云计算中的虚拟技术

郭清溥 张桂香

河南财经政法大学，郑州 450002

云计算中的虚拟技术

郭清溥 张桂香

河南财经政法大学，郑州 450002

云计算是分布式处理、并行计算和网格计算等概念的发展和商业实现，其技术实质是计算、存储、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化。现在，整个IT环境已逐步向云计算时代跨越，虚拟化技术也从最初的侧重于整合数据中心内的资源，发展到可以跨越IT架构实现包括资源、网络、应用和桌面在内的全系统虚拟化。

云计算；核心技术；虚拟化

1 云计算的框架

云计算（cloud computing），是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。通俗的说就是，云计算的“云”就是存在于互联网上的服务器集群上的资源，它包括硬件资源（服务器、存储器、CPU等）和软件资源（如应用软件、集成开发环境等），本地计算机只需要通过互联网发送一个需求信息，远端就会有成千上万的计算机为你提供需要的资源并将结果返回到本地计算机。这样，本地计算机几乎不需要做什么，所有的处理都由云计算提供商所提供的计算机群来完成。

云计算的出现，改变了信息服务的提供方式。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，随时扩展或缩小，按需使用，计量付费。

目前，云计算的主要服务形式有：SaaS(Software as a Service)，PaaS(Platform as a Service)，IaaS(Infrastructure as a Service)。

1.1 软件即服务(SaaS)

SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上，用户根据需求通过互联网向厂商订购应用软件服务，服务提供商根据客户所定软件的数量、时间的长短等因素收费，并且通过浏览器向客户提供软件的模式。这种服务模式的优势是，由服务提供商维护和管理软件、提供软件运行的硬件设施，用户只需拥有能够接入互联网的终端，即可随时随地使用软件。这种模式下，客户不再像传统模式那样花费大量资金在硬件、软件、维护人员等方面，而只需要支出一定的租赁服务费用，通过互联网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务，这是网络应用最具效益的营运模式。对于小型企业来说，SaaS是采用先进技术的最好途径。

以企业管理软件来说，SaaS模式的云计算ERP可以让客户根据并发用户数量、所用功能多少、数据存储容量、使用时间长短等不同组合按需支付服务费用，既不用支付软件许可费用，也不需要支付采购服务器等硬件设备费用，不需要支付购买操作系统、数据库等平台软件费用，不需要承担软件项目定制、开发、实施费用，不需要承担IT维护部门开支费用。

1.2 平台即服务(PaaS)

把开发环境作为一种服务来提供。这是一种分布式平台服务，厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给客户，用户在其平台基础上定制开发自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他客户。PaaS能够给企业或个人提供研发的中间件平台，提供应用程序开发、数据库、应用服务器、试验、托管及应用服务。

1.3 基础设施即服务(IaaS)

IaaS是把厂商的由多台服务器组成的“云端”基础设施，作为计量服务提供给客户。它将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。这是一种托管型硬件方式，用户付费使用厂商的硬件设施。

IaaS的优点是用户只需低成本硬件，按需租用相应计算能力和存储能力，大大降低了用户在硬件上的开销。

2 云计算中的核心技术

云计算是分布式处理、并行计算和网格计算等概念的发展和商业实现，其技术实质是计算、存储、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化，云计算系统运用了许多技术，其中以虚拟化、数据存储、数据管理、并行编程、云计算平台管理等方面具有自身独特的技术。

2.1 虚拟化技术

通过虚拟化技术可实现软件应用与底层硬件相隔离，它包括将单个资源划分成多个虚拟资源的裂分模式，也包括将多个资源整合成一个虚拟资源的聚合模式。虚拟化技术根据对象可分成存储虚拟化、计算虚拟化、网络虚拟化等。

2.2 数据存储技术

云计算系统由大量服务器组成，同时为大量用户服务，因此云计算系统采用分布式存储的方式存储数据，用冗余存储的方式保证数据的可靠性。云计算系统中广泛使用的数据存储系统是Google的GFS（Google File System）和Hadoop团队开发的开源系统HDFS（Hadoop Distributed File System）。

2.3 数据管理技术

云计算需要对分布的、海量的数据进行处理、分析，因此，数据管理技术必需能够高效的管理大量的数据。云计算系统中的数据管理技术主要是Google的BT(Big Table)数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBase。

2.4 并行编程技术

MapReduce是Google开发的Java、Python、C++编程模型，它是一种简化的分布式编程模型和高效的任务调度模型，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。严格的编程模型使云计算环境下的编程十分简单。MapReduce模式的思想是将要执行的问题分解成Map(映射)和Reduce(化简)的方式，先通过Map程序将数据切割成不相关的区块，分配（调度）给大量计算机处理，达到分布式运算的效果，再通过Reduce程序将结果汇整输出。

2.5 平台管理技术

云计算资源规模庞大，服务器数量众多并分布在不同的地点，同时运行着数百种应用，如何有效的管理这些服务器，保证整个系统提供不间断的服务是巨大的挑战。

云计算系统的平台管理技术能够使大量的服务器协同工作，方便的进行业务部署和开通，快速发现和恢复系统故障，通过自动化、智能化的手段实现大规模系统的可靠运营。

3 虚拟化技术

随着企业的成长，业务和应用不断增加，IT系统规模日益庞大，带来高能耗、数据中心空间紧张、IT系统总体拥有成本过高等问题；而现有服务器、存储系统等设备又没有充分被利用起来，资源极度浪费；IT基础架构对业务需求反映不够灵活，不能有效地调配系统资源适应业务需求。因此，企业需要建立一种可以降低成本、具有智能化和安全特性、并能够与当前的业务环境相适应的灵活、动态的基础设施和应用环境，以更为快速地响应业务环境的变化，并且降低数据中心的运营成本。

虚拟化技术是一种调配计算资源的方法，它将应用系统的不同层面——硬件、软件、数据、网络、存储等一一隔离开来，从而打破数据中心、服务器、存储、网络、数据和应用中的物理设备之间的划分，实现架构动态化，并达到集中管理和动态使用物理资源及虚拟资源，以提高系统结构的弹性和灵活性，降低成本、改进服务、减少管理风险等目的。

计算机的虚拟化使单个计算机看起来像多个计算机或完全不同的计算机，从而提高资源利用率并降低IT成本。而后，随着IT架构的复杂化和企业应用计算需求的急剧加大，虚拟化技术发展到了使多台计算机看起来像一台计算机以实现统一的管理、调配和监控。比如说服务器聚合(Server Aggregation)或网格计算(Grid Computing)。现在，整个IT环境已逐步向云计算时代跨越，虚拟化技术也从最初的侧重于整合数据中心内的资源，发展到可以跨越IT架构实现包括资源、网络、应用和桌面在内的全系统虚拟化，进而提高灵活性。

现在，当整个IT界正处于逐渐步入云计算时代的过程中，单个虚拟化技术虽然都为企业在IT方面带来了收益，但是人们更看重的是基于所面对的各自不同的独特环境发展出一个适合自己的全面的虚拟化战略。我们需要考虑的是将所有可用的虚拟化技术作为一个整体来考虑和组合，以使从中产生的效益最大化。也就是说在云计算环境下，所有虚拟化解决方案都是集服务器、存储系统、网络设备、软件及服务于一体的系统整合方案。它们包括了硬件资源虚拟化、网络设施虚拟化、应用虚拟化、桌面虚拟化等多种虚拟化技术的多个层面，并根据不同的应用环境灵活地将若干层面组合以实现不同模式虚拟化方案。

在这种云环境下的整体虚拟化战略中，我们可以利用虚拟化技术提供的多种机制，在无需重要的硬件和物理资源扩展的前提下，通过不同的方案快速模拟不同的环境和试验，达到预先构建操作IT系统、应用程序、提高安全性以及实现管理环境的目的，便于以后以更为简化和有效的方式将它们投入到生产环境中，进而提供更大的灵活性，并迅速确定潜在的冲突。同时，我们可以利用服务器虚拟化技术将大量分散的、没有得到充分利用的物理服务器工作负荷，整合到独立的、聚合的、数量较少的物理服务器上，甚至使一台单一的大型网络虚拟机取代数以百计甚至于计较小的服务器并使其在长时间内在高利用率下运行，从而更好地管理IT成本、最大化能源效率及提高资源利用率。我们还会利用存储虚拟化技术来支持网络环境下多种多样的磁盘存储系统，通过将存储容量整合到一个存储资源池中，帮助IT系统简化存储基础架构，对信息进行生命周期管理并维护业务持续性。当然，我们还会利用应用及桌面虚拟化技术提供应用基础设施虚拟化功能，降低创建、管理和运行企业应用程序及SOA环境所需的运营和能源成本，并达成提高灵活性和敏捷性，确保业务流程完整性，以改进服务，提高应用程序性能并更好地管理应用程序运行状况等目的。除此之外，虚拟化的系统管理及监控服务还能帮助我们通过一个共同的接入点发现、监控和管理包括系统和软件在内的所有的虚拟和物理资源，并提供完全的跨企业服务管理，减少支持多种类型服务器所需管理工具的数量。

4 结语

虚拟化打开了云计算的大门，而云计算带给大家的从本质上讲正是虚拟化服务。从虚拟化到云计算的过程，我们实现了跨系统的资源动态调度，将大量的计算资源组成IT资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源供给用户使用，从而最云计算深刻改变未来终实现应用、数据和IT资源以服务的方式通过网络提供给用户，并以前所未见的高速和富有弹性的方式来完成任务。

我们正在经历一场发生在IT内外地迈向云计算时代的巨大变革，而推动这场变革的正是由不断发展的虚拟化技术所带来的从组件走向层级然后走向资源池的过程。云计算是虚拟化的最高境界，虚拟化是云计算的底层结构。

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.039

河南省软科学资助项目：云计算产业发展战略研究，项目编号：112400450478

郭清溥（1963-），男，河南财经政法大学副教授，主要研究方向为计算机网络及应用，数据库应用。

张桂香（1971-），女，河南财经政法大学副教授，主要研究方向为计算机网络及应用。