【云计算基础知识1】虚拟化与容器

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一、虚拟化

定义：一种计算机资源管理技术，将各种IT实体资源抽象、转换成另一种形式的技术。

作用：将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可以运行不同操作系统，提高计算机工作效率。

云计算以虚拟化为核心技术。

1. 虚拟化中的几个概念

• Guest OS：运行在虚拟机上的OS
• Guest Machine：虚拟出来的虚拟机
• VMM(Virtual Machine Monitor)：虚拟机监视器，即虚拟化层。相当于一个软件，安装就行。
  提供转换抽象这个核心功能，调配物理机资源
• Host OS：运行在物理机上的OS
• Host Machine：物理机

2. 虚拟化特点

1、 分区：指可在一台服务器上运行多台虚拟机。
2、 隔离：分区完后的所有虚拟机之间相互隔离，每个虚拟机就像一台单独的物理机。
优点：当前虚拟机中毒崩溃并不会影响该物理机上的其他虚拟机。
3、 封装：整个虚拟机运行条件封装在独立文件夹中，可通过移动文件夹方式迁移虚拟机。
4、 相对于硬件独立：软硬件解耦。不必考虑硬件设施，解决了硬件的不兼容性。

summary：操作系统与物理服务器分离；易迁扩展，资源易于整合，易于保护；物理硬件标准化；

二、虚拟化类型

1. 寄居虚拟化

在宿主机操作系统上安装和运行虚拟化程序(虚拟化层安装在主机操作系统上面)。eg.在windows上装一个Ubuntu虚拟机。

• 特点

① 简单、易于实现。
① 安装和运行应用程序依赖于主机OS对设备的支持；
② 两层OS，管理开销、性能损耗大；
③ 虚拟机对各种物理设备(CPU、内存、硬盘等)的调用，通过虚拟化层和宿主机OS一起协调才能完成。

• 典型

Vmware Workstation、VirtualBox

2. 裸金属虚拟化

直接将VMM安装在硬件设备上，VMM在这种模式下又叫Hypervisor，虚拟机有指令要执行时，Hypervisor会接管该指令，模拟相应操作。

• 特点

① 不依赖于主操作系统
② 支持多种操作系统多种应用(屏蔽了底部硬件的不兼容性)
① 依赖于虚拟层内核和服务器控制台进行管理
④ 需要对虚拟层内核进行开发(难度大)

• 典型

Vmware ESX、Xen、华为FusionSphere

3. 混合虚拟化

在现有的正常的操作系统下安装插入一个内核模块，内核拥有虚拟化能力。(相当于寄居和裸金属的混合)

• 特点

① 相较于寄居虚拟化架构，性能高
② 相较于裸金属虚拟化架构，不需要开发内核
③ 可支持多种操作系统
① 需要底层硬件支持虚拟化扩展功能

• 典型

Redhat KVM

三、虚拟化层架构

虚拟层架构有：全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化。

1. 全虚拟化

所抽象的VM具有完全的物理特性，虚拟化层负责捕获CPU指令，为指令访问硬件充当媒介。(<=>混合虚拟化)

eg. VMware、VirtualBox、Virtual PC、KVM-x86

• 特点

① Guest OS不需要修改(只需在Host OS中插入一个KVM模块)
② 功能和速度好，使用简单
③ 移植性好(只需移动内核)
① 效率不高

• 典型代表——KVM

基于Linux内核的虚拟化技术，可以直接将Linux内核转换为Hypervisor，从而使得Linux内核能够直接管理虚拟机，直接调用Linux内核中的内存管理、进程管理子系统来管理虚拟机。

组成：内核态KVM + 用户态QEMU

将内核模块(KVM+QEMU)插入宿主机，使得宿主机具有虚拟化功能。
KVM：提供CPU和内存虚拟化功能，以及一些核心安全的功能，并向这些功能提供一些接口。
QEMU：使用接口完成设备的模拟(eg. IO虚拟化模拟、网络虚拟化模拟等等)。

物理机进程：宿主机上运行的进程
虚拟机进程：虚拟出来的虚拟机中运行的进程
虚拟机进程只是物理机进程的一个线程。 eg. 上述windows虚拟机其实是一个物理机进程，其中的虚拟机进程是其的一个线程。
进程是由CPU产生的，因此才可以虚拟出来多台虚拟机。eg. 一个CPU最多可生成16个进程，则最多可虚拟出来16台虚拟机。

2. 半虚拟化

起初为解决全虚拟化效率不高的问题。Hypervisor直接安装在物理机上，多个虚拟机在Hypervisor上运行。(全虚拟化不修改OS，直接插入；半虚拟化修改OS，将底层直接变成虚拟化层，因此效率高) <=> 裸金属虚拟化

eg. Xen、VMware ESXi、微软Hype-V

• 特点

① 架构精简，整体速度上有一定优势
① 修改开发OS，用户体验麻烦，难度大(每次升级都要修改开发一次，升级麻烦；全虚拟化升级简单)

• 典型代表——Xen

直接修改OS内核成一个轻量级Hypervisor，在里面运行了一个管理所有资源、做资源调度的Domain0。

组成：Xen Hypervisor(虚拟化层) + Domain0(管理主机) + DomainU(用户虚拟机)

用户态运行调用过程(通过Domain0进行控制和转发)：

资源分配过程正好相反。

3. 硬件辅助虚拟化

直接修改CPU使其支持虚拟化技术。只是辅助全虚拟化和半虚拟化。

4. 全/半虚拟化架构的对比

summary：
1、 Xen平台架构侧重安全性：为保证安全性，各Domain之间对共享区域的访问和映射必须通过Hypervisor授权。
2、 KVM平台架构侧重性能：VM之间以及与Host Kernel之间对共享区域的访问和映射无需Hypervisor进行授权。使用Linux 裸金属内核，故整个访问路径较短，无性能损耗。

四、容器

利用1个开源应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用和依赖包到一个可移植镜像中，发布到任意Linux or Windows机器上实现虚拟化。实现app与OS解耦。

镜像是可执行的独立软件包，包含软件运行的内容(代码、运行环境、系统工具…)。容器就是将OS上层的应用进行隔离。

• 主流容器技术——Docker

Docker属于Linux容器的一种封装，提供简单易用的容器使用接口。有了Docker就不用担心环境问题了。

将应用程序与该程序的依赖打包在一个文件里，运行这个文件就会生成一个虚拟容器，程序在这个虚拟容器中运行，就好像在真实物理机上运行一样。

核心：实现应用与运行环境整体打包以及打包格式的统一。

• 容器的组成

客户端(Docker Client)：图形化界面，与客户交流；
守护进程(Docker Daemon)：接收客户端消息，与底层交流；
镜像(Docker Image)：创建Docker容器；
容器(Docker Container)：镜像运行的示例；
仓库(Docker Registry)：存放镜像文件。

• 容器的特点

本质上是一款轻量级的虚拟化技术。
① 用户需要高效运行环境，而非整个机器；
② 一次构建(build)，到处运行；
③ 部署方便(创建速度秒级)；
④ 隔离性好(相对于应用程序而非OS)；
⑤ 成本低。

• 容器和虚拟化的区别

主要：容器不用打包OS，虚拟化需要

• 容器应用场景

1、提供一次性环境；
2、提供弹性云服务。随开随关、动态扩容缩容；
3、组建微服务架构。一台机器通过多个容器跑多个服务。

summary：虚拟化实现底层硬件和OS解耦，容器实现app和OS解耦。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-753318.html

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