基于高效能计算机系统的虚拟化技术探究

周健

摘要：随着社会发展，计算机技术不断发展变化，在高效能计算机领域对系统性能、系统安全性等形成更高标准。虚拟化技术是随着计算机技术不断发展所产生的衍生技术，具有良好的安全性及配置灵活等特性，在计算机系统安全领域做出不菲成绩，产生深远影响。然而，当下虚拟化技术是基于传统计算机发展所开发的技术，对高效能计算机系统的适配度达不到相应标准，在实用性上还略显不足。因此，旨在研究高效能计算机系统的虚拟化技术，以期为高效能计算机系统发展提供相关借鉴经验，推动高效能计算机更好发展。

关键词：高效能计算机；虚拟化技术；操作系统

一、前言

虚拟化技术已经广泛应用于各行各业的计算机系统领域，对行业发展产生深远影响。在行业发展中，虚拟化技术被广泛应用于安全管理、服务整合等方面，极大程度上加强计算机系统运行效率和产出效率，完善传统计算机系统运行中存在的弊端，利用其共享存储的多处理器系统结构来提高计算机系统性能，保证计算机系统完美运行。在高效能计算机系统领域，虚拟化技术正向高产出率方面覆盖，通过计算机技术全面降低虚拟化技术的使用难度和提高服务质量，加强计算机系统可靠性。当下，高效能计算机已经从低产出率向着高产出率转变，依靠HPCS项目发展出高效率性、高安全性等方面内容。传统高效能计算机采取共享服务模式，用户基数和用户基础处于同一操作环境，使得系统运行时资源占用率不平衡，导致系统运行缓慢，而虚拟化技术的应用就是将高效能计算机系统进行分流，以系统为基础，虚拟化技术为方法进行计算机操作系统优化，以此来实现系统性能上的提高，同时保证易用性和安全性。

二、虚拟化技术概述

（一）虚拟化技术定义

虚拟化技术是一种基于资源管理所开发出的计算机技术，运用虚拟化技术可将一台计算机逻辑运算能力进行并联，虚拟出多台计算机逻辑运算能力，全面加强计算机运算效率和运算质量，这样能够从技术层面打破计算机运算在物理层面的限制，提高计算机应用效率。利用虚拟化技术能让单一计算机系统操作实现多个操作系统效果，多个系统之间保持并联，在运行各程序时相互独立，互不干扰。但在计算机运行时，虚拟化技术需要专业装置进行支撑，如果没有相关装置就必须利用监管程序进行替代，以此保证虚拟化技术顺利运行，利用相关操作系统支撑实现虚拟化技术，是当下虚拟化技术在计算机系统中的关键。

（二）虚拟化技术类型

虚拟化技术主要包含四种类型，即：网络虚拟化、CPU虚拟化、服务器虚拟化和桌面虚拟化。网络虚拟化的诞生是基于用户能更好应用计算机的需求，对网络连接实行虚拟化处理，保证用户能够通过远程访问的方式实现对计算机的操控。CPU虚拟化是以CPU为核心实现的虚拟化技术，将虚拟化技术应用于CPU运行时，可以模拟多个CPU并行的运行模式，全面加强运行效率[1]。服务器虚拟化是指对计算机运行资源进行综合排序、合理应用，准确实现对计算机运行资源的分配，延长服务器使用寿命。桌面虚拟化就是将网络地址和桥接运作等内容进行虚拟化，利用虚拟服务器实现桥接运作，将各区域数据信息进行分离，保证数据安全性。

三、对接高效能计算机系统的虚拟化技术

（一）服务结点虚拟计算域技术

这一操作技术主要是利用系统虚拟化技术完成对多种计算机系统的操作，运用服务结点虚拟计算域技术能够有效将计算机操作系统进行虚拟化处理，以此分离出多个虚拟操作系统，从而实现计算机多点操作情况，全面弥补共享技术存在的瑕疵。以虚拟化技术为核心对操作系统进行分离，能满足用户不同的使用情况，降低用户使用压力，合理优化计算机系统资源，使系统运行更方便、更高效。服务结点虚拟计算域技术能够有效虚拟出满足用户需求的使用环境，并让其保持独立状态，避免出现用户间相互干扰的情况。作为服务结点虚拟计算域技术的衍生技术，双分区单影像优化技术可以完美适配系统运行情况，满足系统运行需要。基于此种技术手段的诞生，高效能计算机系统在操作上实现全面发展，对机密数据和重要资料能够有效保护，保证计算机操作系统的安全性和稳定性。

（二）计算节点高性能计算域

计算节点高性能计算域是对应用户操作所产生的虚拟化技术，针对用户操作方式方法来完成系统任务递交，利用计算节点实现对系统的任务处理，在处理过程中使用科学计算方法完成系统任务。在传统计算机系统处理方式中，需要搭建一个完善的OpenVG环境，在构建系统操作环境时会大量占用系统应用资源，挤占其余系统任务运行空间，利用计算节点高性能计算域能够有效降低计算机系统资源占用，将计算资源进行虚拟化处理能够解放计算机系统资源，让系统任务在虚拟化网络中实现运行，在保证数据安全的基础上提高系统运行效率，提高计算机性能。在实际应用上，虚拟域技术可以在计算机文件路径上进行转换，提高虚拟化技术实践应用效率，依托不同使用环境完成对系统任务的运行后，将不同信息数据输入到不同用户路径，实现数据有效防控，提高计算节点高性能计算域使用效率，依靠服务结点和计算节点的对接保证数据的统一性。

（三）面向虚拟域的作业管理

虚拟域的作业管理是对用户作业加载过程所产生的虚拟化技术，能够有效实现对用户作业加载过程中的合理掌控，实现对用户作业管理上的应用。在全面推广虚拟域作业管理技术后，用户在任务规模建立时就能够合理分配计算机系统资源，利用不同任务规模对接计算机系统资源运用，并将服务结点虚拟计算域和计算节点高性能计算域进行串联，以虚拟域作业管理运行模式保证两者之间的正向链接，通过合理加载路径搭建出完成资源运行环境，充分考虑计算机系统资源运行中的数据变量，完成用户系统作业和系统任务[2]。在具体运行过程中，应利用虚拟域作业管理运行模式将数据进行节点分析，依照计算节点的便捷性来对用户作业和任务进行有效管理，利用简洁运算方法完成用户系统作业并保证数据在传输和计算上具备绝对安全性，将任务运行路径和虚拟环境变量进行充分融合，以此实现用户数据传输，避免用户作业在传输过程中出现数据丢失或数据损坏等情况，保证虚拟域作业管理技术的可靠性。

四、高效能计算机系统虚拟化技术应用优势

（一）提高系统安全性

在计算机系统的运行过程中，安全和稳定是首要因素。在高效能计算机系统中应用虚拟化技术能够有效保证计算机运行中的安全性。依托虚拟化技术没有物理设备和地点方面的限制，使用虚拟化技术能将计算机系统进行分化处理，让用户在同一系统上实现不同系统的运行，通过模拟的方法来实现多系统并行。如此一来就能准确优化高效能计算机系统的运行环境，将计算机系统资源进行集中化管理，利用虚拟化技术提高系统安全性。同时，还能降低系统维护成本，帮助用户简化系统操作步骤，加强系统运行效率，全面提高系统安全性。

（二）降低能源消耗性

计算机系统在运行过程中会极大程度提高能源消耗，高效能计算机更是如此。在高效能计算机系统运行时使用虚拟化技术能够有效降低传统计算机物理设备的性能消耗，延长计算机设备的使用寿命，以此达成降低能源消耗的目的。在传统计算机系统运行时，需要利用大量计算机进行数据演算和分析，会消耗大量电能，大大增加运营成本。但在高效能计算机系统运行时使用虚拟化技术，能将能源消耗降到最低，利用虚拟化技术的便捷性实现对数据的虚拟演算和虚拟分析，在提高整体计算机系统运行效率的同时降低能源消耗，这样不仅能保证数据稳定，还能优化计算机系统运行路径。

（三）保证集中管理性

在传统计算机系统运行时，只能利用单一物理设备进行数据演算和数据分析，这样大大降低了计算机系统对数据的处理能力，限制计算机功能的应用，缩减整体计算机利用空间。在高效能计算机系统运行中使用虚拟化技术，能够有效加强计算机资源集中管理性，让用户在实际操作时通过一台计算机系统模拟出多种不同系统来进行数据演算，大大提高了运行效率，在降低用户对物理计算机设备的依赖性的同时利用虚拟化技术实现对计算机资源合理分配，消减操作任务在计算机系统运行时的无关程序，在满足用户对计算机运算速率需求的基础上，完成计算机资源集中化管理[3]。

五、高效能计算机系统虚拟化技术应用情况

（一）虚拟化技术在教学领域的应用

虚拟化技术在学校发展过程中发挥着不可磨灭的作用。比如：在高校发展过程中，利用虚拟化技术可以促进教学手段多元化，帮助教师将课堂教学方法进行网络化、技术化，全面利用学校丰富的教学资源实现教学目的，营造出良好教学环境，推动学生综合素质发展。深入挖掘虚拟化技术在教学中的应用还能有效培养学生对虚拟化技术的应用能力，利用虚拟化技术实现教学设备更新。比如：学校可以利用以虚拟化技术为核心打造校园平台，让学生随时随地能够进行学习资料下载和浏览，打破时间和空间限制，让学生能够保持学习热情和学习兴趣，推动学校教学任务发展。虚拟化技术在教学领域的应用可以分为桌面虚拟现实和分布式虚拟现实，是现代教育体系发展的重要推手。基于虚拟现实技术可以实现三维网络课件制作、开设网络实验课与构建虚拟教室。三维网络课件制作是基于HTML网络课件进行优化创新，结合虚拟现实技术完成技术突破，实现二维教学课件向三维课件的转变。利用虚拟现实技术可以将文字、声音和视频等教学相关内容进行整合，全面补足二维课件的短板与不足，激发学生主观能动性，提高整体学习效率和学习效果。网络实验课程是依托虚拟现实技术进行虚拟实验，真正做到打破时间与空间的桎梏，引导学生在网络中完成各种实验操作，在降低整体实验危险的基础上加强学生操作性。虚拟教室是以分布式虚拟技术构建虚拟真实教学环境，保证学生按时完成不同知识的学习，实现不同空间的答疑活动，加强师生互动性。

（二）虚拟化技术在云存储中的应用

随着信息技术的全面发展，云存储技术已经成为当下各行各业发展所必不可少的应用手段。由于互联网发展迅速，数据增长呈爆炸性趋势，传统数据存储手段虽然能保证数据的安全性和稳定性，但对于日常数据的应用不具备便捷性，数据存储成本较高。因此，云存储技术的诞生完美解决了这一问题，利用云存储技术，用户可以快速实现对数据的存储与调用，将文件数据进行分门别类地上传，同时利用相关电子设备就能完成下载，大大加强数据应用的便捷性。将虚拟化技术全面应用于云存储中，全面提高数据资源利用效率，以虚拟化技术为核心框架搭建云存储功能，可以保证数据资源的软件化和服务化发展，加强工作效率。云存储技术的本质可以看作云计算系统的重要组成部分，主要以数据存储功能完成对虚拟化技术的融合，保证用户可以在最短时间内完成对数据的获取与应用，提高整体数据使用效率。在进行云存储应用时，用户通常可以采取文件、对象和分布式数据存储的方式加强数据安全性，为后续业务开展提供基础数据支持，加强业务部署速度，优化存储成本。虚拟化技术在云存储中的应用就是构建出一个共享数据存储池，以标准化管理形式推动数据整合，预留出不同规制的接口以满足不同品牌的存储设备，最大限度地降低数据业务对底层存储功能的依赖性。同时要积极优化虚拟化技术在云存储中的功能，保证核心技术架构具备动态更新能力，以适应不同版本的云存储效果，满足对数据存储和数据管理的软件化、服务化发展。深度引导传统存储技术进行虚拟化转变，加强整体业务调度性，搭建高性能云存储系统。

（三）虚拟化技术在API服务的应用

在虚拟化技术的实际应用中，应注重其实用性，而不应将其看成战术性技术工具。因此，要注重虚拟化技术在API服务中的应用情况，实现虚拟化技术与API服务的全面对接，保证虚拟化技术下沉。比如：在打车系统中应用虚拟化技术，首先要构建出完善的开放应用平台，以客户端软件和虚拟号码为辅助手段实现虚拟化技术应用。客户通过客户端完成叫车服务，平台根据数据产生地点和运行路径建立订单并进行分派，为客户或司机提供虚拟号码，让双方实现交流，以此来保证客户数据信息安全。在整条服务链上，依托虚拟化技术来实现服务者和被服务者间的对接，提高数据利用效率的同时保障信息安全，全面提高用户使用效率。以上海贝尔的NC API为例，主要通过运营商构架开放平台实现对虚拟化技术的全面使用，将其应用于打车软件中可以实现客户隐私保护，确保客户在进行叫车时利用虚拟号码与司机进行实际联系，最大限度减少客户号码泄露的情况发生。由于该虚拟号码是虚拟化技术临时开通的权限，在服务结束后就会对相关虚拟资源进行回收销毁。将虚拟化技术应用于API服务中，可以有效实现对产业链上游与下游的串联，实现多方共赢局面，既为服务提供商打开业务局面，也为运营商带来一定效益，还能为使用者提供便利，可谓一举多得。同时虚拟化技术在API服务中应用还能降低整体服务资源投入，达成以小博大的发展方针，减少整体资源应用，以技术手段取代资源使用效果，为传统计算机架构提供技术支撑。同时能够充分开发虚拟化技术的应用范围，全面引领技术发展。

（四）虚拟化技术在高效能计算中的应用

高效能计算是高效能计算机的核心功能，主要应用于HPC开发、Botnet研究等综合实验环境。因此，要重视高效能计算机的核心功能使用，将虚拟化技术融入高效能计算过程中，引导计算规模日益扩大。比如：在开发HPC过程中，可以依托虚拟化技术构建符合系统软件调试的计算环境，确保HPC硬件开发到应用的流程掌控，既构建支撑系统运行的硬件系统，又完成符合应用需求的软件体系。由于高效能计算需要结合多核处理器、并行管理系统等，所以将虚拟化技术融入其中可以有效降低整体使用条件，以模拟技术实现对高效能计算的创新优化[4]。同时，虚拟化技术还能为虚拟制造提供技术支持，保证虚拟制造的相关数据与实际产品数据相吻合，以计算机技术实现复杂产品的设计演练，优化整体设计效率。基于高效能计算在虚拟制造领域的关键性作用，在使用虚拟化技术时要重视应用框架搭建，保证虚拟化技术在高效能计算中的整体性与专业性（见图1）。

六、结语

综上所述，随着虚拟化技术越发成熟、完善，其对各行各业的影响也越加深远，能够全面辅助高效能计算机系统良好运行。在保证计算机系统资源合理利用和分配基础上，全面加强计算机系统适配程度和运行效率。使高效能计算机系统在动态迁移领域和数据运算领域实现全面突破，保证系统运行稳定。

参考文献

[1]盛恺航.高效能计算机系统虚拟化技术的探索[J].数码世界，2017（12）：416.

[2]宋曦，段军红，张华峰，等.高效能计算机系统虚拟化技术初探[J].电脑编程技巧与维护，2017（21）：16-17+24.

[3]陈长全.高效能计算机系统的虚拟化技术探析[J].电子商务，2016（3）：59-60.

[4]王卉.高效能计算机系统虚拟化技术研究[J].城市地理，2015（6）：252.

基金项目：2020年度首批国家级职业教育教师教学创新团队重点课题“新时代高等职业院校‘Web前端开发专业领域团队教师教育教学改革创新与实践”（课题编号：ZD2020030101）