虚拟化技术定义与原理

定义：虚拟化技术是一种将计算机物理实体（如服务器、存储设备、网络设备）通过软件技术划分为多个虚拟实体，每个虚拟实体可以独立运行操作系统和应用程序的技术。

原理：虚拟化技术通过引入一个虚拟化层（虚拟机监控器），将物理硬件与操作系统进行分离。这个虚拟化层可以拦截和重定向操作系统对硬件的访问请求，从而实现对物理硬件的共享、抽象和模拟。

• 资源抽象与划分
• 虚拟机监控器（VMM）
• 虚拟机的创建与管理
• 虚拟化的实现方式

虚拟机监视器（VMM）

实现方式：

1. 全虚拟化：全虚拟化允许在宿主主机上运行多个完全独立的虚拟机，每个虚拟机都具有自己的操作系统和应用程序。这种方法需要在宿主主机上模拟硬件、操作系统和设备，以使虚拟机能与宿主主机隔离运行
   优点和缺点：全虚拟化技术具有许多优点，如安全性高、可靠性高、易于管理等。但是，这种技术也需要消耗大量的系统资源，可能会对宿主机的性能产生影响。
2. 半虚拟化：半虚拟化通过修改操作系统内核，使得虚拟机可以与宿主主机共享硬件资源，提高性能的同时也减少了对硬件的要求
   优点和缺点：半虚拟化技术具有高性能、低资源消耗等优点，但是也需要修改操作系统内核，可能会对系统的稳定性和安全性产生影响
3. 硬件辅助虚拟化：硬件辅助虚拟化是通过硬件来辅助虚拟化的方式。他可以在处理器、内存、网络设备和存储设备等多个方面提供帮助，提高虚拟机的性能和效率。

虚拟化技术

容器虚拟化是一种新型的虚拟化技术，它将应用程序及其依赖项打包成一个可移植的容器，使得应用程序能够在不同的计算平台上运行。

虚拟化技术的优势与挑战：

• 提高服务器性能：通过整合多个应用程序实例到一台服务器，提高资源利用率
• 增强灵活性：虚拟化技术使服务器资源配置更为灵活
• 提升应用程序可用性与可靠性：确保应用程序稳定运行，减少故障和终端
• 资源消耗问题：虚拟化技术会占用内存和存储资源，资源不足可能引发应用程序问题
• 服务器性能要求：虚拟化技术需要消耗计算资源，若服务器性能不足可能导致性能下降

** 应用领域：服务器虚拟化、桌面应用虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化。**

服务器虚拟化

服务器虚拟化通过区分资源的优先次序，并随时随地将服务器资源分配给最需要他们的工作负载来简化管理和提高效率，从而减少为单个工作负载峰值而储备的资源。
通过服务器虚拟化技术，用户可以动态启用虚拟服务器

服务器虚拟化特点：

• 资源整合
• 高可用性
• 灵活管理
• 降低成本

存储虚拟化

存储虚拟化就是把各种不同的存储设备有机的结合起来进行使用，从而得到一个容量很大的“存储池”，可以给各种服务器进行灵活的使用，并且数据可以在各存储设备间灵活转移。

存储虚拟化技术主要分为硬件和软件两种方式来实现。
特点：

• 集中存储
• 数据保护
• 灵活扩展
• 降低复杂性

网络虚拟化

网络虚拟化将不同网络的硬件和软件资源结合成一个虚拟的整体，通常包括虚拟局域网和虚拟专用网。
特点：

• 网络隔离
• 资源优化
• 灵活配置
• 简化管理

实现方式：软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）

应用虚拟化

应用虚拟化通常包括两层含义，一是应用软件的虚拟化，二是桌面的虚拟化
特点：

• 集中管理
• 数据安全
• 远程访问
• 降低成本

关键技术

1. 资源池化技术

   • 计算资源池化：通过虚拟化技术，将物理计算资源（如CPU、内存）抽象成可动态分配的计算资源池，提高资源利用率
   • 存储资源池化：将分散的物理存储设备整合成统一的虚拟存储资源池，实现存储空间的共享和灵活调配
   • 网络资源池化：通过软件定义网络（SDN）等技术，将网络资源（如带宽、端口）池化，提供灵活的网络服务

2. 动态资源调度算法

   • 负载均衡算法：根据各虚拟机的资源使用情况和业务需求，动态调整资源分配，实现系统整体性能最优化
   • 节能调度算法：在保证系统性能的前提下，通过合理的资源调度策略，降低系统能耗
   • 容错与容灾调度：在虚拟机发生故障时，通过资源调度算法快速恢复业务，提高系统的容错和容灾能力

3. 数据迁移与备份策略

   • 数据迁移技术：在虚拟化环境中，实现虚拟机数据的快速、安全迁移，包括在线迁移和离线迁移两种方式。
   • 数据备份与恢复策略：指定完善的数据备份计划，确保在数据丢失或损坏时能够迅速恢复，保障业务连续性
   • 数据容灾技术：通过远程数据复制、灾备中心等技术手段，实现数据的异地容灾，提高数据安全性。

4. 安全性与隔离性保障措施

   • 虚拟化层安全加固：对虚拟化层进行安全加固，防止针对虚拟化平台的攻击，确保虚拟化环境的安全性。
   • 虚拟机隔离技术：通过虚拟机隔离技术，实现不同虚拟机之间的完全隔离，防止虚拟机之间的安全威胁扩散
   • 访问控制与审计：建立完善的访问控制机制，对虚拟化环境的访问进行严格控制和审计，确保只有合法用户才能访问敏感资源。

5. 开源技术

   • KVM：使用Linux自身的调度器进行管理，相对与Xen，核心源码很少，基于硬件的完全虚拟化，目前主流的VMM之一
   • XEN：开放源码虚拟机监控器，由剑桥大学开发。打算在单个计算机上运行多到100个满特征的操作系统。操作系统必须进行显式修改以在Xen上运行
   • OpenVZ：基于Linux内核和作业系统的操作系统虚拟化技术。OpenVZ允许物理服务器运行多个操作系统，被称为虚拟专用服务器或虚拟环境

新型虚拟化技术发展进展

- 连接协议标准化
- 平台开放化
- 公有云私有化
- 虚拟化客户端硬件
- 容器化技术
- 嵌套虚拟化
- GPU虚拟化

作业

选择题

• 下列不属于虚拟化带来的好处的是()

  • 好处有提高资源利用率、降低成本，节能减排、提高安全性，而提高性能不是

• 虚拟化的分类不包括()

  • 包含网络虚拟化、服务器虚拟化、存储虚拟化，不包括连接虚拟化

• 下列属于虚拟化开源技术的是()

  • Xen

• 下列不属于服务器虚拟化技术的是()

  • 属于的有完全虚拟化、准虚拟化、操作系统虚拟化，而存储虚拟化不属于

• 虚拟化未来的发展趋势不包括()

  • 包含连接协议标准化、平台开放化、公有云私有化不包含硬件公有化

• NFV的中文名称为()

  • 网络传输虚拟化

• 首次出现虚拟化的时间是()

  • 20世纪50年代

• SDN的中文名称为()

  • 软件数字网络

• KVM是()

  • 开源的系统虚拟化模块

• Xen指()

  • 开放源代码的虚拟监控器

判断题

• SDN与NFV两者不能相互独立存在（×）

  • 可以相互独立存在

• 虚拟主机的出现提高了在互联网上建立站点的资金成本（×）

  • 节省了

• 存储虚拟化主要分为硬件和软件两种方式实现（√）

• 网络虚拟化应用于企业核心和边缘路由（√）

• 云计算是一种具体的技术（×）

  • 是一种综合性的技术

• 系统虚拟化的核心思想是通过一台虚拟机映射出一台或多台物理机（×）

  • 一台或多台虚拟机映射成一台虚拟机，说反了

• 虚拟技术思想萌芽于20世纪60年代的美国计算机学术界(√)

• 虚拟化和云计算都是实现分布式系统的关键技术（×）

  • 分布式系统是云计算的关键技术

• Xen是一个开放源代码的虚拟监控器，由剑桥大学开发（√）

• 虚拟化分为服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化和应用虚拟化4类（√）

填空题

• 美国计算机学术界的虚拟技术思想萌芽是在()时期

  • 20世纪60年代

• 人们常说的虚拟化技术是指()

  • 服务器虚拟化技术

• 虚拟化是一个()和标准化的过程

  • 接口封装

• 系统虚拟化的核心思想是()

  • 使用虚拟化软件在一台物理机上虚拟出一台或多台虚拟机

• 存储虚拟化就是把()

  • 各种不同的存储设备有机地结合起来进行使用

• 虚拟化通常分为服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化和()四类

  • 应用虚拟化

• 未来的发展趋势可能为连接协议标准化、平台开放化、公有云私有化、()

  • 客户端硬件化

• 虚拟化带来的好处有提高资源利用率、降低成本节能减排、统一管理、()等

  • 提高安全性

• 应用虚拟化通常包含两层含义：一是应用软件的虚拟化；二是()

  • 桌面的虚拟化

• 虚拟化是指计算机元件在虚拟的基础上而不是在()基础上运行

  • 真实的、独立的物理硬件