虚拟化有哪些分类？

人们通常所说的虚拟化技术，是指服务器虚拟化技术。

除此之外，虚拟化还有网络虚拟化、存储虚拟化，和应用虚拟化。

服务器虚拟化 (Server Virtualization)

服务器虚拟化：就是把物理服务器分割成几个较小的虚拟服务器，让CPU、内存、磁盘、I/0等硬件变成可以动态管理的“资源池”，这样就可以最大限度的利用资源。

下图：是一种企业虚拟化服务器的整体解决方案。可以看到，这个解决方案的主体部分是：8台安装了 VMware ESX Server的 PC 服务器。这个服务器就是直接安装在物理服务器的裸机上，把物理服务器上的处理器、内存、存储器和网络资源抽象到多个虚拟机里面。

 

服务器分类

服务器的分类标准非常多。比如，你可以按产品形态分类（塔式服务器、机架服务器、刀片服务器、机柜服务器等等）；也可以按指令集架构分类。

如果是按指令集架构分类，那么可以分成3类：

1. CISC服务器（Complex instruction Set Computing）：复杂指令集计算。

也被称为X86服务器，采用Intel、AMD或其它兼容X86指令集的处理器芯片，和Windows操作系统的服务器，是目前主流的服务器架构。

 

2. RISC服务器（Reduced Instruction Set Computing）：精简指令集计算。

RISC服务器基于RISC处理器

 

3. EPIC服务器（Explicitly parallel Instruction Computing）：显式并行指令计算。

EPIC服务器基于EPIC处理器。

⚠️：使用RISC或EPIC架构的服务器，又称非X86服务器。包括：大型机、小型机和UNIX服务器，并且主要采用UNIX的操作系统。

 

目前常用的服务器主要分为 UNIX服务器和x86服务器。

对UNIX服务器而言，没有统一的虚拟化技术。相比，x86服务器的虚拟化标准相对开放。

x86服务器的虚拟化技术

1. 完全虚拟化 (Full virtualization)

完全虚拟化会使用 hypervisor：是一种能够直接与物理服务器的磁盘空间和 CPU 进行通信的软件。

Hypervisor 监视着物理服务器的资源，保持每台虚拟服务器的独立性，让他们察觉不到其他虚拟服务器的存在。

在使用完全虚拟化方面，最大的限制就是 hypervisor 自身的处理需求。会降低应用速度，影响服务器性能。

2. 准虚拟化 (Paravirtualization)

半虚拟化最初是由IBM开发的。

准虚拟化/半虚拟化：也使用了Hypervisor。但是它的客户操作系统集成了虚拟化方面的代码。

就是说虚拟机不需要模拟硬件，而是在全虚拟化的基础上，把客户操作系统进行了修改，增加了一个专门的API。所以，就不需要Hypervisor耗费一定的资源进行翻译操作。总的来说，就让Hypervisor的工作负担变得非常的小，整体的性能也有很大的提高。

KVM、VMware、Hyper-V都支持半虚拟化。

3. 操作系统层虚拟化

就是在操作系统层面，增添虚拟服务器功能。

它没有独立的Hypervisor层。

要注意的就是，如果使用操作系统层虚拟化的话，所有虚拟服务器必须运行同一操作系统。

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网络虚拟化

理解

网络虚拟化这个概念，相对于计算、存储虚拟化来说是比较抽象的。

在我们的印象中，网络就是由各种网络设备（如交换机、路由器）相连组成的一个网状结构，世界上的任何两个人都可以通过网络建立起连接。

如果你是按这个思路去理解网络虚拟化的话，可能会感觉云里雾里：这样一个庞大的网络如何实现虚拟化？

其实，网络虚拟化更多关注的是数据中心网络、主机网络这样比较「细粒度」的网络。所谓细粒度，是相对来说的，是深入到某一台物理主机之上的网络结构来谈的。

如果把传统的网络看作「宏观网络」的话，那网络虚拟化关注的就是「微观网络」。

从资源这个角度去理解，就会比较好理解一点。

所以，网络虚拟化的目的，是要节省物理主机的网卡设备资源。

传统网络架构

在传统网络环境中，一台物理主机包含一个或多个网卡（NIC，Network Interface Card），要实现与其他物理主机之间的通信，需要通过自身的 NIC 连接到外部的网络设施，比如交换机上面。

这种架构下，为了对应用进行隔离，往往是将一个应用部署在一台物理设备上（像前面讲的一样），这样会存在两个问题：

        1）是某些应用，大部分情况可能处于空闲状态

        2）是当应用增多的时候，只能通过增加物理设备来解决扩展性问题。

不管怎么样，这种架构都会对物理资源造成极大的浪费。

 

虚拟化网络架构

为了解决这个问题，可以借助虚拟化技术对一台物理资源进行抽象：把一张物理网卡虚拟成多张虚拟网卡（vNIC），通过虚拟机来隔离不同的应用。

虚拟机与虚拟机之间的通信，由虚拟交换机完成。

虚拟网卡和虚拟交换机之间的链路也是虚拟的链路。

所以，整个主机内部构成了一个虚拟的网络。

 

总结下来，网络虚拟化主要解决的是虚拟机构成的网络通信问题，完成的是各种网络设备的虚拟化，如网卡、交换设备、路由设备等。

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网络虚拟化过程中主要诞生过 4 类过渡技术：虚拟局域网络（VLAN）、虚拟专用网络（VPN）、主动可编程网络（APN）、覆盖网络。

SDN（software-defined networking）软件定义网络

SDN是网络虚拟化的一种实现方式。

SDN的历史

首先就是OpenFlow。在2008年，斯坦福大学的Nick McKeown （尼克·麦基翁）教授等人提出了 OpenFlow 的概念。然后他们基于OpenFlow ，进一步提出了SDN的概念。2009年，SDN 概念入围Technology Review（技术评论）年度十大前沿技术，之后就获得了学术界和工业界的广泛认可和大力支持。2009年12月，OpenFlow 发布了他们的可用于商业化产品，就是1.0版本。

 

然后就是 Google：Google 就是对 SDN进行了改造。 Google的改造分为三个阶段。

从2010年春天到2012年初，Google的整个B4网络完全切换到了 OpenFlow 网络。经过改造之后，链路带宽利用率提高了3倍以上，接近100%。这个时候开始，SDN 开始爆发性发展。

SDN是什么

简单来说，SDN就是利用OpenFlow协议，把路由器的控制平面（control plane）分离出来了，改用软件方式实现。

SDN这个架构，可以让网络管理员在不动硬件设备的前提下，用中央控制的方式，重新规划网络。

 

具体来说，SDN网络就是在网络之上建立了一个SDN控制器节点：目的就是统一管理和控制下层设备的数据转发。所有的下级节点，管理功能被剥离（交给了SDN控制器），只剩下转发功能。

所以，对于上层应用来说，即使网络再复杂也是不可见的。管理者只需要像配置软件程序一样，进行简单部署，就可以让网络实现新的路由转发策略。如果是传统网络，每个网络设备都需要单独配置。

SDN的工作过程，是基于Flow（流）的。SDN控制器和下级节点之间的接口协议，就是OpenFlow。所以，只有支持OpenFlow的设备，才能被SDN控制器管理。

总的来说，采用SDN之后，整个数据网络的灵活性和可扩展性大大增加。同时，SDN简化网络配置、节约运维成本的特点。

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NFV

NFV就是网络功能虚拟化。NFV的概念是随着云计算和SDN的出现而提出的。

网络功能虚拟化，这个词其实可以拆开来理解：网络功能是指移动通信网络设备的功能。而虚拟化呢，是一个云计算技术。

然后要知道，我们的移动通信网络，是由很多网元设备组成的。

以前，这些网元都是各个厂家自行设计制造的专用设备。但是现在，通信行业都在使用x86通用服务器，替换了厂商专用服务器。

所以 NFV的核心思想：就是把网络硬件设备，通过虚拟化技术，集成到通用的x86架构的服务器上面。

简单来说，就是把分散的网络硬件产品，集成到一个大盒子里面。然后每种产品相当于一个插件来使用。这样，对于服务提供商来说，只需要对设备进行一次性的投入，再通过软件，赋予硬件单独的网元的功能，就可以快速的实现整个网络的搭建。所以，运营商不再需要购买专用硬件设备，降低了硬件资金投入。

SDN & NFV

SDN和NFV的区别：

SDN更多的是一种概念，一个框架，而NFV是实际的应用。

打个比方，假如道路的宽窄是一定的，但是拥堵程度却各不相同。

SDN扮演的角色就是，让服务商通过判断不同时间段，或者不同区域的流量，来让用户“改道而行”，选择一条畅通的线路，然后提升效率。而NFV所能做到的，是在这个道路上，快速的新建一条道路。并且，在你通过之后，把道路取消，然后把资源释放到资源池，供其他网元应用。

还有就是，SDN中的虚拟化技术，和NFV有本质的区别。SDN虚拟的是设备，而NFV虚拟的是功能。

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存储虚拟化 (Storage Virtualization)

存储虚拟化是在存储设备上加入一个逻辑层，通过逻辑层访问存储资源。

对管理员来说，可以很方便的调整存储资源，提高存储利用率。

对用户来说，集中的存储设备，可以提供更好的性能和易用性。

实现方式

存储虚拟化的实现方式一共三种：

裸设备+逻辑卷(juàn)

是最直接的存储控制方式，直接在通用块层上，划分存储块，通过管理这些单元，实现卷的维护操作。

逻辑卷

逻辑卷是在磁盘分区和系统之间增加一个逻辑层。当文件系统的容量觉得不够时，可以向逻辑卷增加新的分区来实现扩大容量的目的，而当文件系统过大又浪费时候，可以选择去除一些基本没有用的磁盘分区，用来减少容量。

其中，Linux就使用了LVM（逻辑卷管理器，Logical Volume Manager）。

从上图里，就能大概的理解一下物理卷，逻辑卷组，逻辑卷的概念：

        物理卷 (Physical Volume, PV)：物理卷可以是一个磁盘，也可以是磁盘中的一个分区。它为LVM提供了存储介质。

        逻辑卷组 (Logical Volume Group, LVG)：多个物理卷可以被逻辑的放到一个卷组里面。逻辑卷组在逻辑上是连续的，它可以由多块物理卷组成，然后就会组成一个逻辑上连续的大存储池，这就是VG。

        物理区块 (Physical Partition)：它是在逻辑上，再把一个卷组分割成连续的小块（注意，是逻辑上的分割，而不是物理上） 。

        逻辑区（logical Partition）：物理区块可以再次组成逻辑区块。

        逻辑卷 (Logical Volume, LV)： 若干逻辑区块，再经过连续组合成卷组，也就是LVM所提供的最终可用来存储数据的单位。(比如/home或者/usr等)。

存储设备虚拟化

通过存储设备的能力，实现卷的维护操作。

该技术的优点：和主机无关，不占用主机资源。

该技术的缺点：一般只能实现对本设备内磁盘的虚拟化。

主机存储虚拟化+文件系统

是指主机通过文件系统管理虚拟机磁盘文件。是目前业界采用较多的虚拟化方式。

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应用虚拟化（Application virtualization）

大多数 IT 部门的一个共同点：需要向大量用户交付各种各样的应用程序。

但我们安装的应用程序越多，我们就越有可能看到冲突、兼容性问题和其他交付障碍。另外，应用程序可能需要不同版本的系统文件。

这时候就有了应用虚拟化，他就允许我们打包应用程序，然后创建一个虚拟应用。虚拟应用很容易部署到多台机器上，而且它不管你的现有的应用程序或系统的配置，它都可以工作。

应用虚拟化通常包括两层含义：

1. 应用软件的虚拟化，就是上面说的情况
2. 桌面的虚拟化

桌面虚拟化技术：把应用程序的人机交互逻辑 (应用程序界面、键盘及鼠标的操作、音频输入/输出、读卡器、打印输出等)，从计算逻辑里分离出来。所以，客户端就不用安装软件，通过网络，就能连接到应用服务器上。

例子

因为疫情的原因，很多企业都要居家办公。

对于大部分企业，开始工作的前三步就是：打开电脑，连上企业 VPN，开始办公。

但是对于某些企业，这种远程工作模式就不太适用了，例如：设计院为了保护企业知识产权，是不允许员工把设计图纸下载到笔记本电脑上的；金融企业需要保护客户的业务机密，要求对用户的数据严格保密。

 

还有一个应用场景就是医院：医生可以在家里远程查看大型高分辨率医疗影像文件。通常，这些文件体积都很大，下载需要花很长时间，所以，在虚拟桌面上远程查看，可以大大提高了诊断效率。

另外，在医院里，为了节省有限的防护服，在非必要情况下医生也避免进入新冠肺炎病区，在隔离区通过远程访问虚拟桌面也可以完成诊断工作。

 

上面这些场景就是桌面虚拟化典型的应用场景。

VMware有个服务叫做VMware Horizon （以前称为 Horizon View）。可以为用户提供远程办公桌面环境。他的办公桌面运行在数据中心的服务器上，员工通过笔记本电脑上的 Horizon Client 来访问远程桌面。注意，企业的敏感数据始终保存在服务器上，这样就可以保证数据安全。

 

技术比较

4种虚拟化技术的比较。

其中，服务器虚拟化、桌面虚拟化相比来说，比较成熟。

总结

服务器虚拟化

服务器虚拟化最常见，就是把一台计算机（服务器）虚拟为多台逻辑计算机（就是虚拟机，Virtual Machine，VM）。

存储虚拟化

就是把硬盘划分LUN。

对于数据中心而言，就是把资源，集中形成池，按照客户需要，提供给物理机或者虚拟机需要的存储资源。

 

⚠️：LUN（Logical Unit Number，逻辑单元号，读作line）。比如说，2块500G的硬盘可以"虚拟化"成4块250G的硬盘，这4块硬盘就称为4个LUN。每个LUN在OS看来就是一块"真实"的硬盘。

⚠️：LUN这个概念要和上面讲的卷区分，卷对应的是我们常说的分区，比如说windows下的C盘、D盘，Linux下的/分区、/var分区，一个分区就是一个卷。

网络虚拟化

就是要节省物理主机的网卡设备资源。

应用虚拟化

就是上面写的：应用软件的虚拟化和桌面的虚拟化。

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系统虚拟化

系统虚拟化的核心思想：用虚拟化软件，在一台物理机上虚拟出一台或多台虚拟机。

系统虚拟化分两种：

1. PC/ 服务器虚拟化：其实就是当你用VMware station的时候，可以在Windows 系统上建立Linux 系统。

 

2. 桌面虚拟化：主要解决的就是桌面环境。比如：苹果和Windows的桌面环境就不一样，或者手机的桌面也是不一样的。就可以用虚拟化技术，使用一台物理机，虚拟出不同的桌面环境。

 

步骤

(1) 利用虚拟化评估工具，实现资源整合:

就是要使用容量规划工具，决定每个系统的配置。

利用虚拟化评估工具，决定整合方案。

然后根据总容量需求，采用虚拟化进行整合。

(2)在服务器虚拟化的基础上，虚拟化I/O和存储:

其实就是实现存储虚拟化和I/O虚拟化。

其中，I/O虚拟化，如果按设备类型分的话，可以分为字符设备 I/O 虚拟化（键盘、鼠标、显示器）、块设备 I/O 虚拟化（磁盘、光盘）和网络设备 I/O 虚拟化（网卡）等。

(3)实现虚拟资源池的统一管理:

在虚拟化平台搭建完成后，还需要有效的管理。

(4)从虚拟化迈向云计算，通过云计算实现跨系统的资源动态调整:

云计算是系统虚拟化的最高境界。