虚拟化技术在计算机技术中的应用

杨青 魏秋彦

（铜仁职业技术学院 贵州省铜仁市 554300）

IT 技术的实现往往需要投入较高成本和较长周期，应用主体很难对其进行应用管理，不利于相关工作的开展。虚拟化技术能够解决服务器架构等方面的矛盾，优化一部分资源配置，减少运营投入，对数字管理等工作的帮助十分突出，值得被推广和应用。

1 虚拟化技术

虚拟化技术和多任务技术和超线程技术是截然不同的。多任务是指多个程序在同一操作系统内同时工作。而虚拟化技术，能够同时执行多个操作系统，而且，在不同的操作系统中，有许多不同的软件，它们都是由一个虚拟 CPU 或者一个虚拟的计算机组成的。而超线程技术就是用一个CPU来模拟两个CPU，让两个CPU 的性能达到一个平衡，两个CPU 不能分开，必须要配合使用。虚拟化技术和 VMware Workstation 等其他类似的软件一样，都可以实现虚拟效果，这是技术上的重大进展。这主要体现在降低与虚拟机有关的开销以及对更多操作系统的支持上。纯软件虚拟化方案有许多局限性。大多数时候，“客户”操作系统都是通过 VMM与硬件通讯， VMM 可以控制它对整个系统中的虚拟机器的访问。值得注意的是，大部分的处理器和内存访问是与VMM 无关的，只有当某些特殊的事件出现时才会与VMM有关，例如网页错误。在纯软件虚拟化解决方案中，VMM在软件包所在的位置是一个传统的操作系统，而操作系统所在的位置就是传统的应用软件所在的地方。虚拟化技术提供了一系列的解决办法。整个情况需要 CPU、主板芯片组、BIOS 以及诸如VMM 软件等特定操作系统自身的软件来提供支撑。与VMM 的软件相结合，即便只有CPU 支持虚拟化技术，其性能也要优于那些不支持虚拟化技术的系统。

2 计算机技术中虚拟化技术的运用优势分析

2.1 提升系统安全可靠性

在虚拟化技术的支持下，可以让用户在同一个计算机上模拟出不同的操作系统，从而达到对系统环境的优化。利用虚拟化技术，使计算机管理员可以集中管理网络资源，并使系统的整体运行更加便利。另外，通过运用虚拟化技术，可以使管理者简化各种软件的操作流程，提高管理的工作效率，从而保证系统的稳定运行。

2.2 降低能源消耗

在计算机管理方面，通过对虚拟化技术的科学运用，可以减少对传统的物理设备的使用，从而实现节能。在传统的系统架构设计与运作过程中，大量的计算机装置会在同一时间工作，导致电能的大量消耗，从而增加了企业的运营和管理费用，对中小企业的长期发展产生极大影响。在虚拟化技术的帮助下，不仅能够提高计算机的运行效率，而且还能保证运行的稳定。而且还能大幅度地减少电力的消耗，带来巨大的社会经济效益。

2.3 提高利用率

在计算机技术的应用中，通过虚拟化技术的辅助，可以使工作人员在同一机器上进行多种操作，从而达到最大限度地优化和集成各种资源。此项技术的运用，不但可以减少企业在传统设备软件项目上的投资，而且可以使企业的软硬件资源得到最大程度地提高，从而使整个系统的性能得到最大程度地发挥，为企业创造更多的实际价值。

3 虚拟化技术在计算机领域中的应用

3.1 虚拟化技术分析

为了更好地为人民的生产和生活服务，计算机和信息化技术应运而生。而在一些企业的办公系统，相对于没有进行虚拟化服务器的数据中心来说，利用虚拟化技术可以使技术工作者迅速地配置网络的信息，提高硬件的投资效率，使系统的功能得到最大程度地利用。

下面重点探讨了服务器虚拟化技术。因为服务器虚拟化技术能够将所有的 CPU、内存等计算资源集中在一块，并根据需求进行重新配置，从而实现动态调节，使其发挥最大的价值。从各方面的优点来分析，服务器的虚拟化极大地改善了操作人员的工作压力，增强了硬件资源利用率，增强了系统的可靠性。图1 是传统硬件架构模式，图2 是虚拟化的架构模式。可以发现操作系统和应用之间互相独立，每台服务器上能够运行多个应用。

图1 ：传统硬件架构模式

图2 ：虚拟化的架构模式

本文重点讨论了虚拟化服务器技术，在虚拟化系统架构方面，目前主要的软件有：VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer 等。图3 以Xen 为例，介绍了工作大致流程。

图3 ：Xen 的工作流程

这种原生虚拟化体系结构产品中，用作管理虚拟机的监视器，VMM 是在物理主机上直接安装并运行的。通过VMM 技术，在物理主机的基础硬件与虚拟机之间建立起一层抽象层，并通过VMM 实现对CPU 的指令进行直接捕捉，从而起到了外部硬件和控制器的作用。通过该方法建立的虚拟化服务器是高效的，可以用于特定的数据中心。

还有一种寄居架构，该产品只是基于操作系统运行。在应用寄居型机构时，首先要安装如Windows、Mac os 之类的个人操作系统，再将虚拟机监视器安装入该系统中。也就是上面提到的VMM，然后使用VMM 来建立一个管理指令和一个虚拟机。由于寄存式虚拟机的应用和配置都是相对简单的，因此通常只供个人使用，很少在服务器中应用。

服务器虚拟化可以将多台独立的虚拟机在一个物理的主机上作分化模拟。从总体结构上来说，VMM 是虚拟系统的核心，它要对虚拟主机进行资源的调度和管理，确保多台虚拟机能够在不同的环境下，实现多个操作系统的并行运行。而服务器的虚拟化有三个方面，分别是CPU、内存、I/O 虚拟化。

3.1.1 CPU 虚拟化

这是硬件扩充的一种方法。利用虚拟技术，将单个CPU模拟成多个CPU，并允许多个操作系统并行工作，确保各操作系统均能通过一台或多台CPU 确保系统有效地工作。利用Guest OS 系统的隔离技术，实现了各个虚拟CPU 间的分离，使应用软件能够在一个单独的空间中运行，提高了系统的运行效率。

以X86 为基础的操作平台，要在物理层面你的服务器上运行，该系统使用了所有的硬件设施。X86 架构，CPU 饱很了四个相应等级，为Ring0 至Ring3，由高到低。用户使用系统时主要是有Ring0 层级控制的，适用于所有格指令的运行；而Ring3 只能用于一个程序的运行。

因为在x86 位平台上，CPU 的虚拟化比较困难，因此可以采用完全虚拟化的方法。

完全虚拟化是通过在客户端和实体的硬件上，采用二进制动态代码转换技术，以解决不同用户的OS 之间的授权指令问题。操作系统可以在不进行任何更改的情况下直接在其上运行。这是目前应用最广泛的一种方法，其中最典型的就是 VirtualBox、 VMwarevSphere。

3.1.2 内存虚拟化

在经过虚拟化之后，服务器的内存就会转化为一种抽象的存储资源池，可以在任何时候为实体服务器的虚拟机提供储存。技术上，实现存储虚拟化的核心是引入一个新的存储空间，也就是客户机的实体地址。全部仿真的虚拟机的内存都被VMM 所控制，并根据计算需求为每一个虚拟机提供，但也要保证各个虚拟机的资源共享，并有效地隔离了各个虚拟机的空间。

图4 ：全虚拟化架构表现

3.1.3 I/O 设备虚拟化

I/O 也可以被看作是一个输入/输出，而在一个物理主设备上，典型的 I/O 就是以太网接口，光纤通道存储等。但是，因为在物理主设备上，I/O 的资源很少，因此，在虚拟机的部署下，可以生成大量的 I/O，所以，要扩大 I/O 的输入与输出，就需要通过虚拟化技术来对有限的物理资源进行复制。虚拟化 I/O 后，可以通过VMM 对每个虚拟机的I/O 请求进行统一的控制和使用。

3.2 虚拟化数据中心建设的探究分析

在我国，由于信息技术的飞速发展，许多企业、高校、事业单位纷纷设立了自己的数据中心。随着我国在信息化、数字化的发展，在战略位置方面，我国的数据中心建设规模日益增大，装备与设施的建设日益增多。但是，在实际的数据中心的使用过程中，各个公司都会遇到针对不同的应用需求所设置的各种设备。其原因是其CPU 的使用率较差，多数时候CPU 的使用率只有10%-20%，而且往往导致了资源的巨大消耗。因为在没有虚拟数据中心之前，通常存在以下问题：如果企业使用一个新的应用程序，那么它至少要准备多个服务器，而服务器自身的操作逻辑仅能确保一个单独的任务的有序执行。因此，每一次部署新的应用程序，都要增加新的服务器，这样的话，设备的采购和维护费用就会增加。

为此，文章提出了一种改进的管理方式，也就是，工作资源整合是通过服务器的虚拟化实现的。在未来，企业应把服务器虚拟化作为一种趋势，构建一个统一的企业数据中心资源库。首先，可选择市面上性能较强的服务器，代数要尽量选择最新的，型号等参数要互相匹配，同时，要把内存扩充，不可以小于32 到64GB。应装备两个或更多的网卡，并使用信道适配器进行资料传送。为了使这些装置成为一个强有力的集群，就必须要有更多型号互相匹配的服务器，在后台要确保有一组光纤存储，并提供充足的空间。同样的 ESX系统也可以在主机上安装，到时候，利用服务器庞大的计算速度，就可以构建出一台完整的虚拟机。

然后转移原来使用的位置空间，利用 VMware 所开发的转接平台，可以将原有的x86 位物理主机上的系统进行迁移。然后，在物理和虚拟之间的转换中，稍微暂停了一下，就可以打开和关掉物理主机。

最后，企业可以根据实际应用需求，增加一定的主机设备和存储单元，进一步完善虚拟服务器的部署工作，同时要保证虚拟计算拥有足够多的资源，确保更确保各项业务和应用的开展。当然，想要加强对虚拟服务工作的管理，加强资源的自动化调度，还可以安装一个独立的vCenter，用于集中控制ESXi 主机和虚拟机。

4 虚拟机迁移技术

该技术在一定程度上让搭建虚拟化服务器变得更便捷。当下，被广泛使用的虚拟化工具较多，比如威睿、微软、Xen 等公司旗下虚拟机产品都包含迁移组件。使用迁移技术的虚拟服务器能够节省较多的管理资金，降低维护成本，减少升级费用。过去的X86 服务器，体积较为庞大，随着技术的发展，服务器体积不断减小。利用迁移技术，可以将一台服务器，替代多台服务器。这样，能够有效节约机房空间。虚拟机内的服务器，能够做到统一“虚拟硬件类型”。迁移后，能够在同一界面进行管理。利用虚拟机软件，如果服务器出现故障，甚至停机时，能够将运行内容自动切换到其他相同的服务器中，实现不中断业务的目标。

4.1 V2P（虚拟机到物理机的迁移Virtual-to-Physica）

V2P 是将一个操作系统、应用程序和数据从一个虚拟机转移到物理机器的主机上，是P2V 的反向操作。它能将虚拟机系统一次移植到一个或多个物理机器上。虽然虚拟化最根本的要求是将物理机器集成到虚拟机上，但是它不仅仅是虚拟化。例如，有时候虚拟机中的应用软件出现了问题，必须在物理机器上进行验证，以消除虚拟环境的影响。此外，为一个新的工作站进行配置是IT 管理者们头疼的问题，但是虚拟化程序可以帮他解决这一问题。首先将虚拟机配置好，再利用磁盘克隆工具将数据拷贝到赛门铁克的 Save&Restore （Ghost）等工作站上。但这种克隆方式有两大缺陷：一个镜像只能应用于同一硬件配置的计算机；只有重新创建一个新的镜像才能将配置中的更改保存下来。

4.2 V2V（虚拟机到虚拟机的迁移Virtual-to-Virtual）

V2V 迁移是指将操作系统和数据在虚拟机中进行转移，以适应不同的虚拟设备。虚拟机从一个物理机的VMM 向另外一个物理机的VMM 迁移，这两个VMM 的类型可以是同一或不同的。比如VMware 向KVM 的迁移，KVM 向KVM的迁移。可以用各种方法把虚拟机从一个VMHost 系统向另一个VMHost 系统迁移。

4.3 P2V（物理机到虚拟机的迁移Physical-to-Virtua）

P2V 是将操作系统以及在物理服务器上的应用程序和数据迁移到虚拟服务器中的VMM。这种迁移方法是通过多种工具软件，将物理服务器的系统状态和数据克隆到VMM 所提供的虚拟机上，然后在虚拟机中代替物理服务器的存储硬件和网卡驱动程序。只要将对应的驱动程序安装到虚拟服务器上，将其设定为与原始服务器相同的 TCP/IP 地址等地址，当虚拟机重新启动时，该虚拟服务器就能取代物理服务器的工作。

5 计算机技术中虚拟化技术的实践应用情况

随着计算机产业的发展，计算机虚拟化技术的应用越来越广泛，政府、学校、企事业单位都在通过虚拟化技术开展计算机管理工作，以提升其管理设备的能力，减少计算机的管理费用。

当下，政府和机关单位使用虚拟化技术，主要使用在各种数据终端以及业务处理流程中。这种方法可以达到一定的阶段性、有效性，但也会导致网络使用环境的安全性下降，从而对用户的个人数据和个人的隐私造成威胁。除了这些，有些政府部门还会安排专门的计算机管理人员，负责各种设备的维修和检查，但为了节约人力、物力，却很少考虑网络的安全状况，很少成立专门的网络防护部门，导致实际工作中存在较大的数据安全隐患，致使一些重要数据信息存在泄露或丢失破坏的风险。为此，政府部门要提升对相关技术培训工作的重视程度，创造培训条件，促进工作人员对虚拟化技术的认识，转变工作观念，合理安排技术人员，对虚拟技术进行深入开发，建设高效率的虚拟平台，提高虚拟技术的普及率。

6 结束语

可见，虚拟化技术能够发挥网络资源信息作用，帮助企业减少长期管理投入，加强系统稳定性。相关企业必须重视相关技术，提升技术质量，保证企业健康发展，朝着数字化工作、管理的方向不断迈进。