拟化技术的核心, 软硬件架构和管理更高效、更灵活,硬件的效能
    能够更好地发挥出来。常见的产品有: VMware、 KVM、 Xen 等等。 Openstack

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  • 虚拟化技术详解

    万次阅读 多人点赞 2018-07-14 17:10:52
    看到这篇文章的朋友,大部分应该都用过虚拟化软件,然后才会想知道虚拟化技术的。windows下的常用的虚拟化技术有VmWare,VirtualBox等等,那么这篇文章将会介绍这些技术基本的实现原理,并普及虚拟化相关的术语描述。 ...

    看到这篇文章的朋友,大部分应该都用过虚拟化软件,然后才会想知道虚拟化技术的。windows下的常用的虚拟化技术有VmWare,VirtualBox等等,那么这篇文章将会介绍这些技术基本的实现原理,并普及虚拟化相关的术语描述。

    目录

    虚拟化技术简介

    首先,什么是计算机?现在使用的计算机都离不开冯诺依曼体系结构,如图1所示,有输入设备、输出设备、存储器、cpu这就算是完整的计算机硬件环境了(当然还需要网卡、显卡等等)。虚拟化技术就是在一台机器上模拟出独立的cpu、存储器等使得同一台主机能虚拟为多台主机或者多台主机能虚拟为一台主机。本文只讨论第一种,让一台主机能够虚拟多台主机的环境。
    这里写图片描述
    图1 冯诺依曼体系结构

    现实生活中有各种各样的虚拟化技术,不同的虚拟化技术面对的应用场景也不一样。你可能用过VmVare或者VirtualBox来完成大学里面linux或者操作系统的学习,目的是为了在电脑上装上不同的操作系统。也有可能你是一名运维人员,你用过阿里云或者腾讯云,那么你作为租户,使用的其实是阿里云提供给你的一台虚拟机,阿里从大量的服务器集群中,分出了一定的cpu、内存等等资源给你,就成了一台完整的虚拟机。
    虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源,可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享,提高IT资源利用率,使IT资源能够真正成为社会基础设施,服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

    虚拟化分类

    在刘鹏的《云计算》书中,把虚拟化分为了两类,一类是建立在宿主机上的,也就是宿主机是有操作系统的,另一类是宿主机没有操作系统的,我们把前者称为寄居虚拟化,后者称为裸机虚拟化。

    寄居虚拟化

    寄居虚拟化如图2所示,最底层是物理硬件,物理硬件之上是主机的操作系统,操作系统之上是VMM(virtual machine monitor,虚拟机管理层),再往上就是客户的虚拟户了。
    这里写图片描述
    图2 寄居虚拟化

    在这种技术里面,虚拟机对各种物理设备(cpu、内存、硬盘等)的调用,都是通过VMM层和宿主机的操作系统一起协调才完成的。VMvare和VirtualBox都是基于这种方式实现的。

    裸机虚拟化

    裸机虚拟化指的是,直接将VMM安装在硬件设备与物理硬件之间,如图3所示。VMM在这种模式下又叫做Hypervisor,虚拟机有指令要执行时,Hypervisor会接管该指令,模拟相应的操作。
    这里写图片描述
    图3 裸机虚拟化

    Hypervisor是一种在虚拟环境中的“元”操作系统。他们可以访问服务器上包括磁盘和内存在内的所有物理设备。Hypervisor不但协调着这些硬件资源的访问,也同时在各个虚拟机之间施加防护。当服务器启动并执行Hypervisor时,它会加载所有虚拟机客户端的操作系统同时会分配给每一台虚拟机适量的内存,CPU,网络和磁盘。

    如果要进行虚拟化,必须要给虚拟机一个假的独立的环境,让他误以为自己处在一个独立的环境当中,于是就需要模拟cpu、内存、硬盘、网络等资源,模拟一个独立完整的硬件环境。

    cpu虚拟化

    cpu虚拟化指的就是把物理的cpu虚拟为多个虚拟cpu,从而实现一个cpu能被多台虚拟机共用,但是却相互隔离的场景。cpu的运转是以时间为单位的,cpu虚拟化要解决的问题主要是隔离和调度问题,隔离指的是让不同的虚拟机之间能够相互独立的执行命令,调度指的是VMM决定cpu当前在哪台虚拟机上执行。
    由于x86体系设计的cpu在虚拟化上具有一定的缺陷,所以我们有两种方法来实现cpu的虚拟化。其一是采用完全虚拟化的方式,利用动态指令转换或者硬件辅助来帮助实现cpu的虚拟化;其二是采用半虚拟化得方式,在客户的操作系统内核上进行一定的更改使得操作系统自己明白自己是虚拟机的角色,能够在VMM的管理下尽可能的访问硬件。
    如果某些同学对于cpu虚拟化想要有更加深入的了解,可以看一下这些博客:

    内存虚拟化

    内存提出的原因

    首先,内存存在的原因是cpu运转速度极快,超过了磁盘的读取速度,如果cpu直接读取硬盘的话,大部分的时间cpu都在等待。同时,程序访问又拥有局部性原理(80%的访问都在访问数据中20%的数据),于是乎就有牛人想到能不能用一小块儿读取速率快的存储设备来存放经常被读取的数据,这样cpu处理数据的速度就能和存储器读取设备的速度相匹配。系统性能达到最大化。

    虚拟内存

    虚拟内存是计算机OS经常要讲到的一块儿内容,为什么需要虚拟内存呢?,建议花几分钟时间读下面这篇博客,来帮助你理解我要说的内容。
    内存的发展
    通过上面这篇文章,你应该已经了解到一个内容,假设我们设定的虚拟内存是4G,虚拟内存就是给系统当中的每一个进程分配4G的虚拟地址,这样每个进程都感觉自己是独立的使用一块儿内存,具有良好的隔离性,同时,每个进程都是从0的虚拟地址开始的,这样就更有助于管理进程。但程序要运行,必须要运行在真实的内存上,所以会建立一种映射机制来帮助实现虚拟地址到物理地址之间的映射。
    通过虚拟内存的方式实现了进程之间的地址隔离。

    内存的虚拟化

    内存的虚拟化指的是把物理内存包装成若干虚拟内存来使用,把物理内存抽象出来,给每一台虚拟机都分配一个连续的内存空间。其具体的实现,可以参照下面的博文。
    内存虚拟化的实现

    硬盘虚拟化

    硬盘虚拟化相对简单一些,拿VMvare来举例,在VMvare当中,会使用物理硬盘上的一个文件来当做虚拟机当中的一个硬盘,如图4所示,虚拟机通过调用相关进程(如VMvare进程)访问相关的宿主机的文件系统,再通过文件系统调用windows内核,再调用驱动,然后在磁盘上进行读写。
    这里写图片描述
    图4 虚拟硬盘读写流程

    网络虚拟化

    网络虚拟化是让一个物理网络能够支持多个逻辑网络,虚拟化保留了网络设计中原有的层次结构、数据通道和所能提供的服务,使得最终用户的体验和独享物理网络一样,同时网络虚拟化技术还可以高效的利用网络资源如空间、能源、设备容量等。
    网络虚拟化的目的,是要节省物理主机的网卡设备资源。从资源这个角度去理解,可能会比较好理解一点。
    详情请参见这篇文章:网络虚拟化

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  • VMware虚拟化- 虚拟化与VMware的基础介绍

    万次阅读 多人点赞 2019-01-15 11:57:04
    1 什么是虚拟化 1.1 虚拟化概念 通俗的理解:如果你问“什么是虚拟化”,我想大部分人的回答都会是“就是在一个操作系统中运行另一个操作系统”。虽然这个答案也没错,但这并不是真正“虚拟化”的意义,只能说是...

    1 什么是虚拟化

    1.1 虚拟化概念

           通俗的理解:如果你问“什么是虚拟化”,我想大部分人的回答都会是“就是在一个操作系统中运行另一个操作系统”。虽然这个答案也没错,但这并不是真正“虚拟化”的意义,只能说是虚拟化在硬件和操作系统之间的一个实践。

          事实上,这些不同的层级之间与当前的架构是紧紧依赖的。没有软件的话,服务就无法提供给用户;没有Framework,软件就无法运行;没有操作系统的话,就无法安装各式各样的软件和 Framework;没有硬件当然就什么都没有了。为了避免层次之间的紧密依赖性,在 1960 年代,就有人引入虚拟化的概念,做法很简单,就是将上一层对下一层的依赖撤销;换句话说,就是将本层的依赖从底层中抽离出来。因此我们定义“虚拟化”的正规说法,可以为“虚拟化,就是不断抽离依赖的过程”。注:此处所讨论的虚拟化均指服务器虚拟化。

    1.2 虚拟化的分类

    1)根据虚拟化架构分为:

           寄居架构:就是首先需要在硬件上安装操作系统,然后再操作系统上安装虚拟化工具,如 VMware Workstation、微软 Windows Virtual PC,然后利用这些平台安装客户机

           原生架构:就是直接在硬件上安装虚拟化管理工具,如 VMware vSphere 、 CitrixXenServer/XenDesktop 。

    2)根据虚拟化的程度分为:

           完全虚拟化(full virtualization),指的是虚拟机不知道自己是虚拟机,也就是通过查看自己的硬件设备信息发现与物理机的设备信息

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  • 本文属于SQL Server虚拟化系列前言: 现代系统中,虚拟化越来越普遍,如果缺乏对虚拟化工作原理的理解,那么DBA在解决性能问题比如降低资源争用、提高备份还原速度等操作时就会出现盲点。所以基于本人工作环境的情况...

    本文属于SQL Server虚拟化系列

    前言:

    现代系统中,虚拟化越来越普遍,如果缺乏对虚拟化工作原理的理解,那么DBA在解决性能问题比如降低资源争用、提高备份还原速度等操作时就会出现盲点。所以基于本人工作环境的情况和大时代的趋势,同时根据个人经验,绝大部分的IT人员都对虚拟化持有怀疑或者保留意见的态度。所以这里开始一个系列文章,介绍SQL Server虚拟化的内容,内容来自 Stairway to Server Virtualizaion ,如后续有更新或者本人有其他内容,也会添加进去。
    目前本系列包含以下小节,第一节即本文:
    1. SQL Server 虚拟化(1)——虚拟化简介
    2. SQL Server 虚拟化(2)——理想的SQL Server虚拟机架构
    3. SQL Server 虚拟化(3)——在Vmware上搭建SQL Server
    4. SQL Server 虚拟化(4)——在Hyper-V上搭建SQL Server

    下面开始第一节,虚拟化简介 http://www.sqlservercentral.com/articles/Stairway+Series/112555/

    简介:

    虚拟化在很长的一段事件里面,是企业数据中心化过程中最具破坏性又非常有益的技术之一。通过虚拟化技术,企业巩固了它们的服务器基础架构,并在过去的十多年中,为数据中心节省了大量的资金,虚拟化已经无处不在。
    如果此时此刻还没有虚拟化你的SQL Server,那么对于你的企业来说,这只是时间上的问题。不行的是,从经验来看,很多企业的管理规范中,虚拟层只对基础设施管理员可见,而DBA几乎被完全隔离,对虚拟化平台一无所知。所以,DBA往往会犹豫是否适合把关键服务器放在这个新平台上面。
    即使服务器进行了虚拟化,通常来说,DBA也没有被包含在虚拟化过程中,所以也导致了DBA对这个新加入的层了解甚少。就像一个“黑盒”,充满了未知和风险。
    如果缺乏对虚拟化工作原理的了解,DBA在尝试解决很多问题,如性能问题(比如降低资源争用、提升备份还原性能)时,就会出现盲点。他们通常不会意识到,可以通过调整虚拟化层中内置的一些特性和功能,就可以解决一些如不稳定的备份策略或者长时间运行的任务这类问题。
    本节首先介绍虚拟化是什么,为什么需要理解它的概念,为什么作为DBA需要参与在其中,和如何在虚拟基础设施中运行你的关键SQL Server任务。在后续的文章中,会覆盖关键的虚拟化特定的提示和技巧从而最大化虚拟化平台的SQL Server效率和灵活性。


    从物理化到虚拟化:

    为了对比虚拟化,首先需要先了解其对应的一方——物理化,下面是传统的服务器基础设施示意图:


    在传统服务器基础设施中,每个SQL Server都需要进行下面操作:

    1. 采购和部署一台物理服务器。
    2. 配置本地或类似SAN存储等。
    3. 安装和配置操作系统。
    4. 安装和配置SQL Server。
    5. 部署数据库,然后配置应用程序访问。
    此时,服务器的物理资源是固定且有限的。而且需要分配比预期资源消耗对象所产生的预期负载还要多的CPU、I/O、内存资源。因此,对于服务器运行过程中的大部分时间而言,资源往往没有被充分利用(上图中百分比) 。
    因此,虚拟化应运而生,从功能上来说,虚拟化是一个建立在硬件智商的,允许在同一个物理服务器上运行多个独立操作系统的新的层。虽然他们实际上还是共享物理服务器上的可用物理资源,但是他们都是完全独立,互不感知地在同一台物理服务器上运行。


    多个独立的操作系统(也就是虚拟机)可以独立地、同时地运行在同一个物理服务器上,并且每个操作系统不再依赖于特定的物理机器。虚拟层使用队列,让每个虚拟机及其内部应用可以申请相同的计算资源,如CPU或内存。通过合适的队列申请,使得资源请求可以合理地被物理机响应。
    最后,虚拟化可以把一台或多台物理服务器组成一个总的计算资源池,同样可以使用队列,让虚拟机和上面的应用访问这个资源池。配置完成后,管理员可以通过创建虚拟服务器切分和分配资源,每个虚拟服务器分配独有的资源。



    虚拟化技术:

    系统管理员都倾向于使用相同的基础设施专用术语来引用栈的不同部分。如下图:


    • Hypervisor:安装和配置在每台物理机器上的虚拟化层。用于处理虚拟机资源请求队列和实现物理机上的资源交付。
    • Host:指在集群或者由一群主机按照相同规则组成的一组机器组内的一台物理机器。
    • Independent Management System:用于控制host群组中的操作和规则,监控所有基础设施中的组件中断、环境自动化协同情况,并且为管理员提供一个集中的管理环境。
    • Guest:在虚拟化“集群”中的一台虚拟机,可以位于物理机(host)集群中的任何一台之上。但是某一时刻仅能位于一台host之上,所以虚拟机的规模会受限于单台host的可用资源情况。
    • Interconnects:通过不同的网络和存储连接方式把host连在一起。并且共享存储组件。

    市面上主流的虚拟化管理程序有:


    从概念层面而言,他们的功能一样:允许多台虚拟机,有各自的操作系统,独立、协同地运行在相同的物理服务器,并且共享一台或多台物理服务器的计算资源。但是不同的厂商对软件有不同的实现方式,所以他们也有自己的特点,但是都是大同小异。因为这个系列关注在SQL Server的虚拟化,所以我们把精力放在架构、性能和特定管理细节上。


    虚拟化如何帮助DBA?

    我们经常听说要从企业的观点去看问题:节省资金、能源、时间等等。但是到底虚拟化对DBA有什么好处?如果使用合理,那么虚拟化平台可以在DBA的工作生涯的几乎所有地方都能起效。

    降低成本:

    SQL Server的许可证成本相对于很多DBMS而言非常可观(当然跟Oracle没得比),但是如果被恰当地与虚拟化许可模式搭配,可以降低一定的成本。

    独立整合:

    通常来说,当DBA考虑整合的时候,头痛的是多个实例合并到一个实例,或者多个应用程序的数据库合并到一个实例的过程所带来的麻烦和挑战。通过虚拟化,可以通过改进资源消耗来合并,使得多个虚拟机可以在一个host上协同存在。从而不需要合并实例或者应用。从另外一个方向来看,在资源消耗观点中,多个操作系统的开销可以忽略不急,所以如果许可证允许,分离实例成为多个独立的宿主机更加可取。


    高可用:

    虚拟层可以直接和间接地加入到SQL Server的高可用和风险最小化策略(risk minimization strategy)中。如果没有虚拟化,创建高可用的SQL Server环境需要很多复杂的技术。某些情况下,虚拟机的虚拟化高可用性保护可以用一个非常简单而且透明的HA解决方案来替换一个复杂的高可用方案。

    比如,在VMware高可用方案中,提供了针对硬件计划外停机的一个复选框,提供了一旦物理机器故障,可以在4分钟内恢复的功能。


    即使在一个严格的以虚拟机为中心的HA方案中配置不合理,虚拟机层面的高可用也能对传统SQL Server服务器的稳定性做补充,从而减少因为物理组件故障导致的严重事件。


    灾难恢复:

    虚拟化后的SQL Server在灾难恢复方面表现得更加好。通常情况下,在灾难恢复站点的SQL Server应该和源服务器几乎完全一样,否则在故障转移过程中可能会出现资源不足以应对压力的情况从而导致异常或转移失败。在物理环境下,进行灾难恢复测试是不可省略的。而在虚拟化的SQL Server环境中,虚拟机不在依赖于物理服务器的细微差别和不同的复杂度。可以在不对特定设备依赖的情况下恢复和提升服务器到活动状态。虚拟化技术可以用来简化、补充甚至替代传统SQL Server灾难恢复技术。


    敏捷性和灵活性:

    由于消除了对硬件的依赖,使得系统的变化变得相对容易。只要集群中的单个主机能够容纳你的虚拟机,就可以动态调整CPU、内存、网络和硬盘配置。如果虚拟机超过了主机限制,可以购买更高配置的主机,把虚拟机迁移到新的主机上,这个过程可以不影响正在运行的业务。这个过程同样适用于硬件升级。添加新的主机到集群,讲虚拟机迁移到新的设备,然后停止使用旧的硬件。


    标准化:

    在你的环境中,由多少台服务器组成?其模型如何?BIOS和驱动程序的版本?硬盘配置?文件存放位置如何?通过合适的设计虚拟基础设施,并使用预配置的标准的SQL Server虚拟机模版用于部署。这样你的SQL Server环境就成为一个标准化环境并可以文档化。同时节省了时间。




    组织壁垒和优先事项的差异:

    虚拟化是一个相对漫长而艰巨的过程,最初,虚拟化用于快速和大规模整合中。早期的虚拟化管理程序整体性能开销远高于现在,使得性能影响非常明显。但是由于早期的虚拟化用于简单的预生产环境负载中,所以性能问题并不非常重要。
    随着时间的发展。管理程序持续改进,变得越来越高效,可以支持大型的虚拟机。更多的生产环境被虚拟化。可以说 ,这些平台已经做好了应付整个地球上的生产环境。
    但是,不要忘记虚拟化的原始目的——大规模整合。虚拟化管理员被迫尽可能多地把虚拟机挤进他们的环境。整合过程第一个考虑因素——性能。回到现在,在大量环境中,这个问题依旧存在。
    现在,DBA有了不同的任务,普通的DBA以数据可用为开始,然后数据一致性,然后性能。前两个和虚拟化管理的目标相同。但是两边的核心冲突——性能和整合依旧存在。回顾一下开始的时候说过,虚拟化真的只有资源和资源队列吗?当你的环境中,越多的资源请求,那么资源争用就越明显。物理服务器的资源争用意味着虚拟机的性能损耗。越多的资源争用,越多的性能损耗。
    性能和整合之间的冲突是大多数SQL Server虚拟化过程中的主要问题。SQL Server虚拟化由于虚拟机管理员的不合理创建和管理,导致SQL Server虚拟化的名声不好。虚拟机管理员并不精通应用程序在虚拟化中的细微差别,也不知道他们应该知道些什么内容。但是,他们的最佳实践,通常目标是为了使得环境能适应绝大部分的工作负载。但是这个经常又给DBA带来麻烦。SQL Server是一个延时敏感的应用程序,文件服务器的1~2%性能影响,在大型SQL Server中可能被放大到25%甚至更大的层面。你作为DBA,为了表达这个现象,熟悉虚拟化环境是跟虚拟机管理正常沟通问题的关键。
    最简单地表达影响的方式是从概念上理解栈,并且使用对象信息来演示由于基础设施底层问题所带来的性能影响。这些客观的度量标准可能会打破任何进行了虚拟化的应用程序,如果你准备为整个生产系统进行虚拟化,那么对于关键的SQL Server的可用性和性能会对你带来更少的麻烦。

    SQL Server虚拟化监控:

    监控、收集和对关键性能度量指标进行趋势分析可以帮助DBA跟踪和分析虚拟化前后的性能趋势。试想如果不能客观地证明你的系统在执行虚拟化后性能出现异常,那么如何反馈问题呢?所以简历持续的性能统计收集、分析和基础设施可用性的过程能最大化效率,这在虚拟环境中是关键点。

    持续性能收集:

    持续地对Windows Server和SQL Server进行性能度量收集是非常关键的。幸运的是,这个配置和维护相对简单。如果你有类似System Center或者其他收集器,那么确保你的全部关键计数器已经被添加。如果没有,可以使用Windows性能计数器。使其不影响Windows和SQL Server运行前提下进行24*7的收集。这部分可以参考作者的博客里面的文章: Ongoing Windows Perfmon Collection Setup

    基准和基线:

    除了系统性能计数器之外,也应该从SQL Server环境中收集性能重要对象的性能统计信息。包括一些可以衡量性能的对象:长时间运行的查询、备份事件、ETL事件等。
    收集的信息应该可以重复执行、结果必须可保存,以便用于趋势分析。


    了解虚拟化层:

    当你开始虚拟化环境之后。企业虚拟化背后的管理系统从主机、访客机和基础架构下的主机收集如CPU性能、存储消耗和资源队列等待事件等关键指标。至少你需要有对这些你管理的系统有只读访问权。能对这些信息的访问才能快速地分析这些度量标准,定位性能问题。


    总结:

    本节介绍了SQL Server虚拟化的一些基础、关键的特性及虚拟化过程中的难点。后续章节会对这些部分进行深入介绍。


    下一节:
    SQL Server 虚拟化(2)——理想的SQL Server虚拟机架构










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一般所指的虚拟化资源包括