云计算中服务器虚拟化技术解析

摘 要

服务器虚拟化技术可以将云计算物理资源转化为逻辑资源，强化资源管理的抽象化，使得各个服务器中的虚拟服务打破物理界限，将CPU、内存、磁盘、I/O等硬件转化为动态资源管理库，进而有效提高资源的使用价值。因此，本文主要探究云计算中服务器虚拟化技术，进而实现云计算服务器的资源整合与共享。

【关键词】云计算 服务器 虚拟化技术 资源

虚拟化技术是计算机重要的支撑技术，对元计算的实际运行和操作具有非常重要的作用和意义。随着虚拟化软件技术的快速发展与应用，云计算逐渐进入人们的生活与工作中，并占有十分重要的地位。虚拟化技术可以从计算机应用程序达到硬件层，并将其虚拟化，取代真实层直接身面向上一层，并将上下两层进行融合，使得下层逐渐透明化，上一层面向虚拟层即可实现操作功能。服务器虚拟化是云计算基础平台的核心部分，通过对服务器虚拟化技术进行解析，展示了云计算服务推广所需的生产平台，对经营云服务的公司具有一定的指导作用。

1 CPU虚拟化技术

1.1 运行难点

在云计算服务器虚拟化技术中，CPU虚拟化技术主要是把物理CPU转化成虚拟CPU，一个物理CPU可以对一个虚拟CPU指令进行快速处理，无法实现一对多管理模式。因此，在实际运行中，操作系统可以进行一个或者是多个虚拟CPU的使用，这些虚拟CPU在整个系统运行中保持相互独立状态。在CPU虚拟技术实际使用中，操作系统必须要在虚拟环境下进行指令特权的执行，这就给CPU虚拟化的进一步发展与应用带来很大的难度。目前，操作系统主要是在X86构架的基础上完成的，因此要直接运行在云计算物理机上，具有全部底层硬件。X86构架中的Ringl0是指令层级，具有执行指令的功能，包括像CPU状态修改这样的特权指令。X86构架在实际操作中要求底层硬件要和操作系统进行分离，使得中间设置一层虚拟层，完成X86构架的虚拟化运行。但是这样会使得Ringl0始终处于虚拟层，操作系统发出的特权指令无法直接作用在底层硬件上，给特权指令的执行与操作形成巨大的阻碍。

1.2 解决方案

根据上述问题，本文主要提出2个解决方案。一是全虚拟化解决方案。全虚拟化主要是在虚拟层与操作系统中通过二进制代码动态翻译技术，将操作系统中发出的特权指令直接传送到虚拟层中的虚拟机中，虚拟机对特权指令进行翻译，之后执行指令。这样不仅可以达到操作系统指令执行处理的目的，还可以进行多个操系统运行，进而实现基于 X86架构的 CPU 的虚拟化。但是全虚拟化的运行成本较高，并在实际使用中要舍掉一定的系统性能。二是半虚拟化方案。半虚拟化恰恰相反，主要是采用修改操作系统的方式进行特权指令的执行，特权指令要进行调用数据，而虚拟平台是调用数据的接口，操作系统借助虚拟平台进行自身调整和修改。但是在半虚拟化方式使用中，虚拟平台要和操作平台保持一致，因此无法实现多个操作平台共同运行。随着CPU虚拟技术的发展，针对以上方案的优势劣势，提出一种硬件方案，在云计算处理器中设置硬件，进而强化 X86架构的虚拟化功能，利用 VMX虚拟机指令辅助虚拟化操作，进而实现了虚拟化平台的进一步完善与优化。

2 内存虚拟化技术

2.1 技术核心

内存虚拟化技术主要是强化物理机内存管理的统一性，并将这种统一管理的内存封装成虚拟内存，服务于虚拟机的运行。实现虚拟内存的关键在于物理机内存的有效管理，构建虚拟层内存地址和物理机内存地址之间的映射关系，实现双方内存访问的统一性和连续性。从这个角度上看，只有建立有效的映射关系，才能实现内存的虚拟化。虚拟内存的提出主要是利用 CPU 体系内存管理单元以及页表转换技术，实现内存性能的强化与提升，进而维护应用程序中虚拟内存与物理内存之间的映射关系。

2.2 关键技术手段

内存虚拟化技术的操作原理具体可表现为以下两种方式：

2.2.1 影子页表法

操作系统运行中可以自行维护页表，页表中具备的内存地址可以直接反映出虚拟层逻辑内存和物理内存的映射关系，也称一级映射关系，虚拟层中的页表就直接反映虚拟物理内存和物理机器内存之间的映射关系，也称二级映射关系。一级映射关系与二级映射关系具有统一的内存地址变量，在操作系统进行页表访问的过程中，会对页表的内存地质执行读写操作，一级映射关系产生变化，并通过虚拟物理地址传递到二级映射关系中，引起其中虚拟物理地址的变化，进而改变物理机机器内存地址，建立新的映射关系。

2.2.2 页表写入法

这种方式主要是在操作系统内部构建逻辑内存和机器内存之间的映射关系，在操作系统进行页表访问的过程中，虚拟内存管理单元对页表地址进行操作，直接反映出机器内存与虚拟内存之间的映射关系。

3 实时迁移技术

实时迁移技术主要是根据基站软切换原理，在操作系统中同时建立两条链路，虚拟机运行环境状态可以将原宿机迅速迁移到新宿机，其迁移过程具有一定的稳定性与平缓性，使得用户不易察觉。进而赋予了物理机虚拟化，实现跨异构建立硬件平台。从本质上看，实时迁移技术主要是实现数据信息拷贝和传送以及切换的速度性，利用协议的联系性，启动原宿机操作系统进行相关数据的拷贝、迁移，内存页面会把拷贝内容移至新宿机，进而完成内存传送与拷贝。

4 结束语

综上所述，云计算中服务器虚拟化技术主要涉及到CPU虚拟化技术、内存虚拟化技术以及实时迁移技术等方面，在实际的运行使用中，要对虚拟服务器的综合性能进行评估，并依托服务器质量指标选择服务器实现虚拟化运行，进而满足具体运行要求。

参考文献

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作者简介

王倩（1980-），女，天津市人。硕士学位。现为天津职业大学的电子信息学院讲师。主要研究方向为教育技术学、网络安全、数据挖掘、高性能计算。

作者单位

天津职业大学的电子信息学院 天津市 300402