68、云与虚拟化概念深度解析

云与虚拟化概念深度解析

1. 传统服务器架构与虚拟化的兴起

在为大量客户端提供支持的应用程序运行中，传统的性能模型要求将应用程序的不同功能分离到不同的服务器上。例如，Web 服务器、应用服务器和数据库服务器分别位于不同的物理服务器上，客户仅与前端 Web 服务器通信，Web 服务器将连接传递给应用程序，应用程序再与数据库服务器通信。

这种架构从性能和安全角度来看有一定优势：
- 性能方面 ：为每个元素分配独立的计算资源，提高性能。
- 安全方面 ：有助于隔离访问，增加潜在攻击者的难度。

然而，随着服务器容量的增加，这种模型变得效率低下。为每个功能专门配备一台物理服务器，无法充分利用服务器的全部功能，且成本较高。此时，虚拟化技术应运而生。通过虚拟化，可在单个物理服务器上运行多个虚拟的小型服务器环境，即虚拟服务器，每个虚拟服务器作为独立的实体运行，互不干扰。

2. 虚拟化与虚拟机

虚拟化中的每个虚拟服务器在物理服务器硬件上作为独立服务器运行，被称为虚拟机（VM）。虚拟机之间相互独立，就像位于不同的物理服务器上一样。为了使虚拟机能够公平地共享物理服务器资源，避免冲突，引入了 hypervisor（虚拟机管理程序）。

Hypervisor，也称为虚拟机监视器（VMM），它为服务器上运行的每个虚拟机提供 CPU 时间、内存空间和存储空间的虚拟环境。对于每个虚拟机来说，它感觉自己可以直接访问服务器资源，而不知道 hypervisor 在中间控制资源访问。

由于每个虚拟机是服务器上的独立实体，因此可以在不同的虚拟机中运行不同的操作系统，方便在不同操作系统或同一操作系统的不同版本中运行应用程序，而无需购买额外的服务器。

3. 不同类型的 Hypervisor

Hypervisor 有两种不同的实现方法：

3.1 Type I Hypervisors（裸机虚拟机管理程序）

Type I hypervisors 直接运行在服务器硬件上，无需中间层。其软件直接与系统的 CPU、内存和存储进行交互，根据需要将它们分配给每个虚拟机。

在 Linux 环境中，有两种流行的 Type I hypervisor 包：
- KVM（基于 Linux 内核的虚拟机） ：利用标准的 Linux 内核和特殊的 hypervisor 模块（根据使用的 CPU 不同，如 Intel 或 AMD），安装后可托管任何类型的来宾操作系统。
- XEN ：是硬件虚拟化的开源标准，不仅支持 Intel 和 AMD CPU，还有适用于 ARM CPU 的版本。XEN 项目除了 hypervisor 软件外，还包括其他软件，如用于从来宾操作系统管理 hypervisor 的 API 栈。

3.2 Type II Hypervisors（托管虚拟机管理程序）

Type II hypervisors 运行在现有的操作系统之上，就像主机操作系统上的其他应用程序一样。它将来宾虚拟机作为独立进程在主机操作系统上运行，来宾虚拟机支持的来宾操作系统与主机操作系统完全分离。

使用 Type II hypervisor 的优势在于可以在已安装的操作系统上运行，无需创建新的服务器环境来运行虚拟机。而 Type I hypervisors 则需要专门的服务器来托管虚拟机。

在 Windows 和 macOS 中有许多流行的 Type II hypervisors，如 VMware Workstation 和 QEMU，在 Linux 中常用的是 Oracle VirtualBox。

以下是两种 Hypervisor 的对比表格：
| 类型 | 运行位置 | 与硬件交互方式 | 优势 | 常见示例 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| Type I | 直接运行在服务器硬件上 | 直接与 CPU、内存和存储交互 | 性能高 | KVM、XEN |
| Type II | 运行在现有操作系统之上 | 通过主机操作系统与硬件交互 | 无需新服务器环境 | VMware Workstation、QEMU、Oracle VirtualBox |

4. Hypervisor 模板

为了方便复制虚拟机环境，可以将虚拟机的配置设置保存到模板文件中。虚拟机配置的开源标准是 Open Virtualization Format（OVF），它创建一个包含多个文件的分发包，使用单个 XML 配置文件定义虚拟机硬件环境要求，以及其他文件定义网络访问、虚拟驱动器和操作系统要求。

但 OVF 模板分发较为繁琐，因此出现了 Open Virtualization Appliance（OVA）格式，它将所有 OVF 文件打包成一个单一的 tar 存档文件，便于分发。

5. 容器技术的出现

虽然虚拟机是在服务器环境中创建多个服务器的好方法，但在处理和分发应用程序时仍有不足。为了分发应用程序而复制整个操作系统环境是不必要的，容器技术因此诞生。

5.1 什么是容器

开发应用程序需要大量文件，包括运行时文件、库文件、数据库文件和特定于操作系统的文件。这些文件通常分散在 Linux 虚拟目录中，难以查找。由于运行应用程序需要大量辅助文件，应用程序在开发环境中运行正常，但部署到生产环境时可能会因环境不一致而崩溃。在 Windows 中，这种情况被称为 DLL hell，在 Linux 中也可能出现类似问题。

容器的设计就是为了解决这个问题。它将运行应用程序所需的所有文件收集在一起，形成一个自包含的环境，应用程序所需的一切都存储在容器中。

如果在服务器上运行多个应用程序，可以安装多个容器，每个容器都是特定应用程序的独立环境。应用程序容器具有可移植性，在任何主机环境中运行都能保证相同的行为，这对于应用程序开发者来说非常理想。开发者可以在一个环境中开发应用程序容器，复制到测试环境，然后部署到生产环境，无需担心文件缺失。

与虚拟机相比，容器不包含整个操作系统，因此更轻量级，易于分发。

5.2 Linux 中的容器软件

Linux 在容器开发方面处于领先地位，常用的容器软件有两种：
- LXC ：作为创建容器的开源标准开发。LXC 中的每个容器比标准轻量级应用程序容器更复杂，但比完整的虚拟机轻，处于两者之间。LXC 容器包含自己的精简操作系统，可直接与主机系统硬件接口，不过仍需要主机操作系统才能运行。
- Docker ：由 Docker Inc. 开发并作为开源项目发布。Docker 非常轻量级，允许在同一主机 Linux 系统上运行多个容器。它使用一个独立的守护进程来管理安装的 Docker 镜像，该守护进程监听来自各个容器和 Docker 命令行界面的请求，方便控制容器环境。

5.3 容器模板

容器也可以创建模板来方便复制容器环境。不同类型的 Linux 容器使用不同的方法来分发模板：
- LXC ：使用名为 LXD 的独立实用程序来管理容器。在最近的版本中，LXD 非常流行，现在它本身也被打包为容器软件，但仍使用 LXC 系统镜像。
- Docker ：使用 Docker 容器镜像文件来存储容器配置。容器镜像文件是只读的，可以存储和分发应用程序容器。

6. 使用 Docker 容器

Docker 容器软件包为在 Linux 环境中运行操作系统容器提供了一个简单的平台。但由于 Docker 与容器共享主机操作系统内核，因此只能在 Linux Docker 主机上运行 Linux 容器。

可以使用 docker 命令行工具与 Docker 系统进行交互，以下是一些常用命令：
| 命令 | 描述 |
| ---- | ---- |
| attach | 将主机的 STDIN、STDOUT 和 STDERR 连接到容器 |
| build | 从 Docker 配置文件创建新的容器镜像 |
| commit | 在本地系统上创建编辑后的容器的新镜像 |
| cp | 在本地系统和容器之间复制文件和目录 |
| exec | 连接到正在运行的容器并执行命令 |
| images | 列出本地存储的容器镜像 |
| inspect | 显示容器的详细信息 |
| kill | 立即停止正在运行的容器 |
| login | 登录到 Docker 中心仓库 |
| logs | 从正在运行的容器中检索日志 |
| ps | 列出正在运行的容器 |
| pull | 从 Docker 仓库中检索容器 |
| push | 将容器镜像提交到 Docker 仓库 |
| rm | 删除已停止的容器 |
| rmi | 从本地存储中删除容器镜像 |
| run | 启动一个容器镜像 |
| stop | 停止正在运行的容器 |
| start | 启动已停止的容器 |

以下是在 Linux 系统上安装和使用 Docker 来托管 Linux 容器的步骤：
1. 安装 Docker 软件 ：
- Ubuntu ：使用命令 sudo apt install docker 。
- Red Hat 系列（如 Rocky Linux） ：使用命令 sudo dnf install docker 。
2. 检查 Docker 是否运行 ：在命令行输入 sudo docker ps ，输出显示 Docker 正在运行，并列出当前正在运行的容器（如果有）。
3. 获取 Docker 定制的 Apache Web 服务器容器镜像 ：输入命令 sudo docker pull docker.io/library/httpd:latest ，如果需要特定版本的 Apache，可以在容器镜像名称后指定，如 httpd:2.4 。
4. 部署容器镜像 ：输入命令 sudo docker run -d -t -p 8088:80 --name myApache httpd ，该命令将容器在后台模式下启动，连接一个终端到容器，将容器的 TCP 80 端口暴露到主机的 8088 端口，并为容器命名。运行该命令后，Docker 将显示分配给容器的 ID，使用 sudo docker ps 验证容器是否正在运行。
5. 连接到容器中的 Apache Web 服务器 ：在主机 Linux 桌面的浏览器中输入 http://localhost:8088 ，将看到 Apache Web 服务器的 “It works!” 消息。
6. 在运行的容器中打开交互式 Bash shell ：输入命令 sudo docker exec -i -t myApache bash ，将连接到名为 myApache 的容器并运行 bash 命令行，出现 shell 提示符。
7. 在容器中操作 ：在容器的 /usr/local/apache2 目录下，可以查看和修改 Apache Web 服务器的配置文件，或在 /usr/local/apache2/htdocs 目录下创建新的网页。输入 exit 返回主机系统命令行。
8. 停止运行的容器 ：输入命令 sudo docker stop myApache ，使用 sudo docker ps 验证容器是否已停止。
9. 删除容器 ：输入命令 sudo docker rm myApache 。
10. 删除容器镜像 ：如果不再需要 httpd 容器镜像，输入命令 sudo docker rmi httpd 。

6. 云服务类型

云服务主要有以下三种类型：
- Infrastructure as a service (IaaS) ：提供硬件级别的服务，如服务器、存储空间和网络资源。
- Platform as a service (PaaS) ：提供按需开发软件的环境，包括服务器硬件、操作系统和运行时库。
- Software as a service (SaaS) ：在云环境中运行应用程序，用户通过互联网访问这些应用程序。

7. 总结

云计算为公司提供了一种扩展计算资源的便捷方式，无需购买和管理自己的硬件。通过虚拟化技术，可以在较少的物理硬件上实现多个服务器。Hypervisor 软件管理分配给每个来宾系统的资源，并管理这些资源的使用。

容器是另一种虚拟化形式，为单个应用程序提供一致的运行时环境。部署应用程序到容器中，可确保应用程序在不同环境中运行一致，且容器比虚拟机更轻量级，易于分发。

不同类型的 Hypervisor 和容器技术各有优势，开发者可以根据具体需求选择合适的解决方案。例如，对于性能要求高、对资源管理有严格要求的场景，可以选择 Type I Hypervisor；对于在现有操作系统上快速创建虚拟机的场景，Type II Hypervisor 更合适。而在处理和分发应用程序时，容器技术则展现出明显的优势。

云与虚拟化概念深度解析

8. 云服务环境类型

云服务环境主要有以下三种类型：
- 公共云 ：由第三方拥有和运营的服务器托管，公司不拥有或运营任何服务器硬件，仅使用这些服务器上的空间，其他公司也可在同一公共云中租用空间。
- 私有云 ：托管在公司内部网络的服务器上，所有应用程序文件和数据文件都位于公司网络内。
- 混合云 ：利用私有云服务器，同时将其与公共云服务器连接。数据可以位于公共云外部或私有云内部。

以下是三种云服务环境类型的对比表格：
| 类型 | 服务器所有权 | 数据存储位置 | 特点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 公共云 | 第三方 | 第三方服务器 | 成本低、可共享资源 |
| 私有云 | 公司自身 | 公司内部网络 | 安全性高、定制性强 |
| 混合云 | 结合第三方和公司自身 | 内外部均可 | 灵活、可按需分配资源 |

9. 不同虚拟化技术对比

我们已经了解了虚拟机和容器这两种虚拟化技术，下面通过表格详细对比它们的差异：
| 对比项 | 虚拟机 | 容器 |
| ---- | ---- | ---- |
| 操作系统 | 包含完整操作系统 | 不包含整个操作系统，仅必要文件 |
| 资源占用 | 较高，需为每个虚拟机分配独立资源 | 较低，共享主机内核 |
| 启动速度 | 较慢，需启动完整操作系统 | 较快，无需启动操作系统 |
| 隔离性 | 强，虚拟机之间完全隔离 | 相对较弱，但可通过技术增强 |
| 可移植性 | 高，可在不同硬件和虚拟化平台迁移 | 高，容器镜像可在不同环境运行 |
| 应用场景 | 适合运行多个不同操作系统的应用 | 适合微服务架构、快速部署应用 |

通过这个对比，我们可以更清晰地根据实际需求选择合适的虚拟化技术。例如，当需要运行多个不同操作系统的应用，且对隔离性要求较高时，虚拟机是更好的选择；而对于微服务架构、需要快速部署和扩展应用的场景，容器则更为合适。

10. 技术应用流程总结

为了更直观地展示从传统服务器架构到虚拟化、再到容器技术的应用流程，我们用 mermaid 流程图来呈现：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([传统服务器架构]):::startend --> B{性能与成本考量}:::decision
    B -->|效率低、成本高| C(虚拟化技术):::process
    B -->|满足需求| A
    C --> D{选择 Hypervisor 类型}:::decision
    D -->|高性能需求| E(Type I Hypervisor):::process
    D -->|现有系统利用| F(Type II Hypervisor):::process
    E --> G(创建虚拟机):::process
    F --> G
    G --> H{应用部署需求}:::decision
    H -->|复杂环境、多系统| I(虚拟机部署应用):::process
    H -->|快速部署、轻量级| J(容器技术):::process
    J --> K{选择容器软件}:::decision
    K -->|功能丰富| L(LXC):::process
    K -->|轻量级、便捷| M(Docker):::process
    M --> N(使用 Docker 命令操作):::process

这个流程图展示了一个技术选择的过程：
1. 首先从传统服务器架构出发，根据性能和成本考量决定是否采用虚拟化技术。
2. 若采用虚拟化技术，需选择合适的 Hypervisor 类型（Type I 或 Type II）。
3. 创建虚拟机后，根据应用部署需求决定是使用虚拟机部署应用还是采用容器技术。
4. 若选择容器技术，再根据具体需求选择 LXC 或 Docker 容器软件。
5. 若使用 Docker，可通过 Docker 命令进行容器的操作。

11. 未来展望

随着云计算和虚拟化技术的不断发展，它们将在更多领域得到应用。例如，在人工智能和机器学习领域，云计算可以提供强大的计算资源，而容器技术可以快速部署和管理模型训练和推理环境。

同时，技术也在不断创新。未来可能会出现更高效的 Hypervisor 技术，进一步提高资源利用率；容器技术也可能会在安全性和隔离性方面得到更大的提升，使其在更关键的应用场景中得到应用。

开发者和企业需要不断关注这些技术的发展，及时调整自己的技术栈和架构，以适应不断变化的市场需求和技术环境。例如，企业可以根据业务发展情况，灵活选择云服务环境和虚拟化技术，以实现成本效益的最大化和业务的快速发展。

12. 常见问题解答

在实际应用云与虚拟化技术过程中，可能会遇到一些常见问题，以下是一些解答：
- 问 ：Type I 和 Type II Hypervisor 哪个性能更好？
答 ：一般来说，Type I Hypervisor 性能更好。因为它直接运行在服务器硬件上，无需通过主机操作系统与硬件交互，减少了中间环节，能更高效地分配资源。但 Type II Hypervisor 在现有系统上使用更方便，无需专门的服务器。
- 问 ：容器和虚拟机可以一起使用吗？
答 ：可以。在一些复杂的应用场景中，可以先使用虚拟机创建隔离的环境，然后在虚拟机内使用容器技术快速部署和管理应用。这样既能利用虚拟机的强隔离性，又能发挥容器的轻量级和快速部署优势。
- 问 ：Docker 容器安全吗？
答 ：Docker 容器本身有一定的安全机制，但由于共享主机内核，存在一定的安全风险。可以通过一些技术手段增强安全性，如使用安全的基础镜像、限制容器权限、定期更新容器等。
- 问 ：如何选择合适的云服务类型？
答 ：需要考虑多个因素。如果对成本敏感、对数据安全性要求不高，可选择公共云；如果对数据安全和隐私要求极高，且有一定的技术和资源支持，私有云是更好的选择；如果需要灵活调配资源，结合公共云和私有云的优势，混合云则是合适的方案。

通过这些常见问题的解答，希望能帮助读者更好地理解和应用云与虚拟化技术。在实际操作中，还需要根据具体情况进行深入分析和决策。