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云计算虚拟化技术基础与实践

  • 主 编:张世海 韩义波
  • 副主编:邢静宇 刘斌
  • 策划编辑:李惠萍
  • 书代号:656200
  • I S B N:978-7-5606-6260-2
  • 出版日期:2022-02
  • 印刷日期:2022-02
  • 业务分类:本科;
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内容简介
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本书主要介绍了云计算关键支撑技术——虚拟化技术的原理与实践。书中在介绍虚拟化的概念分类及实现技术的基础上,给出了基于KVM和QEMU的虚拟化配置方式、原理解析和应用实践,讨论了容器虚拟化技术Docker和容器集群管理工具Kubernetes,阐述了容器虚拟化的实践应用,最后简单介绍了其他主流虚拟化技术,并对虚拟化技术的未来进行了展望。

全书共13章,主要内容包括云计算与虚拟化概述、虚拟化基础环境搭建、虚拟化实现技术、网络虚拟化实现技术、QEMU虚拟化配置、QEMU虚拟化原理、KVM内核模块解析、KVM及QEMU虚拟化应用实践、容器虚拟化技术基础、Docker高级技术、容器集群管理、其他主流虚拟化技术以及虚拟化技术未来与展望。

本书为省级“十四五”普通高等教育规划教材,内容新颖,注重技术应用和实践操作,配套资源丰富,可作为应用型本科及高职高专计算机类专业相关课程的教材或相关领域技术人员的参考书。

从广义上说,云计算是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务,是分布式计算、效用计算、负载均衡、并行计算、网络存储和虚拟化技术等计算机技术混合演进并跃升的结果。在2020年7月29日的可信云大会上,中国信息通信研究院发布《云计算发展白皮书(2020年)》。白皮书指出,未来,云计算将迎来下一个黄金十年,进入普惠发展期。云计算以服务的形态被使用已为业界所接受,当前,全球云计算市场稳定增长,我国公有云服务规模更是首超私有云。

云技术是一种能够抽象、汇集和共享整个网络中的可扩展资源的IT环境。虚拟化是一种可让用户以单个物理硬件系统为基础,创建多个模拟环境或专用资源的技术。虚拟化能将计算机的各种实体资源,如服务器、网络、内存及存储器等抽象转换后以软件的形式呈现出来,不受实体资源架设方式、地域或物理组态的限制。虚拟化的核心特点在于可以提高IT资源的使用敏捷性、灵活性和可扩展性,同时大幅节约成本。简而言之,云计算是一种环境,虚拟化是支撑云计算的一项基础技术。

近些年来,随着多核系统、集群、云计算和边缘计算的广泛部署,虚拟化技术在商业应用上的优势日益突显,不仅降低了IT成本,还增强了系统的安全性和可靠性,虚拟化的概念也逐渐深入人们日常的工作与生活中。

虚拟化技术是一套解决方案,完整的服务器虚拟化解决方案需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持。KVM(基于内核的虚拟机)作为一个主流Linux系统下、x86硬件平台上的全功能开源虚拟化解决方案,包含了一个可加载的内核模块kvm.ko,用来提供虚拟化核心架构和处理器规范。从Linux Kernel 2.6.20版本开始,KVM作为Linux内核的一个模块,就包含在Linux内核代码之中,负责虚拟机的创建、虚拟机内存的分配、虚拟CPU寄存器的读/写以及虚拟CPU的运行等。但是操作虚拟机仅有KVM模块是不够的,还必须有一个运行于用户空间的工具,KVM开发者选择了开源虚拟化软件QEMU。QEMU是一款开源的硬件模拟器及虚拟机监控器。QEMU用于模拟各种硬件资源,提供I/O设备模型以及访问外设的途径,libkvm是KVM提供给QEMU的应用程序接口。KVM和QEMU的结合,成就了基于KVM的虚拟化技术。

基于KVM的虚拟化技术的虚拟机会占用较多的硬件资源,需要进一步提高服务器的资源利用率。随着虚拟化技术的发展,出现了“轻量级”的容器虚拟化技术,其中最流行的就是Docker。Docker利用Linux容器技术实现类似虚拟机的功能,可以用更少的硬件资源给用户提供更多的计算资源。Docker本身不是容器,它是创建容器的工具,是应用容器引擎。传统虚拟机通过虚拟硬件并在其上运行操作系统,然后在操作系统上运行所需应用进程。Docker容器与虚拟机不同,它不需要操作系统,只需应用软件必要的库资源和环境设置即可运行;应用进程直接运行于宿主机内核,容器没有自己的内核,也没有进行硬件虚拟。Docker因此变得高效、轻量,并保证部署在任何环境中的软件都能始终如一地运行。

Docker虽然好用,但面对强大的集群和成千上万的容器,想要将Docker用于具体的业务,对Docker的容器进行编排、管理和调度是很困难的。人们需要一套管理系统,能对Docker及容器进行更高级、更灵活的管理。于是,Kubernetes应运而生。Kubernetes是基于容器的集群管理平台(K8s是Kubernetes的缩写,用8替代了8个字母“ubernete”),是一个可移植的、可扩展的开源平台,Google在2014年将其开源。Kubernetes用于管理容器化的工作负载和服务,可以快速部署和扩展应用,可促进声明式配置和自动化。Kubernetes支持各种形式的云计算平台,且能自动部署、自动重启、自动伸缩和扩展。

本书对云计算中关键的虚拟化技术进行了深入的分析,在虚拟化概念的基础上,进行了虚拟化技术分类,阐述了CPU、内存、网络等虚拟化实现技术。书中首先以KVM和QEMU为例,讲解了服务器虚拟化的详细配置方式和虚拟化原理,进行了基于KVM虚拟化的应用实践;然后对流行的容器虚拟化技术Docker进行了详细分析;接着简要介绍了容器集群管理工具Kubernetes;最后介绍了其他主流虚拟化技术,并对虚拟化技术的未来进行了展望。

本书内容新颖,注重技术应用和实践操作,旨在培养掌握KVM和QEMU虚拟化技术、Docker技术和Kubernetes技术,并能够进行云计算领域虚拟化技术使用与开发的工程技术人员。在对每章内容的组织上,本书注重基础理论知识和实践动手能力的结合,在保证云计算虚拟化基础理论系统性的同时,把QEMU配置、Docker使用和配置、Kubernetes使用和配置等实践操作融入相关章节中,促进“教、学、做”一体化教学模式的实现。

本书由张世海和韩义波担任主编,邢静宇和刘斌担任副主编,单平平、张政为参编。其中,第1章、第10章、第12章中从第12.1节至第12.2节由韩义波编写,第2章、第8章、第11章、第12章中从12.3节至第12.6节由邢静宇编写,第3章、第5章、第13章由刘斌编写,第6章、第9章由单平平编写,第4章、第7章由张政编写,张世海负责全书的统筹及校对。

本书所提供的配套资源文件,读者可登录西安电子科技大学出版社网站(http://www.xduph.com)下载。

本书在编写过程中得到了很多同事和朋友的大力支持,一些同行专家及相关行业人士也提出了很多宝贵意见,在此一并表示感谢。

虚拟化技术是一个比较新的技术和领域,尽管编委会成员在本书编写过程中付出了很多努力,但限于编者的水平,书中不足之处在所难免。读者如有意见和建议,可随时联系我们。我们的邮箱为xingjingyu@nyist.edu.cn,我们会积极听取您的意见建议,密切跟踪虚拟化技术新的发展动向,在本书再版时修改。

本书为河南省“十四五”普通高等教育规划教材。

张世海 韩义波

2021年12月1日

全国上下一盘棋,整合资源,统一调度,即可建设重大项目,应对巨大考验,如中国高铁建设、新冠疫情应对、西部大开发等。云计算可整合计算、存储和网络资源,既满足巨量计算和存储需要,又满足少量、个性化需求。

云计算起源于美国,但中国后来居上。在阿里、百度及腾讯等互联网巨头的带领下,加上国家政策的高度支持,云计算在我国快速发展,规模不断扩大。

从全球市场来看,自2017年以来,全球云计算市场3A格局(亚马逊AWS、微软Azure和阿里云)稳固,三巨头占据近七成市场份额。在国内也是如此,IDC发布的《中国公有云服务市场(2020上半年)跟踪》报告显示,中国市场前五大公有云,即阿里云、腾讯云、华为云、中国电信天翼云和AWS(Amazon Web Services)的总体市场份额达到76.7%。

阿里云在全球云计算市场排名中位列第三,是亚太及中国市场最大的赢家。在阿里巴巴发布的2020财年业绩里,阿里云的收入超过400亿元。如此强劲的表现,让阿里云的估值水涨船高,达到770亿美元。尽管阿里云还没有超过亚马逊和微软,但其“黑马”之姿已经越来越明显,其势头正迎头赶上亚马逊。

2020年以来,受新冠肺炎疫情的影响,云办公、云课堂、云演出、云展览等“云化”生活极大地方便了足不出户的大众,云计算行业也再次走上了风口。根据中国信通院数据预测,我国公有云市场2020—2022年仍将处于快速增长阶段,私有云未来几年将保持稳定增长。据前瞻产业研究院预计,2022年我国云计算整体市场规模将达到2952亿元左右,到2025年市场规模有望突破5400亿元[1] 。

随着全球云计算的快速发展和大规模应用,作为云计算核心部分的虚拟化市场迎来了新一轮的繁荣。云计算关键技术主要包括编程模型技术、数据管理技术、数据存储技术、虚拟化技术和云计算平台管理技术五大核心技术。虚拟化是云计算产业发展的技术基础,占据重要地位,在大型服务器领域得到了广泛的应用。云计算的背后需要数量庞大的服务器集群作为硬件支撑,可以是单台服务器的集群,也可以是机柜形态服务器的集群。虚拟化技术将服务器设备的资源进行划分,分成几十甚至几百台虚拟机,从而向更多的用户提供计算、存储、网络等各种资源。可以说,服务器是云计算虚拟IT资源的底层支撑和来源,虚拟化技术是云计算给用户提供服务的技术基础。云计算的核心就是利用以虚拟化为代表的技术进行计算、存储、网络等资源的配置管理和弹性扩展。

近年来,尤其是2018年中兴事件以来,基础研究国产化提到了国家战略的层面,对于自主可控的国产服务器来说,虚拟化技术的发展显得十分重要。在国家的大力支持下,龙芯、申威、兆芯、海光、飞腾等国产处理器企业发展迅速,对于虚拟化技术的支持也日趋成熟。例如,兆芯处理器通过引进x86指令集和微内核设计,先后推出了ZX-C系列、KX-x000系列;飞腾处理器立足于ARM架构,推出了FT-1500、FT-2000、FT-2000+、FT-2500等一系列高性能处理器产品,并联合了多家单位构建了以飞腾处理器为核心的全自主生态系统。从虚拟化支持能力及生态来看,飞腾处理器已经探索出一条国产服务器之上虚拟化技术发展的新路径[2]。

在虚拟化软件研发方面,国家将虚拟化研发纳入了“十四五”发展规划,并作为重点项目出台了相应的扶持政策;国产虚拟化软硬件产品作为云计算的基础平台发展迅速,国内出现了大量虚拟化软件厂商,推出了多款成熟的虚拟化软件产品,如华为技术有限公司的FusionSphere、北京红山世纪科技有限公司的vGate、北京方物软件有限公司的Fronware vServer等,曙光、浪潮、联想等硬件厂商也纷纷推出了各自的虚拟化解决方案。国产虚拟化技术正呈现百花齐放的局面,同时在性能、兼容性、稳定性和安全性等多个方面,正逐步缩小与国外虚拟化软件厂商巨头的差距,并在很多细分的应用领域实现了弯道超车[3]。

内外因素促使国产虚拟化厂商迎来发展机遇。外界因素上,中美贸易战持续升温,且随着中国经济地位的提升,中央政府强调提高关键核心技术创新能力,为我国的全面发展提供了有力的科技保障。内部因素上,随着国产IT企业实力的增强,打破现有的市场格局,不断提升产品技术竞争力及降低核心技术对外依存度成为必然的需求。目前国内IT企业在硬件层面的能力快速提升,为实现服务器虚拟化技术的国产化奠定了深厚的产业基础。

从目前的市场份额来看,我国服务器虚拟化市场份额中,华为、新华三、浪潮与云宏四家国产服务器虚拟化厂商占据中国服务器虚拟化市场的半壁江山。尽管市场依然存在VMware(威睿)一家独大的情况,但其他国外服务器虚拟化厂商被国内厂商替代的趋势愈发明显。从魔力象限看,服务器虚拟化市场从2013年全由国外巨头占据,到2014—2015年华为占有一席之地,再到2016年深信服也进入了魔力象限。尽管两者处于魔力象限的追随者位置,但依然展现出我国国内服务器虚拟化厂商的迅速崛起与不断冲击现有市场格局之势。从产品角度来看,目前国内服务器虚拟化厂商,如华为、新华三和深信服等旗下服务器虚拟化产品在功能和性能上均接近行内领军厂商VMware和微软,同时这些厂商也在结合其自身原有的优势,增强旗下服务器虚拟化产品的差异化竞争力[4]。

近几年来,国内服务器虚拟化厂商不断抢占VMware与其他国外服务器虚拟化厂商的市场份额,随着国内厂商自身实力增强及不断谋求市场扩张,以及我国政府对实现核心技术可控的信心和决心及其相应措施的贯彻实施,服务器虚拟化技术的国产化趋势有望持续发展。

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