深入理解虛擬化
[導(dǎo)讀]什么是虛擬化虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的根基，在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，虛擬化（技術(shù)）或虛擬技術(shù)（英語：Virtualization）是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源（CPU、內(nèi)存、磁盤空間、網(wǎng)絡(luò)適配器等），予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來并可供分割、組合為一個(gè)或多個(gè)電腦配置環(huán)境。由此，打破實(shí)...
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虛擬化管理程序Hypervisor（VMM），位于虛擬機(jī)與底層硬件設(shè)備之間的虛擬層，直接運(yùn)行于硬件設(shè)備之上，負(fù)責(zé)對硬件資源進(jìn)行抽象，為上層虛擬機(jī)提供運(yùn)行環(huán)境所需資源，并使每個(gè)虛擬機(jī)都能夠互不干擾、相互獨(dú)立地運(yùn)行于同一個(gè)系統(tǒng)中。
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計(jì)算虛擬化，針對CPU和內(nèi)存資源虛擬化技術(shù)。
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網(wǎng)絡(luò)虛擬化，針對網(wǎng)絡(luò)鏈路資源虛擬化技術(shù)。
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IO虛擬化，針對IO資源虛擬化技術(shù)。
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存儲虛擬化，針對磁盤存儲資源虛擬化技術(shù)。
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全虛擬化
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硬件輔助虛擬化
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操作系統(tǒng)協(xié)助/半虛擬化
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| 實(shí)現(xiàn)技術(shù) |
二進(jìn)制翻譯,BT 和直接執(zhí)行
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遇到特權(quán)指令轉(zhuǎn)到root模式執(zhí)行
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Hyper call
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| 客戶操作系統(tǒng)修改/兼容性 |
無需修改客戶操作系統(tǒng)，最佳兼容性
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無需修改客戶操作系統(tǒng)，最佳兼容性
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客戶操作系統(tǒng)需要修改來支持hypercall，因此它不能運(yùn)行在物理硬件本身或其他的hypervisor上，兼容性差，不支持Windows
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| 性能 |
差
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全虛擬化下，CPU需要在兩種模式之間切換，帶來性能開銷；但是，其性能在逐漸逼近半虛擬化。
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好。半虛擬化下CPU性能開銷幾乎為0，虛機(jī)的性能接近于物理機(jī)。
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| 應(yīng)用廠商 |
VMware Workstation/QEMU/Virtual PC
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VMware ESXi/Microsoft Hyper-V/Xen 3.0/KVM
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Xen
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- Guest：客戶機(jī)系統(tǒng)，包括CPU（vCPU）、內(nèi)存、驅(qū)動（Console、網(wǎng)卡、I/O 設(shè)備驅(qū)動等），被 KVM 置于一種受限制的 CPU 模式下運(yùn)行。
- KVM：運(yùn)行在內(nèi)核空間，提供CPU 和內(nèi)存的虛級化，以及客戶機(jī)的 I/O 攔截。Guest 的 I/O 被 KVM 攔截后，交給 QEMU 處理。
- QEMU：修改過的為 KVM 虛機(jī)使用的 QEMU 代碼，運(yùn)行在用戶空間，提供硬件 I/O 虛擬化，通過 IOCTL /dev/kvm 設(shè)備和 KVM 交互。
| 處理器 | CPU 虛擬化 | 內(nèi)存虛擬化 | PCI Pass-through |
| Intel | VT-x | VPID，EPT | VT-d |
| AMD | AMD-V | ASID，NPT | IOMMU |
內(nèi)存虛擬化
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AMD 平臺上的 NPT （Nested Page Tables） 技術(shù)
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Intel 平臺上的 EPT （Extended Page Tables）技術(shù)
I/O虛擬化
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I/O設(shè)備盡量使用準(zhǔn)虛擬化（virtio 和 vhost_net）
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如果需要實(shí)時(shí)遷移，不能使用 SR-IOV
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對更高I/O要求又不需要實(shí)時(shí)遷移的，可以使用 SR-IOV
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每種方案都有優(yōu)勢和不足，在特定環(huán)境下其性能有可能反而下降，因此在生產(chǎn)環(huán)境中使用各種虛擬化方式前需要經(jīng)過完整測試
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在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，一臺物理主機(jī)包含一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)卡（NIC），要實(shí)現(xiàn)與其他物理主機(jī)之間的通信，需要通過自身的 NIC 連接到外部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，如交換機(jī)上。
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這種架構(gòu)下，為了對應(yīng)用進(jìn)行隔離，往往是將一個(gè)應(yīng)用部署在一臺物理設(shè)備上，這樣會存在兩個(gè)問題，
1）是某些應(yīng)用大部分情況可能處于空閑狀態(tài)，
2）是當(dāng)應(yīng)用增多的時(shí)候，只能通過增加物理設(shè)備來解決擴(kuò)展性問題。不管怎么樣，這種架構(gòu)都會對物理資源造成極大的浪費(fèi)。
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datapath是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換的內(nèi)核模塊，其從網(wǎng)口讀取數(shù)據(jù)，并快速匹配Flowtable中的流表項(xiàng)，成功的直接轉(zhuǎn)發(fā)，失敗的上交vswitchd處理。它在初始化和port binding的時(shí)候注冊鉤子函數(shù)，把端口的報(bào)文處理接管到內(nèi)核模塊。
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vswitchd是一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，是ovs的管理和控制服務(wù)，通過unix socket將配置信息保存到ovsdb，并通過netlink和內(nèi)核模塊交互。
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ovsdb則是ovs的數(shù)據(jù)庫，保存了ovs配置信息。
虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)-Overlay
虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)-Overlay
當(dāng)前主流overlay技術(shù)是 GRE 和 VXLAN技術(shù). 通過增加擴(kuò)展報(bào)文頭來實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)在物理網(wǎng)絡(luò)之上傳輸報(bào)文。
GRE
網(wǎng)絡(luò)虛擬化使用通用路由封裝 (NVGRE) 作為虛擬化 IP 地址的機(jī)制。在 NVGRE 中，虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)包封裝在另一個(gè)數(shù)據(jù)包中。此新 NVGRE 格式數(shù)據(jù)包的標(biāo)頭具有相應(yīng)的源和目標(biāo)提供程序區(qū)域 (PA) IP 地址。此外，它還具有 VSID (24 位虛擬子網(wǎng) ID) ，該 ID 存儲在新數(shù)據(jù)包的 GRE 標(biāo)頭中。
VXLAN????????????????????????????????
Virtual eXtensible Local Area Network (VXLAN) 是一種將2層報(bào)文封裝到UDP包(Mac in UDP)中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N封裝協(xié)議。VXLAN主要是由Cisco推出的，VXLAN的包頭有一個(gè)24bit的ID段，即意味著1600萬個(gè)獨(dú)一無二的虛擬網(wǎng)段，這個(gè)ID通常是對UDP端口采取偽隨機(jī)算法而生成的（UDP端口是由該幀中的原始MAC Hash生成的）。這樣做的好處是可以保證基于5元組的負(fù)載均衡，保存VM之間數(shù)據(jù)包的順序。
容器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
CNI(Container Network Interface) 是 google 和 CoreOS 主導(dǎo)制定的容器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它 是在 RKT 網(wǎng)絡(luò)提議 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，綜合考慮了靈活性、擴(kuò)展性、IP分配、多網(wǎng)卡等因素。CNI旨在為容器平臺提供網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化。不同的容器平臺（比如目前的 Kubernetes、Mesos 和 RKT）能夠通過相同的接口調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)組件。這個(gè)協(xié)議連接了兩個(gè)組件：容器管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)插件，具體的事情都是插件來實(shí)現(xiàn)的，包括：創(chuàng)建容器網(wǎng)絡(luò)空間（network namespace）、把網(wǎng)絡(luò)接口（interface）放到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)空間、給網(wǎng)絡(luò)接口分配 IP 等。
Kubernetes本身并不負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，Kubernetes提供了容器網(wǎng)絡(luò)接口CNI（Container Network Interface），具體的網(wǎng)絡(luò)通信交給CNI插件來負(fù)責(zé)，開源的CNI插件非常多，像Flannel、Calico等
容器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
存儲虛擬化
存儲虛擬化(Storage Virtualization)最通俗的理解就是對存儲硬件資源進(jìn)行抽象化表現(xiàn)。構(gòu)建具有統(tǒng)一邏輯視圖的存儲資源池供用戶按需使用。存儲虛擬化將各個(gè)分散的存儲系統(tǒng) 進(jìn)行整合和統(tǒng)一管理，并提供了方便用戶調(diào)用資源的接口。另外，存儲虛擬化能夠?yàn)楹罄m(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)容提供便 利，使資源規(guī)模動態(tài)擴(kuò)大時(shí)無需考慮新增的物理存儲資源（如不同型號的存儲設(shè)備）之間可能存在的差異。
實(shí)現(xiàn)
存儲虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式：
（1） 裸金屬 邏輯卷
（2） 存儲設(shè)備虛擬化
（3） 主機(jī)存儲虛擬化 文件系統(tǒng)
存儲虛擬化分類
文件、塊和對象是三種以不同的方式來保存、整理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲格式。這些格式各有各的功能和限制。
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文件存儲會以文件和文件夾的層次結(jié)構(gòu)來整理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)；
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塊存儲會將數(shù)據(jù)拆分到任意劃分且大小相同的卷中;
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對象存儲會管理數(shù)據(jù)并將其鏈接至關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)。
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塊存儲：即提供裸的塊設(shè)備服務(wù)，裸設(shè)備什么都沒有，需要用戶自己創(chuàng)建分區(qū)、創(chuàng)建文件系統(tǒng)、掛載到操作系統(tǒng)才能用，掛一個(gè)塊存儲設(shè)備到操作系統(tǒng)，相當(dāng)于插一個(gè)新U盤。只實(shí)現(xiàn)了read、write、ioctl等接口。SAN、LVM、Ceph RBD、OpenStack Cinder等都屬于塊存儲服務(wù)。
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文件存儲：可以簡單理解為分布式文件系統(tǒng)，通常實(shí)現(xiàn)了POSIX接口，不需要安裝文件系統(tǒng)，直接像NFS一樣掛載到操作系統(tǒng)就能用。典型的文件存儲如NAS、HDFS、CephFS、GlusterFS、OpenStack Manila等。
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對象存儲：提供Web存儲服務(wù)，通過HTTP協(xié)議訪問，只需要Web瀏覽器即可使用，不需要掛載到本地操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的接口如GET、POST、DELETE等，典型的對象存儲如百度網(wǎng)盤、S3、OpenStack Swift、Ceph RGW等。
虛擬化管理工具
虛擬化管理工具是指與虛擬化環(huán)境及背后的實(shí)體硬件對接的軟件，它的作用是簡化資源管理、分析數(shù)據(jù)并簡化運(yùn)維。每個(gè)虛擬化管理系統(tǒng)都各不相同，但大多數(shù)系統(tǒng)都會提供簡單的用戶界面，還能簡化虛擬機(jī)（VM）創(chuàng)建流程、監(jiān)控虛擬環(huán)境、分配資源、編譯報(bào)告，以及自動執(zhí)行規(guī)則。
libvirt是一套用于管理硬件虛擬化的開源API、守護(hù)進(jìn)程與管理工具。此套組可用于管理KVM、Xen、VMware ESXi、QEMU及其他虛擬化技術(shù)。libvirt內(nèi)置的API廣泛用于云解決方案開發(fā)中的虛擬機(jī)監(jiān)視器編排層（Orchestration Layer）。
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