基于虛擬化技術的云計算平臺架構研究

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

　　1.虛擬化技術研究

　　虛擬化技術就是指把一個物理單元虛擬成多個邏輯單元，供多個應用一起使用。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。目前云計算模式的提出，無論是私有云，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，這就要求系統(tǒng)資源具有高性能的處理能力。目前單個昂貴的服務器的處理能力僅使用到20%，造成了資源的浪費，虛擬化技術解決了上述問題，使服務器處理能力得到了充分的利用。

　　虛擬化技術包括內存虛擬化、存儲虛擬化、硬件虛擬化、軟件虛擬化等各項技術。本文著重研究了服務器虛擬化，服務器虛擬化將系統(tǒng)虛擬化技術應用于服務器上，將一個服務器虛擬成若干個服務器使用。在采用服務器虛擬化之前。3種不同的應用分別運行在3個獨立的物理服務器上;在采用服務器虛擬化之后，這3種應用運行在3個獨立的虛擬服務器上。而這3個虛擬服務器可以被一個物理服務托管。從圖中我們可以看出服務器虛擬化抽象了硬件資源。包括虛擬BIOS、虛擬CPU、虛擬內存、虛擬設備和虛擬IO。虛擬服務器提供了良好的隔離性和安全性。

　　通過研究分析，我們知道，服務器虛擬化必備的是對硬件資源的虛擬化。硬件資源包括CPU、內存、IO口。這些硬件資源的虛擬化是服務器虛擬化的核心和關鍵技術。

　　目前主流的服務器虛擬化技術包括兩種，即全虛擬化和半虛擬化。研究表明，虛擬化的特性為云計算平臺抽象了硬件資源，這樣對于基于SOA的云服務平臺來說是透明的，是可擴展的，為云計算平臺的彈性設計帶來了極大的利處。針對虛擬化的全虛擬化來說，采用的技術為二進制代碼Dynamic Binary Translation，DBT指在虛擬機運行時。在敏感指令前插入指令將執(zhí)行陷入到虛擬機監(jiān)視器中，其優(yōu)點在于代碼的轉換是動態(tài)的。與全虛擬化不同的半虛擬化通過修改客戶操作系統(tǒng)來解決虛擬機執(zhí)行特權指令的問題。在本虛擬化中存在客戶機操作系統(tǒng)必須和虛擬化平臺兼容，否則虛擬機無法有效地操縱宿主機，因此，本文提出的基于虛擬化云計算平臺的構建方案是基于全虛擬化的KVM?；赗edhat的虛擬化技術還具有在線遷移、快速部署等服務器管理功能。為云計算平臺提供了穩(wěn)健可靠的基礎資源架構。

　　2.服務器云的構建

　　服務器云是云計算平臺的最核心部分，所有云計算平臺中的功能及子系統(tǒng)都依賴于服務器云來實現(xiàn)。它既包括硬件服務器和底層操作系統(tǒng)部分，又包括云計算平臺中的虛擬機超級監(jiān)督器功能，是運行虛擬系統(tǒng)，功能服務器系統(tǒng)的底層基礎平臺。計算模式從大型機的方式逐漸過渡到微型個人計算機的方式，并且近年來過渡到普適計算上。但用戶仍然很難獲得異構類型的操作系統(tǒng)以及應用程序，在輕量級的設備上很難獲得完善的服務。本文研究的基于虛擬化的在云計算模式中，用戶無須感知計算具體所在位置，以及操作系統(tǒng)、中間件、應用等技術細節(jié)。虛擬化技術使底層差異封裝為應用的統(tǒng)一接口，用戶由同一接口只需要根據(jù)自己的需求，通過云計算平臺選取相應的服務。

　　3.云計算模式的特性研究

　　云計算與分布式計算、網(wǎng)絡計算相比具有自身的優(yōu)勢。首先。云具有超大規(guī)模。例如，目前的Google云計算已經(jīng)擁有100多萬臺服務器，Amazon，IBM，微軟、Yahoo等的“云”計算平臺均擁有幾十萬臺服務器。超規(guī)模的基礎硬件為云計算賦予了前所未有的計算能力;其次，云具有擴展性。云計算可將復雜的工作負載分解成小塊的工作，并將工作分配到可逐漸擴展的云計算中心。而需要增加的管理費用幾乎為零。云計算的擴展性主要體現(xiàn)在計算資源、存儲能力和負載均衡，虛擬化技術的自身優(yōu)點滿足了云計算的擴展，并提供了計算平臺的7x24無故障全13程服務。同時云計算又具有規(guī)模的動態(tài)伸縮，以滿足用戶不斷增長的應用和需求。與網(wǎng)絡、分布式計算相比更具有商業(yè)性和應用性。

　　云計算不僅在處理計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性?！霸啤庇嬎闫脚_要求具有自動化管理功能，用戶可以通過用戶接口，自己申請計算資源和應用，按自己的需要建立自己的資源環(huán)境，而整個過程是不需云平臺管理員的干預，云計算平臺只需自動記錄用戶使用資源的大小和時間。云計算模式基于SOA的架構。動態(tài)地分配和部署共享的計算資源。同時云計算具有靈活性、高可用性、動態(tài)資源監(jiān)控以及虛擬性。云計算平臺可以支持各種計算機應用類型，在物理層面上，包括的硬件可以為PCServer、普通的PC機、小型機等各類硬件資源?；谔摂M化的云計算平臺為企業(yè)的資源重構帶來了便利。使其能短時間內轉向云計算平臺，降低了基礎架構的重建成本，縮短了為企業(yè)轉型的時間。

　　云計算的這些特性在客觀上需要高性能的服務器來支撐，無論是科研，還是商業(yè)應用，對于中小規(guī)模的企業(yè)和用戶計算來說，購買高性能服務器來說都是一筆昂貴的費用。而基于虛擬化技術的云計算解決了目前存在的問題。并且保證云計算平臺的高可用和高可靠等特性，使其更好的服務于客戶。

　　4.平臺總體架構研究

　　項目研究的服務器云主要由硬件服務器HP，IBM 3650和Red Hat Enterprise Linux Server操作系統(tǒng)和Virtualization HypervisorKVM組成。通過Red Hat云計算平臺管理軟件。實現(xiàn)所有服務器整合為一個統(tǒng)一的云計算服務器平臺，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行。

　　5.結論

　　云計算具有廣闊的發(fā)展前景，相關的各項關鍵技術也在迅速發(fā)展，目前，云計算發(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算平臺是基于redhat軟件的虛擬化平臺。為中小企業(yè)快速構建云計算提供了解決方案。其平臺具有一定的優(yōu)越性。使虛擬化技術的特點在云計算平臺中充分發(fā)揮。云計算是一種新型計算模式，是對面向市場的資源管理方式的支持嘲。當然，目前云計算還存在一定問題，當前的云計算系統(tǒng)的能耗過大，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)是當前面臨的一個主要問題。例如，谷歌的數(shù)據(jù)中心的能耗相當于一個小型城市的總能耗。因為，過大的能耗使得數(shù)據(jù)中心內發(fā)熱量劇增，要保證云計算系統(tǒng)的正常運行，必須使用高效的冷卻系統(tǒng)來保持數(shù)據(jù)中心在可接受的溫度范圍內?；诒疚牡奶摂M化技術，可以使耗能節(jié)儉原來的80%左右。另外，需要對云計算的接口進行標準化并制定交互協(xié)議。這樣可以支持不同云計算服務提供者之間進行交互，相互合作，提供更加強大和更好的服務。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)建云計算應用，拓展應用領域?？偠灾?，雖然云計算還有很多問題需要解決，但是云計算將得到更快、更深入的發(fā)展。

來源：暢享網(wǎng)

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