A. 什麼是虛擬化技術虛擬化技術有哪些分類和方法
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Virtualization），它是針對計算機和操作系統的虛擬化，又分成伺服器虛擬化和桌面虛擬化。伺服器虛擬化是一種通過區分資源的優先次序，並將伺服器資源分配給最需要它們的工作負載的虛擬化模式，它通過減少為單個工作負載峰值而儲備的資源來簡化管理和提高效率。桌面虛擬化是為提高人對計算機的操控力，降低計算機使用的復雜性，為用戶提供更加方便適用的使用環境的一種虛擬化模式。平台虛擬化主要通過CPU虛擬化、內存虛擬化猜猜和I/O介面虛擬化來實現。x0dx0a （2）資源虛擬化（Resource Virtualization），針對特定的計算資源進行的虛擬化，例如，存儲虛擬化、網路資源虛擬化等。存儲虛擬化是指把操作系統有機地分布於若干內外存儲器，兩者結合成為虛擬存儲器。網路資源虛擬化最典型的是網格計算，網格計算通過使用虛擬化技術來管理網路上的數據，並在邏輯上將其作為一個系統呈現給消費者，它動態地提供了符賀兆氏合用戶和應用程序需求的資源，同時還將提供對基礎設施的共享和訪問的簡化。當前，有些研究人員提出利用軟體代理技術來實現計算網路空間資源的虛擬化，如Gaia，Net Chaser[21]，Spatial Agent。x0dx0a （3）應用程序虛擬化（Application Virtualization），它包括模擬、模擬、解釋技術等。Java 虛擬機是典型的在應用層進行虛擬化。基於應用層的虛擬化技術，通過保存用戶的個性化計算環境的配置信息，可以實現在任意計算機上重現用戶的個性化計算環境。服務虛擬化是近年研究的一個熱點，服務虛擬化可以使業務用戶能按需快速構建應用的需求，通過服務聚合，可屏蔽服務資源使用的復雜性，使用戶更易於直接將業務需求映射到虛擬化的服務資源。現代軟體體系結構及其配置的復雜性阻礙了軟體開發生命周期，通過在應用層建立虛擬化的模型，可以提供最佳開發測試和運行環境。x0dx0a （4）表示層虛擬化。在應用上與應用程序虛擬化禪散類似，所不同的是表示層虛擬化中的應用程序運行在伺服器上，客戶機只顯示應用程序的UI界面和用戶操作。表示層虛擬化軟體主要有微軟的Windows 遠程桌面（包括終端服務）、Citrix Metaframe Presentation Server和Symantec PcAnywhere等。x0dx0a 1.2 虛擬化的方法x0dx0a 通常所說的虛擬化主要是指平台虛擬化，它通過控製程序隱藏計算平台的實際物理特性，為用戶提供抽象的、統一的、模擬的計算環境。通常虛擬化可以通過指令級虛擬化和系統級虛擬化來實現。x0dx0a 1.2.1 指令級虛擬化方法x0dx0a 在指令集層次上實現虛擬化，即將某個硬體平台上的二進制代碼轉換為另一個平台上的二進制代碼，實現不同指令集間的兼容，也被稱作「二進制翻譯」。二進制翻譯是通過模擬來實現的，即在一個具有某種介面和功能的系統上實現另一種與之具有不同介面和功能的系統。二進制翻譯的軟體方式，它可以有3 種方式實現：解釋執行、靜態翻譯、動態翻譯。x0dx0a 近年來，最新的二進制翻譯系統的研究主要在運行時編譯、自適應優化方面，由於動態翻譯和執行過程的時間開銷主要包括四部分：即磁碟訪問開銷、存儲訪問開銷、翻譯和優化開銷、目標代碼的執行開銷，所以要提高二進制翻譯系統的效率主要應減少後3個方面的開銷。目前典型的二進制翻譯系統主要有Daisy/BOA、Crusoe、Aeries、IA-32EL、Dynamo 動態優化系統和JIT編譯技術等。x0dx0a 1.2.2 系統級虛擬化方法x0dx0a 系統虛擬化是在一台物理機上虛擬出多個虛擬機。從系統架構看，虛擬機監控器（VMM）是整個虛擬機系統的核心，它承擔了資源的調度、分配和管理，保證多個虛擬機能夠相互隔離的同時運行多個客戶操作系統。系統級虛擬化要通過CPU虛擬化、內存虛擬化和I/O虛擬化實現。x0dx0a （1）CPU虛擬化x0dx0a CPU虛擬化為每個虛擬機提供一個或多個虛擬CPU，多個虛擬CPU分時復用物理CPU，任意時刻一個物理CPU只能被一個虛擬CPU使用。VMM必須為各虛擬CPU合理分配時間片並維護所有虛擬CPU的狀態，當一個虛擬CPU的時間片用完需要切換時，要保存當前虛擬CPU的狀態，將被調度的虛擬CPU的狀態載入物理CPU。X86 的CPU虛擬化方法主要有：二進制代碼動態翻譯（dynamic binary translation）、半虛擬化（para-virtualization）和預虛擬化技術。為了彌補處理器的虛擬化缺陷，現有的虛擬機系統都採用硬體輔助虛擬化技術。CPU虛擬化需要解決的問題是：①虛擬CPU的正確運行，虛擬CPU正確運行的關鍵是保證虛擬機指令正確執行，各虛擬機之間不互相影響，即指令的執行結果不改變其他虛擬機的狀態，目前主要是通過模擬執行和監控運行；②虛擬CPU的調度。虛擬CPU的調度是指由VMM決定當前哪一個虛擬CPU實際在物理CPU上運行，保證虛擬機之間的隔離性、虛擬CPU的性能、調度的公平。虛擬機環境的調度需求是要充分利用CPU資源、支持精確的CPU分配、性能隔離、考慮虛擬機之間的不對等、考慮虛擬機之間的依賴。常見的CPU調度演算法有BVT、SEDF、CB等。x0dx0a （2）內存虛擬化x0dx0a VMM通常採用分塊共享的思想來虛擬計算機的物理內存。VMM將機器的內存分配給各個虛擬機，並維護機器內存和虛擬機內存之間的映射關系，這些內存在虛擬機看來是一段從地址0 開始的、連續的物理地址空間。在進行內存虛擬化後，內存地址將有機器地址、偽物理地址和虛擬地址三種地址。在X86 的內存定址機制中，VMM能夠以頁面為單位建立虛擬地址到機器地址的映射關系，並利用頁面許可權設置實現不同虛擬機間內存的隔離和保護。為了提高地址轉換的性能，X86 處理器中加入TLB，緩存已經轉換過的虛擬地址，在每次虛擬地址空間切換時，硬體自動完成切塊TLB。為了實現虛擬地址到物理地址的高效轉換，通常採取復合映射的思想，通過MMU半虛擬化和影子頁表來實現頁表的虛擬化。虛擬機監控器的數據不能被虛擬機訪問，因此需要一種隔離機制，這種隔離機制主要通過修改客戶操作系統或段保護來實現。內存虛擬化的優化機制，包括按需取頁、虛擬存儲、內存共享等。x0dx0a （3）I/O虛擬化x0dx0a 由於I/O設備具有異構性強，內部狀態不易控制等特點，VMM系統針對I/O設備虛擬化有全虛擬化、半虛擬化、軟體模擬和直接I/O訪問等設計思路。近年來，更多的學者將I/O虛擬化的研究放在共享的網路設備虛擬化研究，提出將IOVM結構映射到多核心伺服器平台。I/O設備除了增加吞吐量和固有的並行數據流、聯系串列特性以及基於分組的協議外，還應該考慮到傳統的PCI 兼容的PCI Express的硬體，建立相應的匯流排適配器，以彌補象單一主機無專門的驅動程序時的需要。有些研究人員專注於外存儲虛擬化的研究，提出讓存儲虛擬化系統上的SCSI目標模擬器運行在SAN上，存儲動態的目標主機的物理信息，並使用映射表方法來修改SCSI命令地址，使用點陣圖的技術來管理可用空間等思想。存儲虛擬化系統應提供諸如邏輯卷大小、各種功能、數據鏡像和快照，並兼容集群主機和多個操作系統。由於外存儲虛擬化能全面提升存儲區域網路的服務質量，而帶外虛擬化與帶內虛擬化相比具有性能高和擴展性好等優點，通過運用按序操作、Redo日誌以及日誌完整性鑒別，設計基於關系模型的磁碟上虛擬化元數據組織方式，可以形成一致持久的帶外虛擬化系統。x0dx0a 1.3 虛擬化的管理x0dx0a 虛擬化的管理主要指多虛擬機系統的管理，多虛擬機系統是指在對多計算系統資源抽象表示的基礎上，按照自己的資源配置構建虛擬計算系統，其主要包括虛擬機的動態遷移技術和虛擬機的管理技術。x0dx0a （1）虛擬機之間的遷移x0dx0a 將虛擬化作為一種手段管理現有的資源和加強其在網路計算的利用率，通過構建分布式可重構的虛擬機，必要時在物理伺服器運行時遷移服務。通過移動代理技術、分布式虛擬機等提高資源利用率和服務可用性，通過尋找服務最優的策略在可重構和分布式虛擬機上遷移。為了將虛擬機運行的操作系統與應用程序從一個物理結點遷移到另外一個運行結點，同時保持客戶操作系統和應用程序不受干擾，有些研究者提出以數據為中心的可遷移的虛擬運行環境，使得用戶操作環境實現異地遷移、無縫重構；x0dx0a 也有研究人員提出程序執行環境的動態按需配置機制。在跨物理伺服器遷移虛擬機，進行自動化的虛擬伺服器的管理，必須考慮高層次的服務質量要求和資源管理成本。有些研究人員提出了通過管理程序控制的方法，以支持移動IP的實時遷移虛擬機在網路上，使虛擬機實時遷移其分布計算資源，從而改善遷移性能，降低網路恢復延遲，提供高可靠性和容錯。有些研究機構通過設計一個通用的硬體抽象層，實現多個虛擬機的移植，具有高效率執行環境中的移動設備。虛擬機的遷移步驟一般有啟動遷移、內存遷移、凍結虛擬機、虛擬機恢復執行。x0dx0a （2）虛擬機的管理x0dx0a 對於多虛擬機來說，一個非常重要的方面是減少用戶對動態的和復雜的物理設備的管理和維護，通過軟體和工具來實現任務管理。當前典型的多虛擬機伺服器管理軟體是Virtual Infrastructure，它通過Virtual Center管理伺服器的虛擬機池，通過VMotion完成虛擬機的遷移，通過VMFS管理多虛擬機文件系統。其次，Parallax 是針對Xen 的多虛擬機管理器，它通過採用消除寫共享，增強客戶端的緩存等方式並利用模板映像來建立整個系統；同時使用快照（snapshot）以及寫時復制（-on-write）機制來實現塊級共享，並使用副本來保證可用性。虛擬機監控器直接控制parallax 使用的物理盤，它們運行物理設備驅動器，並給虛擬磁碟鏡像VDI 的本地虛擬機提供一個普通的塊介面。x0dx0a 2 虛擬化在製造業信息化中的應用x0dx0a 2.1 虛擬化在製造業信息化中的應用框架x0dx0a 當今製造業正朝著精密化、自動化、柔性化、集成化、網路化、信息化和智能化的方向發展，在這種趨勢下，誕生了許多先進製造技術和先進製造模式。這些先進製造技術和先進製造模式要求現有的IT基礎設施能提供更高的計算服務水平，因此在製造業信息化中，需要建立以虛擬化為導向的資源分配體系結構，提供客戶驅動的服務管理和計算風險管理，維持以服務水平協議（SLA）為導向的資源分配體系。虛擬化在製造業信息化中主要用於集中IT管理、應用整合、工業控制、虛擬製造等。x0dx0a 處在最底層的是製造業企業的虛擬計算資源池（VirtualCluster），它由多台物理伺服器（PhysicsMachine）形成，各物理伺服器上運行著虛擬化軟體（VMM），虛擬化軟體上運行著完成各種任務需求的虛擬機，虛擬計算資源池的虛擬化管理軟體（VMS）為IT環境提供集中化、操作自動化、資源優化的功能，可以快速部署向導和虛擬機模板。虛擬計算資源池中的虛擬機將不同類型的客戶操作系統（Guest OS）和運行其上的數據層、服務層應用程序（App）封裝在一起，形成一個企業協同設計製造的完整系統，為表示層的用戶提供多種形態的數據處理和顯示功能。在圖1 的框架中，虛擬計算資源池的動態資源調度（DRS）模塊可以跨越物理機不間斷地監控資源利用率，並根據反映業務需要和不斷變化的優先順序的預定規則，在多個虛擬機之間分配可用資源。在製造業信息化中，集中IT管理、應用整合、工業控制、虛擬製造等多種應用需求都將以各種服務的形式被封裝到了虛擬機中，例如製造任務協同服務、資源管理服務、信息訪問服務、WWW服務、工業控制服務、應用系統集成服務、數據管理服務、高效能計算服務、工具集服務等；同時支撐所有應用需求的資料庫也被封裝到了虛擬機中，例如企業模型資料庫、製造資源資料庫、產品模型資料庫、專業知識資料庫、用戶信息資料庫等。虛擬化特有的優點使它能確保所有虛擬機中的關鍵業務連續可靠地運行。x0dx0a 2.2 虛擬化在製造業信息化應用框架中的作用x0dx0a 虛擬化在製造業信息化中的應用主要有：