【云计算学习教程】云计算虚拟化技术和容器技术详解

虚拟化技术是云计算的重要技术，主要用于物理资源的池化，从而可以弹性地分配给用户。物理资源包括服务器、网络和存储。但是计算资源的池化不一定要用虚拟化技术，金属裸机也能池化，比如 IBM 的 Softlayer 就是直接使用物理机来实现云计算的。

主机虚拟化的思想可以追溯到 IBM 机器的逻辑分区，即把一台 IBM 机器划分成若干台逻辑的服务器，每台逻辑服务器拥有独占的计算资源（CPU、内存、硬盘、网卡），可以单独安装和运行操作系统。IBM 机器价格昂贵，相对于当时的计算任务来说，机器的计算能力太过强大，所以需要划分为更小的计算单元。

后来随着个人计算机处理能力的不断发展，1998 年 VMware 公司成立，这家公司专注于机器虚拟化的软件解决方案。也就是说，对于不支持逻辑分区的计算机，可以直接通过安装 VMware 虚拟化软件来模拟更多的虚拟机，然后再在这些虚拟机里安装操作系统和应用软件，可以给虚拟机灵活配置内存、CPU、硬盘和网卡等资源，如图 1 所示。

图 1 虚拟机结构

在一台物理机上可以创建很多虚拟机，虚拟机里允许安装不同的操作系统，配置不同的网络 IP 地址。

可以动手做个实验：购买一台计算机（配置：双核 3.0GB CPU、4GB 内存、500GB 硬盘、1000MB 网卡），首先安装 Windows 8 操作系统，把所有的硬件驱动安装好，然后安装办公软件、QQ、音视频播放软件和 C 语言开发工具等。接下来安装 VMware Workstation 12.0 虚拟化软件，安装完成后重新启动计算机，并双击桌面上的“VMware Workstation”图标启动虚拟化软件，如图 2 所示。

在里面可以创建很多虚拟机，比如图 2 中就创建了 14 台虚拟机，虚拟机里安装的操作系统分别是 Windows 7、Windows 8、Windows Server 2012、Windows XP 和 Linux 的各种发行版。只要不启动虚拟机，就不会消耗内存和 CPU 资源，但是会占用硬盘空间。能同时启动的虚拟机数目与计算机的物理内存容量和 CPU 速度有关。另一款免费的桌面虚拟机软件是 Oracle 公司的 VirtualBox。

近几年来，很多大公司不断加入主机虚拟化软件市场，竞争异常激烈。排名靠前的有 EMC（收购 VMware）、微软、思杰、红帽、Oracle、Parallels。微软把虚拟机直接集成在操作系统里；红帽携 KVM 开源虚拟机一路攻城略地；Oracle 的虚拟机算是个小字辈；Parallels 公司的产品既支持虚拟机，也支持容器。

容器是一个轻量级的运行环境，在同样配置的物理机上，能同时运行比虚拟机多三倍的容器。VMware 的虚拟化产品受到微软 Hyper-V、红帽 KVM 及思杰 Xen 的强大冲击，其市场开始出现萎缩的征兆。

图 2 启动虚拟化软件

目前 CPU 发展到多核，且本身就支持虚拟化。虚拟化软件厂商直接推出了能运行在裸机上的虚拟化软件层，如微软的 Windows Hyper-v 2012、EMC 的 ESXi6、思杰的 XenServer、红帽的 RHEV-H等，然后在虚拟化软件层上直接创建更多的虚拟机，如图 3 所示。

虚拟化软件层消耗的计算资源很少，一般在 10% 以内，相比前面的方法，同一台物理机可以运行更多的虚拟机。

针对云计算方案，各虚拟化软件厂商还推出了云端虚拟机管理工具，实现虚拟机的创建、删除、复制、备份、恢复、热迁移和监控等统一管理。其中，热迁移就是在不关闭虚拟机的情况下，把虚拟机从一台物理机转移到另一台物理机上，而正在使用虚拟机的租户感觉不到虚拟机被移动了。一台虚拟机的计算能力目前还不能超过其所在的物理机的计算能力。

图 3 直接在虚拟化软件层创建更多虚拟机

但是在每台虚拟机里都要安装和运行操作系统的做法，仍然浪费了很多计算资源。

举一个简单的例子：假如一台计算机的配置是双核 3GHz 的 CPU、8GB 的内存、500GB 的硬盘，现在在这台计算机上创建 6 台虚拟机，每台虚拟机分配 1GB 内存、64GB 硬盘、1GHzCPU，虚拟机都安装 Windows 7 操作系统。那么当全部虚拟机启动后，几乎就很难再运行应用程序了，因为内存和 CPU 资源都被操作系统本身消耗掉了。

为此，有公司专门推出了应用软件容器产品，即在操作系统层上创建一个个容器，这些容器共享下层的操作系统内核和硬件资源，但是每个容器可单独限制 CPU、内存、硬盘和网络带宽容量，并且拥有单独的 IP 地址和操作系统管理员账户，可以关闭和重启。与虚拟机最大的不同是，容器里不用再安装操作系统，因此浪费的计算资源也就大大减少了，这样同样一台计算机就可以服务于更多的租户，示意图如图 4 所示。

图 4 容器

容器产品提供商 Parallels 针对 Linux 和 Windows 操作系统分别推出了两套应用软件容器产品：OpenVZ 和 Parallels Containers for Windows，其中 OpenVZ 是开源的，Windows 版是商用的，最新版 Parallels Containers for Windows 6.0 支持 Windows Server 2012 Data Center Edition。

开源容器项目 Docker 绝对是后起之秀，受到谷歌公司的大力推崇，发展迅速。微软目前也推出了两种容器产品：Windows Server Container 和 Hyper-V Container，后者的隔离效果介于容器和虚拟机之间。

应用软件容器与虚拟机的第二个不同是，容器里不能进行操作系统级的修改和配置。对于做驱动开发和 Linux 内核定制的人来说，就不适合租赁容器，而虚拟机则没有任何限制。

现在有企业推出了云计算一体机（或称为箱式数据中心），做一个大箱子，里面封装了几台服务器、磁盘柜、计算机网络设备、UPS（不间断电源）、制冷设备等，并且安装了虚拟化软件和云管理工具。微软的云计算一体机采用水冷系统，冷水进去，热水出来，如图 5 所示。

图 5 云计算一体机

云计算一体机消耗的电能（3000W 以上）全部转化为热能被水带出，热水可以进一步利用，真正做到了节约能源，从而使云计算成为名副其实的绿色 IT。图 6 所示为华为的 FusionCube 一体机，不过里面没有制冷设备和 UPS，外表显得“傻大黑粗”。

图 6 华为的 FusionCube 一体机

电力使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是目前国际上通行的用于衡量云端和云计算一体机能源效率的指标，它等于总能耗与 IT 设备能耗的比值。比值越小，表明能源利用率越高，绿色程度越高。

目前国外先进的数据中心机房 PUE 值通常小于 2，而我国的大多数数据中心的 PUE 值为 2～3。在云端，IT 设备主要指服务器、存储设备、网络设备，其他的诸如制冷设备、UPS、安防设备等属于非 IT 设备，其中制冷设备功耗几乎占到总功耗的一半。

出租虚拟机属于 IaaS 云服务，IaaS 的另一种产品是出租裸机，即直接把硬件服务器出租出去，通过服务器上的远程管理卡可以把配置、安装操作系统、开关机等功能整合到租户自助网站上。

最后，对主机虚拟化技术进行总结，如图 7 所示。

图 7 主机虚拟化技术

在图 7 中，“多用户”是实现远程桌面最轻量化的方案，即在操作系统里创建多个用户账号，然后让这些用户登录使用计算机。

目前微软的远程桌面服务和 Linux 多用户运行级别都是实现“多用户”的方法。最近有不少公司在多用户的基础上进一步做轻量化处理，推出应用程序虚拟化（vAPP），如微软的 APP-V、思杰的 XenAPP、VMware 公司的 ThinAPP、Ceedo 公司的 Ceedoclient 等。

应用程序虚拟化有一个好处，即使计算服务器按应用分工，比如使用一台服务