虚拟化

什么是虚拟化?

虚拟化是一个过程,可从单一的物理系统资源池创建多个模拟的计算环境。这一过程通常用于在同一硬件系统上同时运行多个操作系统。

硬件与软件彼此独立

通过虚拟化,曾经只能以物理形式呈现的资源(如服务器、存储设备或桌面系统等)可抽象为数字形式。此技术使物理硬件与其上运行的软件独立开来。这可以将大型系统的资源分割成更小、更高效、更易共享的多个部分,从而提高硬件资源的利用效率。然后,这些部分可通过虚拟机 (VM) 分配给多个不同的应用和具有不同需求的用户。这项技术最常见的用途之一是运行其他操作系统才能运行的应用,但区别在于无需特定的硬件系统。

打破对物理硬件的依赖和限制

虚拟化还消除了对任何单一硬件的依赖,因此提供了更大的灵活性和控制力。与在专用机器上运行时无异,在 VM 上运行的应用可以访问相同的硬件和软件资源。然而,即便它们可以在同一主机系统上运行,但每个 VM 均处于隔离状态,这为其他 VM 及主机提供了进一步的安全保护。

虚拟化的历史

虚拟化的历史可以追溯到 20 世纪 60 年代的大型机时代,当时这些巨大的硬件每次只能处理一个进程。逐渐地,客户开始要求这些重大投资成果能够同时支持一个以上的用户或流程。20 世纪 60 年代末,IBM 开发出了 CP-67 操作系统,这便是早期的虚拟机监控程序,将虚拟内存引入了该公司的 System 360 服务器系列。其他允许多个用户同时使用一台服务器的解决方案也不断涌现,但虚拟化作为一项利基技术在数十年内的发展一直停滞不前。

20 世纪 90 年代,由于众多企业面临着紧跟单一供应商 IT 堆栈和旧式应用的挑战,他们意识到需要更高效地利用以往未充分利用的服务器资源。利用虚拟化技术,他们不仅可以更高效地对服务器基础设施进行分区,而且可以在不同的操作系统类型和版本上运行旧式应用。由于大型网络由许多运行不同操作系统的不同类型的计算机组成,因此互联网的发展推动了虚拟化的采用。随着虚拟化的应用日益普及,它使服务器不受供应商束缚,并为云计算的发展奠定了基础。

虚拟化如何运作?

虚拟化通过一个名为虚拟机监控程序的软件层实现。该软件能够提取主机系统的资源 - 无论是 CPU、GPU、内存、存储空间还是网络带宽 - 并根据收到的资源请求,为系统上运行的一些虚拟机 (VM) 动态分配资源。每个 VM 均作为一个单一的数据文件在主机系统上运行,可轻松地从一个系统移动到另一个系统,甚至移动到云环境中,并且再次打开时工作方式不变。

虚拟化的类型

随着虚拟化技术的不断发展,它的应用也日益广泛。

  • 服务器虚拟化是虚拟化技术目前在市场上最常见的应用。由于服务器可以处理大量任务,因此对其进行分区以使其组件能够更高效地用于整个系统的多种功能,可以使诸多组织大受裨益。
  • 存储虚拟化由虚拟存储系统管理的一组服务器组成。此系统管理着来自多个来源的存储,并将其作为一个单一的存储池,而不考虑主机系统之间的任何硬件差异。这一虚拟化应用可以让执行备份、归档和恢复任务变得更轻松。
  • 应用虚拟化将应用与运行应用的操作系统和硬件分离开来。最终用户通常在瘦客户端上访问虚拟化应用,而应用本身则在通过互联网连接的数据中心服务器上运行。这可以让运行需要旧版本操作系统的应用变得更轻松,而不会为其他系统资源带来风险。
  • 桌面虚拟化也称为虚拟桌面基础设施 (VDI),是将用户的桌面环境通过镜像处理“复刻”到一个基于软件的系统中,用户可通过互联网远程访问。物理工作空间的所有要素都存储在服务器上,因此最终用户可获得相似的使用体验,而不受所用设备的影响。所有用户数据和程序均位于主机服务器上,而非在最终用户的设备上。
  • 网络虚拟化将虚拟网络与其底层硬件分离开来。虚拟交换机负责处理网络的所有管理问题。借助网络虚拟化,管理员可以更轻松地配置和分配资源,从而获得更出色、更稳定的网络性能。

虚拟化的常见用途

无论是中小型企业还是大型企业,任何规模的企业都能够从虚拟化中受益。尽管最初上手时可能看似非常复杂,但虚拟化带来的长期收益值得这一投入。

虚拟化可帮助企业更高效地利用 IT 基础设施。多个 VM 或 VDI 可以托管于一台服务器硬件上,这不仅能够削减硬件利用率过低带来的成本,而且还可以减少能源和冷却成本。此外,由于手头的硬件较少,维护和资产生命周期管理也变得更加轻松。

对于许多远程或混合工作环境日益增多的公司而言,服务器虚拟化至关重要。借助 VDI、远程桌面服务 (RDS)、虚拟桌面以及类似技术,工作人员可获得可靠的性能并轻松访问工作所需的文件和数据,从而保持较高的工作效率。

灾难恢复 (DR) 是虚拟化的另一个常见用途。相比备份大量专用机器上的数据,备份有限服务器上 VM 文件所需的时间要短得多。此外,使用虚拟化技术,在发生硬件故障或其他灾难时,可以更轻松地将数据转移到其他物理机上。

在软件或应用开发方面,虚拟化降低了成本,并简化了向开发团队提供新资源的过程。新的 VM 不仅可以快速启动,而且独立于底层基础设施以及同一主机上的其他 VM 实例。这样一来,开发环境中的任何问题都不会对系统的其他部分造成影响。

虚拟机的安全优势不仅仅表现在开发和测试流程中。如要访问可疑的文件或数据,您可以在一个隔离的环境或“沙盒”中运行所需的应用,这可以最大限度地降低使用到的系统资源和存储。通过这种方式将软件和应用彼此分离,有助于防止恶意软件或其他威胁在系统中传播。

虚拟化的类型

A. 服务器虚拟化:

  • 服务器虚拟化技术允许大量虚拟服务器在单个物理服务器上运行,从而优化资源效率。
  • 各种虚拟机监控程序,如类型 1(裸机)和类型 2(托管),管理着虚拟机并促进服务器虚拟化。

B. 网络虚拟化:

  • 网络虚拟化包括将网络功能和资源虚拟化,以提高灵活性和效率。
  • 软件定义网络 (SDN) 和网络虚拟化叠加能够创建虚拟网络并实现集中化网络管理。

C. 存储虚拟化:

  • 存储虚拟化包括存储资源虚拟化和数据管理。
  • 存储虚拟化架构和技术实现了高效的存储资源配置、数据迁移和集中化管理。

D. 桌面虚拟化:

  • 桌面虚拟化会对桌面环境和用户工作区进行虚拟化,提供了从各种设备进行访问的灵活性。
  • 虚拟桌面基础设施 (VDI) 和应用虚拟化技术可交付并管理虚拟桌面和应用。

虚拟化的好处和用例

A. 节省成本、经济高效:

  • 虚拟化可整合基础设施,在降低硬件成本的同时节省空间,从而节省资金。
  • 还可提高资源利用率和能源效率、优化基础设施管理,进而节省成本。

B. 可扩展性和灵活性:

  • 使用虚拟化可快速配置虚拟资源,进而快速扩展以满足不断变化的需求。
  • 它根据工作负载需求高效地扩展或缩减资源,实现了灵活且经济高效的资源分配。

C. 灾难恢复和业务连续性:

  • 虚拟化通过复制和实时迁移等功能实现数据保护和高可用性,确保业务连续性。
  • 它支持站点故障切换等灾难恢复策略,可最大限度减少宕机时间并确保数据安全。

D. 测试和开发环境:

  • 虚拟化可简化孤立测试环境的创建工作,在减少冲突的同时确保结果准确。
  • 它通过快速配置和复制虚拟环境来加快测试和开发周期,提高软件开发和测试的效率。

虚拟化技术和组件:

A. 虚拟机监控程序:

  • 类型 1(裸机)虚拟机监控程序直接在主机硬件上运行,而类型 2(托管)虚拟机监控程序在操作系统上运行。
  • 虚拟机监控程序提供了各种不同特征、管理功能和供应商选项,在提供灵活性的同时还可对虚拟化环境进行控制。

B. 虚拟机 (VM):

  • 虚拟机是对能够运行系统和应用的物理计算机的软件仿真。
  • 使用虚拟化软件来完成虚拟机的创建、管理和迁移,因此具有灵活性、可移植性并能高效分配资源。

C. 虚拟网络:

  • 使用虚拟交换机、虚拟局域网 (VLAN) 和虚拟路由器在虚拟化环境中进行网络连接和分段。
  • 通过虚拟网络组件对虚拟化环境中的网络配置和连接进行管理,从而确保灵活性和控制力。

D. 存储虚拟化技术:

  • 存储区域网络 (SAN) 和网络连接存储 (NAS) 为虚拟化环境提供了存储资源。
  • 使用存储虚拟化平台和软件定义存储解决方案对存储资源进行抽象和管理,从而实现高效的数据存储和管理。

虚拟化领域的挑战和注意事项:

A. 性能和资源分配:

  • 对性能的优化包括管理虚拟机之间的资源争用,以及确保高效的资源分配。
  • 各种监控工具有助于识别和排除虚拟化系统中的性能问题,确保获得最佳性能。

B. 安全性和隔离:

  • 要保护虚拟化环境,需要防止虚拟机逃逸以及实施各种访问控制和网络分段措施。
  • 确保虚拟机之间的隔离以及防止未经授权的访问是保持安全的关键考虑因素。

C. 兼容性和集成:

  • 虚拟化可能面临与遗留系统和应用的兼容性相关的问题,在迁移过程中需要慎重对待。
  • 将虚拟化环境与网络和存储等现有系统集成需要有效地进行规划和执行。

D. 管理:

  • 集中化的管理和监控工具可高效管理虚拟化基础设施,确保性能和稳定性。
  • 而各种自动化和编排工具可简化管理任务,提高生产效率,并实现一致的配置和部署。

虚拟化最佳实践

A. 容量规划和性能优化:

  • 为了有效利用资源,需要评估资源要求并相应地规划容量。
  • 可使用各种性能调优技术来优化工作负载部署并调整资源分配,提高系统性能。

B. 安全与合规性措施:

  • 实施网络分段和访问控制等安全控制可增强虚拟化环境的安全性。
  • 还需考虑各种合规性事项,如数据保护和隐私法规,以确保虚拟化环境的合规性。

C. 灾难恢复策略与备份:

  • 通过建立特定于虚拟化系统的备份和恢复过程,防止数据丢失并实现灾难恢复。
  • 要有效处理中断,需要通过全面的灾难恢复规划(包括定期测试)来确保业务连续性。

D. 云环境中的虚拟化:

  • 在公有云、私有云和混合云环境中充分利用虚拟化,实现灵活的资源分配和可扩展性。
  • 使用云管理平台、自动化和资源优化技术来优化云部署中的虚拟化管理。

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