基于虛擬化技術(shù)的云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)研究

　　隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用的深入，網(wǎng)絡(luò)已聚合了各種計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源、軟件資源以及服務(wù)資源等，但存在總量豐富但資源利用率低的矛盾。網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、充分利用閑散資源成了最初的解決方案一網(wǎng)格計(jì)算grid computing。網(wǎng)格計(jì)算通過(guò)整合網(wǎng)絡(luò)中的大量閑散資源，在動(dòng)態(tài)的、自治環(huán)境中協(xié)調(diào)資源共享，解決大規(guī)模的具有挑戰(zhàn)性問(wèn)題。但網(wǎng)格計(jì)算自身遇到了難以突破的瓶頸，使商業(yè)應(yīng)用受到了極大的限制。近年來(lái)，隨著商業(yè)的推崇，網(wǎng)格計(jì)算演變成了今天的云計(jì)算cloud computing，面臨如何提高數(shù)據(jù)中心資源的利用率，滿足用戶提交任務(wù)的信任需求，同時(shí)研究數(shù)據(jù)中心提供的服務(wù)和服務(wù)方式等問(wèn)題閣。這些問(wèn)題更接近商業(yè)化，也更容易實(shí)現(xiàn)。其中存在如何有效地提高云計(jì)算系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，本文提出了基于虛擬化的云計(jì)算平臺(tái)，研究了其平臺(tái)的核心部分，即服務(wù)器云。虛擬化技術(shù)解決并保證了云計(jì)算平臺(tái)的高性能與高可用性，使云計(jì)算平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中資源最大化、利潤(rùn)最大化，同時(shí)也推動(dòng)了虛擬化技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展。

　　1.虛擬化技術(shù)研究

　　虛擬化技術(shù)就是指把一個(gè)物理單元虛擬成多個(gè)邏輯單元，供多個(gè)應(yīng)用一起使用。這樣做的主要目的是為了提高資源的使用效率并方便管理各種資源。目前云計(jì)算模式的提出，無(wú)論是私有云，公有云，還是混合云，都需要資源的整合，統(tǒng)一資源為客戶提供服務(wù)，這就要求系統(tǒng)資源具有高性能的處理能力。目前單個(gè)昂貴的服務(wù)器的處理能力僅使用到20%，造成了資源的浪費(fèi)，虛擬化技術(shù)解決了上述問(wèn)題，使服務(wù)器處理能力得到了充分的利用。

　　虛擬化技術(shù)包括內(nèi)存虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、硬件虛擬化、軟件虛擬化等各項(xiàng)技術(shù)。本文著重研究了服務(wù)器虛擬化，服務(wù)器虛擬化將系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上，將一個(gè)服務(wù)器虛擬成若干個(gè)服務(wù)器使用。在采用服務(wù)器虛擬化之前。3種不同的應(yīng)用分別運(yùn)行在3個(gè)獨(dú)立的物理服務(wù)器上;在采用服務(wù)器虛擬化之后，這3種應(yīng)用運(yùn)行在3個(gè)獨(dú)立的虛擬服務(wù)器上。而這3個(gè)虛擬服務(wù)器可以被一個(gè)物理服務(wù)托管。從圖中我們可以看出服務(wù)器虛擬化抽象了硬件資源。包括虛擬BIOS、虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬設(shè)備和虛擬IO。虛擬服務(wù)器提供了良好的隔離性和安全性。

　　通過(guò)研究分析，我們知道，服務(wù)器虛擬化必備的是對(duì)硬件資源的虛擬化。硬件資源包括CPU、內(nèi)存、IO口。這些硬件資源的虛擬化是服務(wù)器虛擬化的核心和關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前主流的服務(wù)器虛擬化技術(shù)包括兩種，即全虛擬化和半虛擬化。研究表明，虛擬化的特性為云計(jì)算平臺(tái)抽象了硬件資源，這樣對(duì)于基于SOA的云服務(wù)平臺(tái)來(lái)說(shuō)是透明的，是可擴(kuò)展的，為云計(jì)算平臺(tái)的彈性設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的利處。針對(duì)虛擬化的全虛擬化來(lái)說(shuō)，采用的技術(shù)為二進(jìn)制代碼Dynamic Binary Translation，DBT指在虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)。在敏感指令前插入指令將執(zhí)行陷入到虛擬機(jī)監(jiān)視器中，其優(yōu)點(diǎn)在于代碼的轉(zhuǎn)換是動(dòng)態(tài)的。與全虛擬化不同的半虛擬化通過(guò)修改客戶操作系統(tǒng)來(lái)解決虛擬機(jī)執(zhí)行特權(quán)指令的問(wèn)題。在本虛擬化中存在客戶機(jī)操作系統(tǒng)必須和虛擬化平臺(tái)兼容，否則虛擬機(jī)無(wú)法有效地操縱宿主機(jī)，因此，本文提出的基于虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的構(gòu)建方案是基于全虛擬化的KVM。基于Redhat的虛擬化技術(shù)還具有在線遷移、快速部署等服務(wù)器管理功能。為云計(jì)算平臺(tái)提供了穩(wěn)健可靠的基礎(chǔ)資源架構(gòu)。

　　2.服務(wù)器云的構(gòu)建

　　服務(wù)器云是云計(jì)算平臺(tái)的最核心部分，所有云計(jì)算平臺(tái)中的功能及子系統(tǒng)都依賴于服務(wù)器云來(lái)實(shí)現(xiàn)。它既包括硬件服務(wù)器和底層操作系統(tǒng)部分，又包括云計(jì)算平臺(tái)中的虛擬機(jī)超級(jí)監(jiān)督器功能，是運(yùn)行虛擬系統(tǒng)，功能服務(wù)器系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)平臺(tái)。計(jì)算模式從大型機(jī)的方式逐漸過(guò)渡到微型個(gè)人計(jì)算機(jī)的方式，并且近年來(lái)過(guò)渡到普適計(jì)算上。但用戶仍然很難獲得異構(gòu)類型的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，在輕量級(jí)的設(shè)備上很難獲得完善的服務(wù)。本文研究的基于虛擬化的在云計(jì)算模式中，用戶無(wú)須感知計(jì)算具體所在位置，以及操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用等技術(shù)細(xì)節(jié)。虛擬化技術(shù)使底層差異封裝為應(yīng)用的統(tǒng)一接口，用戶由同一接口只需要根據(jù)自己的需求，通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)選取相應(yīng)的服務(wù)。

　　3.云計(jì)算模式的特性研究

　　云計(jì)算與分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算相比具有自身的優(yōu)勢(shì)。首先。云具有超大規(guī)模。例如，目前的Google云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，Amazon，IBM，微軟、Yahoo等的“云”計(jì)算平臺(tái)均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。超規(guī)模的基礎(chǔ)硬件為云計(jì)算賦予了前所未有的計(jì)算能力;其次，云具有擴(kuò)展性。云計(jì)算可將復(fù)雜的工作負(fù)載分解成小塊的工作，并將工作分配到可逐漸擴(kuò)展的云計(jì)算中心。而需要增加的管理費(fèi)用幾乎為零。云計(jì)算的擴(kuò)展性主要體現(xiàn)在計(jì)算資源、存儲(chǔ)能力和負(fù)載均衡，虛擬化技術(shù)的自身優(yōu)點(diǎn)滿足了云計(jì)算的擴(kuò)展，并提供了計(jì)算平臺(tái)的7x24無(wú)故障全13程服務(wù)。同時(shí)云計(jì)算又具有規(guī)模的動(dòng)態(tài)伸縮，以滿足用戶不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用和需求。與網(wǎng)絡(luò)、分布式計(jì)算相比更具有商業(yè)性和應(yīng)用性。

　　云計(jì)算不僅在處理計(jì)算能力上具有前所未有的優(yōu)越性。而且在管理上也具有自動(dòng)性?！霸啤庇?jì)算平臺(tái)要求具有自動(dòng)化管理功能，用戶可以通過(guò)用戶接口，自己申請(qǐng)計(jì)算資源和應(yīng)用，按自己的需要建立自己的資源環(huán)境，而整個(gè)過(guò)程是不需云平臺(tái)管理員的干預(yù)，云計(jì)算平臺(tái)只需自動(dòng)記錄用戶使用資源的大小和時(shí)間。云計(jì)算模式基于SOA的架構(gòu)。動(dòng)態(tài)地分配和部署共享的計(jì)算資源。同時(shí)云計(jì)算具有靈活性、高可用性、動(dòng)態(tài)資源監(jiān)控以及虛擬性。云計(jì)算平臺(tái)可以支持各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用類型，在物理層面上，包括的硬件可以為PCServer、普通的PC機(jī)、小型機(jī)等各類硬件資源?；谔摂M化的云計(jì)算平臺(tái)為企業(yè)的資源重構(gòu)帶來(lái)了便利。使其能短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)向云計(jì)算平臺(tái)，降低了基礎(chǔ)架構(gòu)的重建成本，縮短了為企業(yè)轉(zhuǎn)型的時(shí)間。

　　云計(jì)算的這些特性在客觀上需要高性能的服務(wù)器來(lái)支撐，無(wú)論是科研，還是商業(yè)應(yīng)用，對(duì)于中小規(guī)模的企業(yè)和用戶計(jì)算來(lái)說(shuō)，購(gòu)買高性能服務(wù)器來(lái)說(shuō)都是一筆昂貴的費(fèi)用。而基于虛擬化技術(shù)的云計(jì)算解決了目前存在的問(wèn)題。并且保證云計(jì)算平臺(tái)的高可用和高可靠等特性，使其更好的服務(wù)于客戶。

　　4.平臺(tái)總體架構(gòu)研究

　　項(xiàng)目研究的服務(wù)器云主要由硬件服務(wù)器HP，IBM 3650和Red Hat Enterprise Linux Server操作系統(tǒng)和Virtualization HypervisorKVM組成。通過(guò)Red Hat云計(jì)算平臺(tái)管理軟件。實(shí)現(xiàn)所有服務(wù)器整合為一個(gè)統(tǒng)一的云計(jì)算服務(wù)器平臺(tái)，抽象出統(tǒng)一的硬件資源，包括CPU資源池、memory資源池、network資源池和storage資源池，任意云都可以按需在統(tǒng)一資源池中獲得硬件資源并運(yùn)行。

　　5.結(jié)論

　　云計(jì)算具有廣闊的發(fā)展前景，相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)也在迅速發(fā)展，目前，云計(jì)算發(fā)展多數(shù)沿著Google、亞馬遜等主流發(fā)展。本文研究的基于虛擬化的云計(jì)算平臺(tái)是基于redhat軟件的虛擬化平臺(tái)。為中小企業(yè)快速構(gòu)建云計(jì)算提供了解決方案。其平臺(tái)具有一定的優(yōu)越性。使虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)在云計(jì)算平臺(tái)中充分發(fā)揮。云計(jì)算是一種新型計(jì)算模式，是對(duì)面向市場(chǎng)的資源管理方式的支持嘲。當(dāng)然，目前云計(jì)算還存在一定問(wèn)題，當(dāng)前的云計(jì)算系統(tǒng)的能耗過(guò)大，因此，減少能耗，提高能源的使用效率，建造高效的冷卻系統(tǒng)是當(dāng)前面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。例如，谷歌的數(shù)據(jù)中心的能耗相當(dāng)于一個(gè)小型城市的總能耗。因?yàn)椋^(guò)大的能耗使得數(shù)據(jù)中心內(nèi)發(fā)熱量劇增，要保證云計(jì)算系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須使用高效的冷卻系統(tǒng)來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)中心在可接受的溫度范圍內(nèi)?；诒疚牡奶摂M化技術(shù)，可以使耗能節(jié)儉原來(lái)的80%左右。另外，需要對(duì)云計(jì)算的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并制定交互協(xié)議。這樣可以支持不同云計(jì)算服務(wù)提供者之間進(jìn)行交互，相互合作，提供更加強(qiáng)大和更好的服務(wù)。此外，需要開發(fā)出更易用的編程環(huán)境和編程工具，這樣可以更加方便地創(chuàng)建云計(jì)算應(yīng)用，拓展應(yīng)用領(lǐng)域?？偠灾m然云計(jì)算還有很多問(wèn)題需要解決，但是云計(jì)算將得到更快、更深入的發(fā)展。

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