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虚拟化及云计算技术学习笔记.doc
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更新于2023-03-03
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整理了在学习虚拟化过程中的笔记,主要包括虚拟化的基本知识:全虚拟化、半虚拟化、裸金属虚拟化,以及docker相关的详细内容
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1.关于云计算
云计算()是分布式计算()、并行计
算()、效用计算( )、 网络存储(
) 、 虚 拟 化 ( ) 、 负 载 均 衡 (
)、热备份冗余( !"#)等传统计算机和网络技术发展融合的产物。
1.1 概念
云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式,通常涉及通过互联网来提
供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。
美国国家标准与技术研究院($)定义:云计算是一种按使用量付费的模式,这种
模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网
络,服务器,存储,应用软件,服务),这些资源能够被快速提供,只需投入很少的管理
工作,或与服务供应商进行很少的交互。
1.2 特点
云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上,而非本地计算机或远程服务器中,
企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上,根
据需求访问计算机和存储系统。
好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可
以作为一种商品进行流通,就像煤气、水电一样,取用方便,费用低廉。最大的不同在于
它是通过互联网进行传输的。
1.3 架构
云计算架构大体可以分为三个层次的服务,从下往上依次为:基础设施即服务
($),平台即服务( )和软件即服务()。
$%$&'''#(:基础设施即服务。用户通过 $ 可以从
完善的计算机基础设施获得服务。例如:硬件服务器租用。此外,$ 通过互联网提供数
据中心、基础架构硬件和软件资源,还可以提供服务器、操作系统、磁盘存储、数据库和)
或信息资源。
简单来说,$ 其实就是一些硬件,网络和操作系统的组成,对于我们程序员来说这
部分不需要太多了解,因为我们不可能去组建自己的 $,提供给大家使用,就如同我们
在各个云计算平台中提到的云存储、*(虚拟机)或者云服务器。对于开发者来说如果我
们使用 $,就像我们操作一个服务器一样,只是不用安装操作系统了,因为 + 已经包
括在 $ 中了。但是和操作服务器又不一样,如果服务器硬盘扩容,加内存,换 ,
扩充带宽等,必须要经过备份)迁移)测试等大量的工作,但 $ 就不一样,我们可以直接
“设置”就能解决,实际上就是我们把这些东西都外包给别人,然后我们使用他的服务,一
般 $ 供应商会提供这些操作,我们只需要选择我们要什么操作系统,什么样的带宽,
什么样的硬件配置,然后设置就可以了,根本不用担心安装 +,防火墙,网络升级,换
硬件等问题。
%&'''#(:平台即服务。 实际上是指将软件研发的平台
作为一种服务,软件开发者可以在这个基础架构之上建设新的应用,或者扩展已有的应用
同时却不必购买开发、质量控制或生产服务器,以 的模式提交给用户。因此,
也是 模式的一种应用。但是, 的出现可以加快 的发展,尤其是加快
应用的开发速度。例如:软件的个性化定制开发。
使用云服务器的时候虽然操作系统不用安装了,硬件网络问题不用担心了,但是我们
还是要安装和配置程序的环境,比如说安装 $$,,数据库等等。,就是加入
了中间件和数据库,常见的有 ,"-)"-) "- 这些。如果我们使用的是 ,这些也不
用做了,我们只关心程序的开发和部署就可以了,因此我们选择 的时候首先要考虑
的就是自己使用的是什么语言和习惯使用的数据库。也就是说使用的是一个平台,是
供应商提供给我们在互联网上的一种服务。
%&'''#(:软件即服务。它是一种软件分布模式,在这种模式
下,应用软件安装在厂商或者服务供应商那里,用户可以通过某个网络来使用这些软件,
通常使用的网络是互联网。
对于 $、 和 之间的关系,可从两个角度来看:从用户体验角度而言,
它们之间的关系是独立的,因为它们面对不同类型的用户;而从技术角度而言,它们并不
是简单的继承关系% 基于 ,而 基于 $(,因为首先 可以是基于
或者直接部署于 $ 之上,其次 可以构建于 $ 之上,也可以直接构建在物
理资源之上。
$、 和 这三种模式都采用了外包的方式,以减轻企业负担,降低管理、
维护服务器硬件、网络硬件、基础架构软件和应用软件的人力成本。从更高的层次上看,
它们都试图去解决同一个商业问题——用尽可能少甚至是为零的资本支出,获得功能、扩
展能力、服务和商业价值。
我们来打个比方吧:如果我们需要修建一条马路,那么 $ 就是这条马路的基石,
就是这条马路的钢筋水泥,让马路更加牢固,而 则是这条马路修建后用于别人
使用的用途。
对于一般开发者而言:$ 的具体内容不用去关心太多。而 我们只需要知道目
前比较好用的 有哪些就行了。举一个例子,如果想做一个旅游网站,里面用到了天
气预报的功能,没有必要单独做一个这样的功能,可以找一个接口好用的天气预报的
,使用他的服务,然后融入到旅游网站就可以了。再例如想通过短信提醒用户,那就
使用短信发送的 等。剩下的就只剩下 了,如果想把精力全部放在软件开发方
面,不想再考虑什么硬件负载,网络连接,黑客攻击,平台兼容,环境搭建这些,那么
绝对是首选,甚至看不到“我的电脑”,看到的就是 供应商提供的专业界面,简
单实用。
1.4 关键技术
云计算有这样几个关键技术:虚拟化技术、并行编程模型、海量数据分布存储和海量
数据管理技术。其中虚拟化技术是基础,下面将详细介绍虚拟化的相关技术。
1.4.1 计算虚拟化
计算虚拟化,是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算
机上同时运行多个逻辑计算机,每个逻辑计算机可运行不同的操作系统,并且应用程序都
可以在相互独立的空间内运行而互不影响,从而显著提高计算机的工作效率。
计算虚拟化使用软件的方法重新定义划分 $ 资源,可以实现 $ 资源的动态分配、灵
活调度、跨域共享,提高 $ 资源利用率,使 $ 资源能够真正成为社会基础设施,服务于
各行各业中灵活多变的应用需求。
1.4.2 计算虚拟化架构
常见的计算虚拟化架构有寄居式架构和裸金属架构两种。其中:寄居架构就是在操作
系统之上安装和运行虚拟化软件,依赖于主机操作系统对设备的支持和物理资源的管理;
即从下往上看:物理服务器——操作系统——虚拟化软件(也叫 **)——, 操作
系统——应用。它的优点:简单,便于实现;缺点是:安装和运行应用程序依赖于主机操
作系统对设备的支持。*# 和 . 都是基于这种方式实现的。
将 + 需求的特权指令通过 ** 自动捕获的方式运行后返回去 +。当 + 有特权指
令产生时,** 将其自动捕获,将 + 所请求的特权指令进行截获,然后通过 ** 运行
之后将结果返回给 + 层。** 会使用模拟仿真将特权指令模拟仿真的方式执行一遍。虚
拟化场景下,要求将 ,+ 内核的特权解除,从原来的 / 降低到 0 或者 1。这部分特
权指令在 ,+ 中发生的时候,就会产生 ,被 ** 捕获,从而由 ** 完成。
虚拟化场景中敏感指令必须被 ** 捕获并完成。但是由于部分敏感指令不是特权指令,
执行这些指令的时候不会自动 被 ** 捕获。
而裸金属架构就是直接在硬件上面安装虚拟化软件,再在其上安装操作系统和应用,
依赖虚拟层内核和服务器控制台进行管理。即从下往上看:物理服务器——虚拟化软件—
—操作系统——应用。 它的优点是:虚拟机不依赖于操作系统,可以支持多种操作系统,
多种应用,更加灵活;它的缺点是:虚拟层内核封闭,开发难度较大。**(虚拟机管理
器)在这种模式下又叫做 !#2虚拟机有指令要执行时2!# 会接管该指令,
模拟相应的操作。
1.4.3 计算虚拟化软件架构
计算虚拟化往往是通过软件来实现的,目前常见的虚拟化软件架构有三种:全虚拟化、
半虚拟化和硬件辅助虚拟化。
1.4.3.1 全虚拟化
全虚拟化,也称为原始虚拟化技术。在安装了虚拟化软件后,!# 层完全屏
蔽了物理硬件。虚拟机上的操作系统是通过 !# 来分享底层硬件。全虚拟化的运
行速度要快于硬件模拟,但是性能方面不如裸机,因为 !# 需要占用一些资源,
还需要中转。全虚拟化的优点是3操作系统没有经过任何修改;它的缺点是:操作系统必须
能够支持底层硬件。
全虚拟化是指虚拟机模拟了完整的底层硬件,包括处理器、物理内存、时钟、外设等,
使得为原始硬件设计的操作系统或其它系统软件完全不做任何修改就可以在虚拟机中运行。
客户机操作系统(,+)与真实硬件之间的交互可以看成是通过一个预先规定的硬
件接口进行的。全虚拟化 ** 以完整模拟硬件的方式提供全部接口(同时还必须模拟特
权指令的执行过程)。
全虚拟化的工作原理:虚拟机是对真实计算环境的抽象和模拟,** 需要为每个虚
拟机分配一套数据结构来管理它们状态,包括 # 的全套寄存器,物理内存的使用情况,
虚拟设备的状态等等。** 调度虚拟机时,会将其部分状态恢复到 !+ 中。但并非
所有的状态都需要恢复,例如主机 41 寄存器中存放的是 ** 设置的页表物理地址,而
不是 ,+设置的值。 直接运行 ,+ 的机器指令时,由于 ,+ 运
行在低特权级别(40),如果 ,+ 直接访问 !+ 的特权状态(如写 ,
寄存器),就会因为权限不足导致 产生异常,然后将运行权主动交还给 **。此
外,外部中断的到来也会影响 **的运行。** 可能需要先将该虚拟机的当前状态写回
到状态数据结构中,分析虚拟机被挂起的原因,然后代表 ,+ 执行相应的特权操作。
最简单的情况,如 ,+ 对 41 寄存器的修改,只需要更新虚拟机的状态数据结构即
可。一般而言,大部分情况下,** 需要经过复杂的流程才能完成原本简单的操作。最
后 ** 将运行权还给 ,+,,+ 从上次被中断的地方继续执行,或处理
**5塞”入的虚拟中断和异常。这种经典的虚拟机运行方式被称为 '"'-
(捕获'模拟),虚拟机对于 ,+ 完全透明,,+不需要任何修改,但是
** 的设计会比较复杂,系统整体性能受到明显的损害。
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