虛擬化和云計(jì)算綜述課件

1、虛擬化和云計(jì)算綜述1 虛擬化1. 簡(jiǎn)介虛擬化主要是計(jì)算機(jī)方面的計(jì)算元件在虛擬基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行，是一種解決方案，目的就是優(yōu)化資源和管理。把有限的資源經(jīng)過合理規(guī)劃之后可以最大程度的利用，使空間更大，使管理不再復(fù)雜。虛擬化可以使某一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，也就意味著這臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源可以共享，不同的虛擬機(jī)在同一臺(tái)物理機(jī)上可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)和各種程序。虛擬化技術(shù)的每一個(gè)操作系統(tǒng)中都有多個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，并且每一個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬的主機(jī)或 CPU 上，每個(gè)虛擬機(jī)都有屬于自己的虛擬硬件。虛擬化技術(shù)可以擴(kuò)大硬件的容量，簡(jiǎn)化軟件的重新配置過程。CPU 的虛擬化技術(shù)可以單 CPU 模擬多 CPU 并行

2、，允許一個(gè)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。目前虛擬技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為：服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、平臺(tái)虛擬化、桌面虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、CPU虛擬化、文件虛擬化等；按照實(shí)現(xiàn)層次來劃分：硬件虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化、應(yīng)用程序虛擬化。2. 特征1） 效率：虛擬化服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)資源共享，提高資源利用率，確保應(yīng)用程序可以充分發(fā)揮性能。2） 隔離：在安全方面，虛擬機(jī)比傳統(tǒng)的非虛擬機(jī)更注重安全性和可用性，在共享資源的同時(shí)，會(huì)保持彼此隔離，使運(yùn)行的應(yīng)用程序勝于普通計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序。3） 可靠：如果某臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)了故障，那么在短時(shí)間內(nèi)

3、就可會(huì)恢復(fù)正常，不影響整體的運(yùn)行，這種獨(dú)立的工作形式加大了運(yùn)作的可靠性。4） 兼容：虛擬服務(wù)器與正常的 x86 系統(tǒng)相兼容，將所有可能出現(xiàn)的問題降到最低點(diǎn)。5） 成本：降低了部署成本，只需要更少的服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)需要更多服務(wù)器才能做到的事情，也間接降低了安全等其他方面的成本。6） 管理：提高了服務(wù)器/管理員比率，一個(gè)管理員可以輕松的管理比以前更多的服務(wù)器而不會(huì)造成更大的負(fù)擔(dān)。2 云計(jì)算1. 簡(jiǎn)介原理：云計(jì)算(Cloud Computing)是并行計(jì)算 (Parallel Computing)、分布式計(jì)算 (Distributed Computing) 和網(wǎng)格計(jì)算 (Grid Computing

4、) 的發(fā)展，同時(shí)也是虛擬化(Virtualization)、公用計(jì)算 (Utility Computing)、IaaS( 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) )、PaaS( 平臺(tái)即服務(wù) )、SaaS( 軟件即服務(wù) ) 等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。云計(jì)算系統(tǒng)是以付費(fèi)使用的形式向用戶提供各種服務(wù)的分布式計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)用戶來講是透明的，其本質(zhì)是對(duì)虛擬化的計(jì)算和存儲(chǔ)資源池進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署、動(dòng)態(tài)分配/重分配、實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，從而向用戶提供滿足QoS要求的計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)以及平臺(tái)服務(wù)。云計(jì)算的資源是由互聯(lián)網(wǎng)提供的，終端用戶不需要專業(yè)的知識(shí)，只需關(guān)注需要的資源，并通過互聯(lián)網(wǎng)得到相應(yīng)服務(wù)的方式。按照服務(wù)類型分類，云計(jì)算分為基

5、礎(chǔ)設(shè)施云、平臺(tái)云、應(yīng)用云；按照服務(wù)方式分類可以分為公有云，私有云和混合云。2. 特征1） 資源共享：供應(yīng)商的計(jì)算資源被集中，以便以多用戶租用模式服務(wù)所有客戶，同時(shí)不同的物理和虛擬資源，可根據(jù)客戶需求動(dòng)態(tài)分配和重新分配?？蛻粢话銦o法控制或知道資源的確切位置。這些資源包括存儲(chǔ)、處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬和虛擬機(jī)器。2） 快速伸縮性：可以快速有彈性地提供計(jì)算能力。對(duì)客戶來說，可以租用的資源看起來似乎是無限的，并且可在任何時(shí)間購買任何數(shù)量的資源。3） 可靠性和安全性：云計(jì)算則為廣大用戶提供了最可靠、安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，比如把一些文件保存在互聯(lián)網(wǎng)上，最先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心會(huì)幫助用戶保存數(shù)據(jù)和信息，不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)會(huì)遭到破

6、壞或竊取。4） 服務(wù)質(zhì)量保證：云計(jì)算能夠向用戶提滿足 QoS要求的服務(wù), 能夠根據(jù)用戶的需求對(duì)系統(tǒng)作出調(diào), 如用戶需要的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)容量等。5） 自治性：云計(jì)算是一個(gè)自治系統(tǒng), 系統(tǒng)的管理對(duì)戶來講是透明的,不同的管理任務(wù)是自動(dòng)完成的, 系統(tǒng)的硬、軟件、存儲(chǔ)能夠自動(dòng)進(jìn)行配置, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶按需提供。3. 基于網(wǎng)絡(luò)：可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取各種能力，并可以通過標(biāo)準(zhǔn)方式訪問，可以使用戶擺脫接觸電腦之后要面對(duì)的麻煩的事情，如安裝殺毒軟件等，用戶端可以直接在瀏覽器中編輯存儲(chǔ)文檔，然后隨心所欲的共享。3 云計(jì)算支撐技術(shù)1. 虛擬化技術(shù)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是虛擬化技術(shù)。用戶的私有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在“云”中

7、，共享底層的存儲(chǔ)資源。通過增加一個(gè)虛擬化層，可以將物理站點(diǎn)用于多個(gè)獨(dú)立的虛擬機(jī)，而這些虛擬機(jī)可能由不同的用戶擁有和管理。通過虛擬化技術(shù)，單個(gè)服務(wù)器可以支持多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用，低計(jì)算需求的任務(wù)可以共享一個(gè)單獨(dú)的物理站點(diǎn)（如服務(wù)器）資源，可以極大地提高資源利用率。虛擬機(jī)的部署和調(diào)度還能簡(jiǎn)化負(fù)載平衡，從而達(dá)到云計(jì)算的全局性能最優(yōu)化。在云計(jì)算模式中，需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化3個(gè)基本的技術(shù)。2. 資源的管理云計(jì)算的資源包括存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、基礎(chǔ)設(shè)施資源以及其它資源。云計(jì)算資源管理系統(tǒng)的基本功能，是接受來自云計(jì)算用戶的資源請(qǐng)求，并且把特定的資源分配給資源請(qǐng)求者。

8、合理地調(diào)度相應(yīng)的資源，使請(qǐng)求資源的作業(yè)得以運(yùn)行。云計(jì)算資源管理系統(tǒng)應(yīng)提供4種基本的服務(wù)，即資源發(fā)現(xiàn)、資源分發(fā)、資源存儲(chǔ)和資源調(diào)度。由于云計(jì)算的資源在地理上是分布的，形式上是異構(gòu)的，并且各個(gè)組織和管理域有各自的資源管理策略和不同的訪問代價(jià)模型。因此，云計(jì)算的資源管理必須處理好存儲(chǔ)架構(gòu)問題，解決資源部署、監(jiān)控和調(diào)度策略等問題。3. 安全技術(shù)1） 原因：虛擬化技術(shù)帶來的主機(jī)受到破壞及虛擬網(wǎng)絡(luò)中斷等安全問題；在云平臺(tái)中運(yùn)行的各類云應(yīng)用，沒有固定不變的基礎(chǔ)設(shè)施和安全邊界，難以實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)安全與隱私的保護(hù)；云服務(wù)所涉及的資源，由多個(gè)管理者所有，存在利益沖突，導(dǎo)致無法統(tǒng)一規(guī)劃部署安全防護(hù)措施。2） 目前由于

9、信息安全領(lǐng)域仍缺乏針對(duì)此類問題的充分研究，尚難為安全的云服務(wù)提供必要的理論基礎(chǔ)和工具支撐。因此，未來在信息安全學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注及推動(dòng)下，信息安全領(lǐng)域?qū)@云服務(wù)的“安全服務(wù)品質(zhì)協(xié)議”的制定、交付驗(yàn)證、第三方檢驗(yàn)等，逐漸發(fā)展形成一種新型的技術(shù)體系與管理體系，與之相適應(yīng)。4. 分布式的編程模式用系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大。云計(jì)算系統(tǒng)必須給用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用的編程模型來并行處理用戶的數(shù)據(jù)，使用戶能更輕松的享受云計(jì)算帶來的服務(wù)，讓用戶能利用該編程模型編寫簡(jiǎn)單的程序來實(shí)現(xiàn)特定的目的，保證后臺(tái)復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度向用戶和編程人員透明。從而更好地利用云計(jì)算系統(tǒng)的資源。因此研究者提出了一些分布式系

10、統(tǒng)和并行編程模型來支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。當(dāng)前IT廠商提出的“云”計(jì)劃的編程工具，均基于Map-Reduce和Dryad的編程模型。MapReduce的主要思想，是將要執(zhí)行的問題分解成Map和Reduce兩個(gè)過程：先通過Map函數(shù)將問題分解，并將數(shù)據(jù)分割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配給服務(wù)器并行處理；再通過Reduce函數(shù)將結(jié)果歸約匯總輸出。5. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)云計(jì)算系統(tǒng)需要同時(shí)滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。因此，云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)必須具有分布式、高吞吐率和高傳輸率等特點(diǎn) 10 。目前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有Google的GFS（Google File System，非開源）以及HDFS（Hado

11、op Distributed File System，開源），這兩種技術(shù)已經(jīng)成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。4 虛擬化和云計(jì)算的關(guān)系虛擬化從根本上分離了硬件與軟件，云計(jì)算的主要功效就是在軟件上所提供的服務(wù)。云計(jì)算是虛擬化的，虛擬化是云計(jì)算的基石，雖然虛擬化的用途并不僅限于此。云計(jì)算是動(dòng)態(tài)的 IT，所有的信息和資源都在這個(gè)動(dòng)態(tài)的架構(gòu)上，而且所有服務(wù)器必須構(gòu)建虛擬化環(huán)境，從而順利開展云計(jì)算。虛擬化為云計(jì)算提供了很好的技術(shù)平臺(tái)，云計(jì)算在虛擬化環(huán)境中開展用戶信賴的服務(wù)。用戶在采用云計(jì)算作為自己的計(jì)算平臺(tái)時(shí)，不應(yīng)到考慮本地計(jì)算資源的能力、兼容性等問題，因?yàn)樵朴?jì)算是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算平臺(tái)。因此，綜合目前復(fù)雜的硬件環(huán)境，采用虛擬

12、化技術(shù)作為云計(jì)算的基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)就是理所應(yīng)當(dāng)?shù)牧恕．?dāng)采用虛擬化技術(shù)后，可以將參與計(jì)算的各個(gè)硬件特征屏蔽，將計(jì)算資源進(jìn)行整合。區(qū)別：1.云計(jì)算支持多種硬件平臺(tái)和多種軟件平臺(tái)，甚至通信協(xié)議，不僅要求硬件具有分布特性，軟件（包含應(yīng)用軟件在內(nèi)）也要具有分布特性，用戶在使用軟件資源之前，不必考慮本地硬件的特性，本地硬件的特性也不會(huì)對(duì)選擇云計(jì)算作為計(jì)算平臺(tái)的行為造成影響。但是虛擬化可以屏蔽不同硬件平臺(tái)時(shí)間的差異性，屏蔽不同硬件的差異所帶來的軟件兼容問題，基本上所有的虛擬化應(yīng)用都具有在虛擬化硬件上動(dòng)態(tài)分配資源的特性，這點(diǎn)也是很多人將虛擬化技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)混為一談的原因。2. 虛擬化核心要?jiǎng)?wù)是脫離硬件依賴，這樣

13、無論是軟件開發(fā)還是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，都可以簡(jiǎn)化軟件的開發(fā)模式方法。所以虛擬化在用戶界面上，是標(biāo)準(zhǔn)化的，一致的，而不是云計(jì)算那樣提供各種各樣不同平臺(tái)適應(yīng)的界面。3. 虛擬化技術(shù)之所以成為許多云計(jì)算方案中采用的技術(shù)平臺(tái)，和虛擬化這個(gè)特征是分不開的。但是并不是所有的云計(jì)算都必須以虛擬化為技術(shù)基礎(chǔ)，比如智能家電，就不可能在家電中部署虛擬機(jī)等設(shè)備。4. 虛擬化不能解決本地終端的計(jì)算問題，無論是虛擬服務(wù)器還是虛擬桌面，也不能實(shí)現(xiàn)將所有的運(yùn)算都轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程執(zhí)行。同時(shí)，虛擬化技術(shù)涉及網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要大量網(wǎng)絡(luò)通信，這種通信流量和在虛擬機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行的程序復(fù)雜度沒有任何關(guān)聯(lián)，僅僅是虛擬化技術(shù)本身需要的網(wǎng)絡(luò)通信要求。而云計(jì)算中并不存

14、在這種問題。云計(jì)算也有別于以前我們接觸的遠(yuǎn)程提交作業(yè)，等待結(jié)果的計(jì)算方式，云計(jì)算采用實(shí)時(shí)交互計(jì)算資源，將計(jì)算資源和我們通常接觸的資源放在同一個(gè)平臺(tái)上，而不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)獲取。至此，我們可以針對(duì)虛擬化和云計(jì)算的比較做個(gè)總結(jié)。云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的共同點(diǎn)是可以將不同的硬件平臺(tái)整合起來提供服務(wù)，但是無論從規(guī)模上還是技術(shù)內(nèi)涵上，虛擬化都不能和云計(jì)算概念相提并論。云計(jì)算和虛擬化相比有規(guī)模大、分布部署、接口豐富、可以整合目前所有的計(jì)算資源、對(duì)本地計(jì)算設(shè)備無任何要求等特點(diǎn)，雖然云計(jì)算在建設(shè)初期會(huì)用到虛擬化技術(shù)，但是其內(nèi)涵是要覆蓋虛擬化技術(shù)的 ；虛擬化技術(shù)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備的統(tǒng)一封裝和資源再分配，對(duì)規(guī)模沒有特殊要求、集中部署、接口統(tǒng)一、對(duì)本地計(jì)算資源有一定要求等特點(diǎn)。5 現(xiàn)狀目前云計(jì)算主要是以 SAAS、實(shí)用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)、MSP、商業(yè)服務(wù)平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)整合等幾大形式提供服務(wù)的。亞馬遜、谷歌、微軟等互聯(lián)網(wǎng)上幾大主流網(wǎng)站均提供云計(jì)算應(yīng)用和服務(wù)。其中，亞馬遜的最新業(yè)務(wù)與云計(jì)算密切相關(guān)，同時(shí)亞馬遜也是首批進(jìn)入云計(jì)算應(yīng)用的廠商，為其他企業(yè)締造了良好的開端。谷歌則是主要以應(yīng)用托管、企業(yè)搜索等方式擴(kuò)大了云計(jì)算應(yīng)用。微軟則在云計(jì)算應(yīng)用的道路上頗費(fèi)一番周折，但微軟公司并不認(rèn)為云計(jì)算將承載絕大多數(shù)的 IT資源，因此微軟公司提出了新的計(jì)劃 “提供均衡搭配的企業(yè)級(jí)軟件、合作伙伴托管服務(wù)以及云