计算机领域的虚拟化是指什么

首先，计算机的硬件大体分三种：

计算，存储，网络和接口

对应出来大体对应的就是：

服务器，存储，网络

虚拟化最多的时候常常指的是针对这三种物理设备的虚拟化

那么如何去理解它呢？

首先谈服务器虚拟化

通常来讲我们部署一台服务器是买一套硬件，装一个系统，跑几个应用，做一段运维

我们可能常常会遇到几个问题：

1cpu内存磁盘带宽利用率低：

一个应用也不是核心应用跑也不占什么资源，但就是有环境要求，非独立占一个主机，平时高负载时cpu内存也就跑个20~30%，但电一直要开着，这样就会造成一种巨大的电能浪费，何况电力成本是数据中心第一大成本。

2物理空间占用量大

既然每个物理机都只跑一两个应用，那么就需要很多实体物理机才能把大量服务撑起来，数据中心是个寸土寸金的地方，即便是塔式转机架，机架转刀片，还是要占用大量物理空间，又是一大成本。

3硬件问题

硬件总有个故障率，一旦发生问题就可能会造成系统停摆，服务终止，这对于SLA要求高的关键性应用是不可接受的，目前常用的解决方案主要是软件层面的主备机，负载均衡等方式，但依然会带来备机硬件和维护成本的上升和切换的风险；另外当做硬件升级的时候，则又不可避免的不停机停服务。

那么服务器虚拟化是怎么做呢？

简单来讲，服务器虚拟化就是在操作系统和硬件之间多插了那么一个中间层，通常叫做hypervisor层，把操作系统和硬件从逻辑依赖关系上分离了，用领导的话叫”解耦合“，操作系统和hypervisor层通信，hypervisor层再和硬件通信，这样解决了以上的三个问题。

那么是如何解决的呢？

对于硬件来讲hypervisor层就是它的控制系统，对于hypervisor层来讲，主机操作系统就是个文件而已，这样的话，这个主机操作系统就可以从又控制应用又控制硬件的角色中解脱出来只管应用接口了

那么

1既然操作系统对于hypervisor层来讲只是个文件，那么一个hypervisor层同时多跑几个操作系统也就没什么所谓了，反正对于硬件只认识hypervisor一个系统而已，从此实现一个物理设备其实可以跑一堆操作系统，那么硬件的有效利用率一下子就可以提升了，通常做完服务器虚拟化可以轻松将硬件利用率提升至60%以上。

2既然好几个操作系统都能跑在一台物理设备上，那就可以省掉许多硬件开销了，自然空间利用率就上去了。

3既然虚拟出来的操作系统不过是个文件而已，那么把虚拟机放在一个存储或文件服务器上是不是也OK啊，这样如果使用共享存储的话一台物理机宕机了，它自然可以用另一台物理机把它从存储中恢复回来，这种方式从系统层面实现了HA，并不依赖软件；那么它也自然应该可以在物理机之间来回传输罢，如果硬件升级的话，提前将这个虚拟机在线不停服务的迁移到其他物理机上也就OK了，从而实现了系统级Motion。

再谈存储虚拟化

其实存储虚拟化的定义在各个厂家看来并不十分一致，核心需求都是要存储硬件设备和存储逻辑结构解耦。

最常见的解决方向就是，在主机端装个软件或者和存储间加台设备，把企业内各式各样的存储拼成一个大资源池，不论厂家，不论功能，只按高低性能和生命周期分开，统一管理起来。

当然，这样做的大前提就是解决企业内存储各种管理难的问题，通过某种抽象的方式将其对主机来看就是块儿管理空间而已，这样就免去了针对各个厂商各个功能的了解和掌握，也可以以一种集中的管理方式对存储进行管理。

厂商主要针对的都是这一块儿谈存储虚拟化，但往往这种推进并不十分理想，原因如下：

1如果通过某种形式将其统一管理，不论品牌和高低性能的话，那么就需要各厂家的设备功能高度规范和统一，所有功能都依照木桶原理向下对齐，这对于比如netApp这种存储功能逻辑非常奇葩但却优秀的厂家来讲是十分不公平的，各存储厂家之间的功能差异化就没什么意义了。

2很多时候，公司更倾向于买某个固定厂家的不同类型产品来实现其存储需求，而相同厂家的产品往往又有着可以实现自身统一管理的平台类软件，没必要非得费劲的支持第三方产品。

3统一存储的概念还没推行多少年，多数公司的存储系统还都处于孤岛状态，想要连起来统一管理缺少必要条件和实现动力。

还有一种说法把存储虚拟化看成分布式存储甚至分布式文件系统，简单说就是干脆不要外接存储，直接主机本地盘存数据，然后通过网络和其他主机本地盘实现冗余，以此让存储的逻辑和物理彻底分开无关。

从某个角度讲这其实是非常理想的一种方式，但这种方式适用性目前还比较有限，成型的产品也不多，更多的是软件实现。

再谈网络虚拟化

其实一些网络虚拟化技术我们用了很久了，只是当时没叫这个名词而已，但凡网络技术前面+V的基本都可以看做网络虚拟化，比如说vlan和***，vlan技术就是指在交换机上针对接口虚拟出来逻辑的广播域，***技术是指在公共互联网上虚拟出一条私人隧道，其目的要不是分割网络要不就是合并网络，这种使网络设备机构和网络逻辑结构分离解耦的方式即是网络虚拟化，当然也包括什么vrrp和vss之类的。

最近一段时间谈的比较热门网络虚拟化技术都是针对服务器虚拟化的，因为服务器虚拟化造成了设备和系统解耦还来回飘，所以网络层面也必须针对其做相应的优化，比较常见的方案有虚拟网卡和分布式虚拟交换机等，其核心思想都是想要通过层平面的角度去规划管理做完服务器虚拟化后的网络。

还得说说SDN，虽然SDN本身不能称作虚拟化技术，但其实质却真正实现了完全的解耦，即策略与管理和网络设备的解耦，最终能实现一个大脑控制全身，在超大规模虚拟化后的网络面前，这东西才是王道，没有它的情况下即便虚拟化了网络管理也是问题，所以在思考网络虚拟化的时候也一定要把SDN考虑进去。

服务器虚拟化技术成为当前数据中心的主流发展方向。服务器虚拟化技术提高了可用性，减少IT成本和支持未来的业务增长。然而，服务器虚拟化技术由此带给数据中心的服务器安全问题也不容忽视。 企业保护自己的虚拟服务器环境的安全是非常重要的，特别是虚拟化不仅已经在服务器中更普遍的应用，而且在存储、操作系统、台式电脑和网络资源等方面也在广泛应用。虚拟服务安全的主要问题，以及如何更好地控制这些问题，同时为虚拟化进一步向数据中心普及做好准备。 1、解除服务器虚拟化安全隐患之管理、责任和政策 管理虚拟化的主要问题是谁负责虚拟资源。与物理服务器不同，物理服务器由在这个物理区域的管理员直接负责，虚拟服务器的责任通常是不明确的。当涉及到虚拟化的时候，会出现如下问题：谁负责、谁应该拥有访问权、谁应该配置和保证这个环境的安全这个责任是应该由业务部门、服务器管理员还是一个集中的主管理员负责 当设法解决这些问题时，遵循的一个简单的规则是对待重要的虚拟服务器应该像对待物理服务器一样采取同样的控制措施。例如，如果你没有把你的SAP服务器的根口令提供给主要管理员以外的其他人，对于你的虚拟SAP服务器也要制定同样的规则。 应用安全虚拟解决方案定义和管理整个新的环境中的政策。当遇到虚拟安全的问题时，IT管理员需要制定正确的政策安全地保护自己的系统。然而，这些政策必须足够灵活以保证它们没有太多的限制。IT管理员需要询问使用当前的安全政策是否可以实现服务器虚拟化的全部好处。一个理想的解决方案是通过保证虚拟化不绕过现有的安全控制措施让用户保持对自己的基础设施的控制。这需要高水平的集中批准和控制。 2、解除服务器虚拟化安全隐患之遵守法规 随着一些虚拟服务器变成拥有极少控制的看不见的网络，就会出现遵守法规的问题。对于没有专门负责监视每一台主机内部虚拟机的全部互动情况的数据中心管理员来说，这是很成问题的。随着虚拟化继续向主流应用发展，有许多遵守法规的强制规定将不可避免地影响到虚拟化的应用。例如，这些遵守法规的强制规定之一是PCI-DSS(支付卡行业数据安全标准)。 在零售行业，定义信用卡处理的规定(PCI-DSS要求221)要求企业每台服务器仅执行一项功能。这使人们对这个规定有许多解释。有些零售商也许把这个规定解释为每台物理服务器仅执行一项任务。有些企业仅把这项规定严格地限制在部署虚拟服务器方面。由于标准含糊不清，单个的企业正在采取不同的方式使用虚拟化技术处理信用卡信息。这会暴露持卡人的数据和没有使用新的行业规定遵守法规，从而引起企业的风险。使用一个有经验的综合者解决这个问题。PCI安全标准委员会最近恢复了一个特别兴趣组，以澄清审计人员和用户在虚拟化方面遇到的一些问题。这个兴趣组将在2009年年底之前提供第一轮建议。 在处理服务器虚拟化的遵守法规的问题，企业需要理解自己的风险。建立一个安全的审计跟踪作为遵守内部和外部审计者规定的证明，实时报警和联合流程仍是虚拟环境优先考虑的事情。如果一家公司能够现实地处理自己的风险，它就很容易解决审计者担心的问题并且保证能够修复任何问题。 随着他们允许机构保持老式的服务、操作系统和应用程序，同时继续推进数据中心优化的努力，虚拟机将更加流行。因此，没有一个管理这些老式系统的撤销过程的明确的计划，就会存在风险并且会给企业带来新的重大安全风险。有一种推测认为，老式系统中使用的安全措施能够在虚拟化环境中提供同样的安全保护。企业把老式的安全措施当作安全系统是不安全的，不会以同样的方式发挥作用，从而使企业容易遭到安全攻击。 3、解除服务器虚拟化安全隐患之保证虚拟化安全并监视虚拟化 把服务器虚拟化推广到生产环境的一个重要挑战是保证平台的安全并且进行监视以便解决安全漏洞。与在裸机上运行的操作系统/应用程序不同，在一个虚拟化平台上运行的虚拟机是这个系统的活动部件。虚拟机管理员能够复制和把虚拟机镜像从一台服务器迁移到另一台服务器，在迁移中携带那个虚拟机、操作系统和支持的应用程序等全部内容。IT部门还能够在运行状态暂停、拷贝和把虚拟机从一台服务器迁移到另一台服务器。 当然，这种灵活性还会产生安全漏洞。随着虚拟机的不断的上线和下线，或者根据需要从一台服务器迁移到另一台服务器，安全控制措施需要反映这些变化。此外，随着虚拟机从一台服务器迁移到另一台服务器，这些虚拟机也许会为传统的防火墙检测不到的危险和攻击敞开大门。处理这种安全漏洞的一个理想的方法是利用高级记录事件管理技术。这使企业能够监视各种虚拟化基础设施组件以便检测虚拟化平台中将发生什么事情。这包括监视具体的事件、失败的登录和其它可以认为是违法政策的活动。这种技术还能够让机构详细地理解有权限的用户能够对单个虚拟机做什么。 由于虚拟机的设置和运行时间都比传统的物理服务器更短暂，这将引起额外的担心。这产生了一些风险情况。在这种情况中，虚拟机不可能上线进行安全扫描、升级和使用补丁。当发生故障的时候，找到故障原因也是很困难的，因为虚拟机不断地建立和撤销，快照和检查点经常退回重来。机构部署目前可用的软件管理解决方案管理离线虚拟机和物理服务器以避开这些安全问题是非常重要的。 由于数据中心的虚拟机数量比物理服务器的数量多，保证这些虚拟机避免遭到病毒攻击是比较复杂的。由于虚拟机数量更多，病毒能够成倍地传播，攻击的服务器数量要把纯物理服务器环境中攻击的服务器数量多。传统的网络管理工具看不到虚拟机与虚拟机之间的通讯。要在这种情况下提供帮助，不同物理服务器上的虚拟机池需要在自己的专用网络上相互沟通，能够完全访问共同身份识别和加密等安全功能。 虚拟机镜像将保留在文件中。结果，由于这些文件很容易复制，这就增加了风险。有一些可用的选择可以管理这些特殊问题。虚拟机镜像本身中的秘密数据不应该轻松地访问。最起码的是企业应该加密这些数据或者把这些数据存储到其它的存储位置(这可以是虚拟的或者物理的)。此外，加强管理来自网络的虚拟机镜像能够更严格进行控制，保证最低限度地访问这些镜像和增加身份识别。 4、解除服务器虚拟化安全隐患之虚拟机蔓延和移动 许多企业日益担心虚拟机蔓延问题。除了日益增加的管理复杂性和日益提高的数据中心成本之外，人们还日益担心缺少可用的控制措施避免业务部门经理自己创新大量新的虚拟服务器。使这种担心更加严重的是这些新的服务器也许是在没有保证适当管理和安全的情况下创建的。 与虚拟机蔓延和轻松地在物理服务器之间迁移虚拟机有关的一个重要问题是支持环境的可持续性。这个主要问题是不同的虚拟机工作量通常有不同的与存储、计算和网络有关的要求。控制这个风险需要明确地关联虚拟机工作量和适当的要素分类，以及确保维持必要的安全态势。 当考察软件管理解决方案的时候，企业有必要评估他们支持基于政策的向这个环境动态分配虚拟机的能力。这种能力通常称作“沙箱”。沙箱是隔离运行的应用程序的一种安全机制。沙箱经常用来执行没有经过测试的代码或者没有经过验证的第三方、供应商或用户的应用程序。这种方法通过阻止应用程序向沙箱外部写数据的方法来保证应用程序的安全，阻止进入系统的病毒和其它恶意活动进行破坏。 保持所有相关活动的审计记录也是非常重要的。一个有关正在运行的情况的漫游快照能够让管理员回去进行验证、优化和监视用户活动， 并且保持一个准确的快照。通过运行在同一个沙箱中的与遵守法规有关的应用程序，与其它更普通的应用程序隔离开，企业能够减少数据泄漏的风险。这允许企业保持一个适当的安全态势并且根据传统的数据分类按照政策隔离虚拟机。 为了减少虚拟机蔓延，企业应该利用一些时间培训管理员有关虚拟基础设施开发、管理和安全的知识。他们要求明确地理解虚拟化技术和虚拟化技术与传统的IT基础设施的区别。IT人员必须有正确的工具进行有效的管理。但是，IT人员还需要进行培训以正确地管理这个新的基础设施。 5、解除服务器虚拟化安全隐患之安全改进 机构能够继续改善他们的安全态势。下面是一些额外的建议： ·减少服务器关机时间。虚拟机能够在完全运行的时候进行备份，因此要确认你的系统在继续运行以保证实时备份。如果一个系统发生故障并且管理员执行了实时备份或定时快照，系统会很快恢复。如果恢复是必要的，那么，退回重来就像提取最新的快照一样简单。 ·改善IT效率。企业利用一个批准的黄金镜像能够实现增强的安全性和管理性。这个黄金镜像为一个桌面提供各种存储在防火墙后面的用户资料。这样做企业能够显著改善生产率，帮助改善IT运营。这种做法就是保证每一个使用的虚拟机都是根据经过批准的黄金镜像制作的，无论这些虚拟机用于开发、测试或者生产都是如此。 ·提高灵活性。为了向一切都是服务的模式的过渡，企业能够定义和应用合适的数据分类和分离。这还能够使企业更轻松和更自信地恰当地选择专有的和公共的云计算解决方案。这是因为虚拟化能够参考SOA让实施更方便地在云计算环境中管理和部署。 随着虚拟化继续推动数据中心的发展，采用超越物理环境的最佳安全做法、政策和解决方案并且像对待物理环境一样警惕地对待虚拟环境是非常重要的。理解你的企业的安全风险状况，应用适当水平的安全措施能够让你的企业从虚拟解决方案中获得巨大的好处，同时为未来的数据中心技术创新创造一个舞台。 以上五大服务器虚拟化安全优化策略，是完善服务器虚拟化的关键所在。朗思通普做为HP服务器铂金代理商，专业代理惠普服务器、惠普存储等商用产品与配件，提供HP服务器虚拟化配置、安装、优化等一站式解决方案。

　　说到虚拟服务器，就涉及到一个概念，那就是服务器虚拟化。那么什么是服务器虚拟化呢？

　将服务器的物理资源抽象为逻辑资源，一个服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器。我们不再受限于物理边界，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件成为可以动态管理的资源池，从而提高资源利用率，简化系统管理，实现服务器集成，使 IT 更能适应业务变化——-这就是服务器虚拟化。

　一、虚拟化技术有其优势

　它解决了内存和I/O等硬件瓶颈，但也带来了安全隐患。例如，它破坏了正常的网络架构，导致虚拟服务器受到攻击或出现某种情况。

　虚拟服务器也会受到影响；可能会导致系统服务器过载。如果服务器过载到一定程度，可能会导致各个虚拟服务器的运行程序过慢，影响客户的使用。

更严重的还可能导致物理服务器系统崩溃，给客户造成不可估量的损失；还会使虚拟机失去安全保护，服务器被攻击的几率大大增加，虚拟机补丁带来的安全风险。

　　二、服务器虚拟化系统

　虚拟机的优势之一是降低了服务器的供电和散热成本，同时让操作更简单、更安全、更方便用户来管理服务器。

　此外，部署虚拟机比部署物理机要快得多。您可以在几秒钟内克隆或部署一个新的虚拟服务器，从而不断变化和适应不同的业务需求

　同时，为了使企业数据更安全，虚拟化服务器可以在多个服务器上运行一个应用程序服务器，这意味着当一台服务器出现故障或受到攻击时，它可以继续在另一台服务器上运行。

　同一个应用程序最大限度地减少了服务器中断的可能性。

因为每个应用环境都是不同的，即使在一个地方表现良好，那也不能保证在其他地方同样合适。 对于服务器虚拟化环境来说，光纤通道存储是比较传统的选择。但现在iSCSI和NAS的普及程度也越来越高，毕竟它们的性价比更加突出。下面本文就来看看每一种网络存储技术的规格特性，并逐一分析它们的优势和不足。 光纤通道存储 单从性能和可靠性的角度看，光纤通道无疑是出色的存储架构，其它产品很难与之PK但凡事都有两面性，使用光纤通道存储的确获得了高性能，可用户却不得不承担更高的成本，以及面对更复杂的技术架构。不过，光纤通道技术在数据中心领域的应用历史很长，基础非常好，因此比较大的虚拟化环境通常都倾向于选择光纤通道，这些用户主要还是考虑速度和可靠性的因素（光纤通道当前的带宽是8 Gbps,下一代是16 Gbps）。另外，光纤通道存储网络一直是相对独立的，因此与基于以太网的存储设备相比安全性更好。可问题是，光纤通道需要特殊的HBA主机适配器、特殊的交换机，而且这些配件比以太网络使用的同类配件更加昂贵。 客观的说，如果要从零开始构建一个光纤通道网络代价是很高的。除此之外，光纤通道环境的部署和管理也更复杂，与传统网络架构相比，它配置起来难度很大，熟悉此项技术的人才也偏少。当前，很多公司都有技术熟练的网络管理员，但其中却很少有光纤通道存储网络方面的管理人才。设计并管理一个SAN架构通常需要经过特殊的培训，这无形中又进一步增加了实施的费用。 光纤通道存储的优势： FC是部署企业级存储架构的首选，而且许多应用环境本身就已经在使用SAN了； 由于具有更高的可用带宽，通常情况下性能表现最好； 独立的光纤通道网络更安全；还有LUN zoning和LUN masking等访问控制机制； 支持boot from SAN（从存储启动系统），服务器本地不再需要硬盘； 基于block的块存储类型，可以使用VMware vSphere自带的VMFS卷（一种文件系统）。 光纤通道存储的不足： 从零开始构建的话，部署成本会很高； 需要特殊的、昂贵的配件，比如交换机、线缆和HBA卡； 实施和管理也许更复杂，通常需要专职的存储管理员； 可用的安全控制功能较少，实现认证和加密比较复杂。 如果用户的物理服务器上准备运行多个虚拟机，且应用类型对磁盘I/O有较高的要求，那么为了得到最佳的性能，用户或许应该认真考虑使用光纤通道存储系统。此外，FCoE也是一个选择，它相当于在传统的以太网设备上承载光纤通道协议。但目前FCoE必须部署在同样昂贵的10 Gbps以太网环境，需要特殊的交换设备。 如果用户的应用环境中已经有了FC SAN,那么在构建虚拟化平台时使用光纤通道储存是很合适的。扩展一个已有的SAN环境很容易，而且比部署一个全新的环境要便宜许多。如果用户的预算充足，而且有管理复杂环境的技术能力，那么选择光纤通道存储一定没错。

各种虚拟化技术服务器虚拟化物理资源抽象成逻辑资源一台服务器变成多台，相互独立的虚拟服务器不局限物理的界限让硬件变成动态管理的资源池提高利用率，简化系统管理桌面虚拟化将计算机的终端系统进行虚拟化达到桌面使用的安全性和灵活性任何设备时间地方都能通过网络访问属于个人的桌面系统并非本地操作系统提供的桌面应用程序虚拟化将应用程序与操作系统解耦为应用程序提供了一个虚拟的环境（可执行文件+运行环境）本质是把应用程序对底层的系统和硬件的依赖抽象出来，可以解决程序版本不兼容的问题也在后台的数据中心里面存储虚拟化将异构的存储资源组成一个巨大的存储池对于用户，透明化了底层的磁盘磁带，直接使用存储资源即可管理变得方便，根据需要把存储资源分配给各个应用网络虚拟化一个物理网络支持多个逻辑网络保留了网络设计中原有的层次结构、数据通道和所能提供的服务使得最终用户的体验和独享物理网络一样提高了网络资源的利用率虚拟化技术的两种类型Type1：直接在物理硬件上运行，它控制硬件并管理虚拟机，又叫裸机虚拟机管理程序Linux KVM：开源的虚拟化平台，是为x86机器开发的基于内核的虚拟机，将Linux内核转变成虚拟机管理程序，因此虚拟机可以直接访问硬件，是一种全虚拟化的裸机虚拟化技术。Vmware ESXi：直接安装在底层物理硬件上的全虚拟化技术

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自从虚拟化提出以后，至今虚拟化技术分类有很多，方法也有很多，下面来一起了解下什么是虚拟化技术，及分类和方法。

当今发达国家在设计、制造、加工技术等方面已经达到相当自动化的水平，其产品设计普遍采用CAD、CAM、CAE和计算机仿真等手段，企业管理也已采用了科学的规范化的管理方法和手段，目前其主要从制造系统自动化方面寻找出路，为此提出了一系列新的制造系统，如敏捷制造、并行工程、计算机集成制造系统等。近些年，从虚拟机的大量部署到成功案例逐渐涌现，越来越多的制造企业开始关注虚拟化技术给优化IT基础架构，推动业务创新带来的启发，希望将其与业务相结合，找到掌握新技术、革新先进制造系统和先进制造模式的方法。虚拟化目前应用于制造业信息化主要体现在IT整合和节约成本，在其他方面很少，而实际上由于虚拟化技术的特点，其应用价值可以在远程办公、虚拟制造、工业控制等制造业相关领域都能得到体现。本文主要对虚拟化技术及其在制造业的应用现状进行综述，提出虚拟化在制造业的应用框架，为相关人员提供该领域的应用研究进展与发展趋势方面的介绍。

1 虚拟化技术

虚拟化是指为运行的程序或软件营造它所需要的执行环境，在采用虚拟化技术后，程序或软件的运行不再独享底层的物理计算资源，它只是运行在一个完全相同的物理计算资源中，而底层的影响可能与之前所运行的计算机结构完全不同。虚拟化的主要目的是对IT基础设施和资源管理方式的简化。虚拟化的消费者可以是最终用户、应用程序、操作系统、访问资源或与资源交互相关的其他服务。由于虚拟化能降低消费者与资源之间的耦合程度，消费者不再依赖于资源的特定实现，因此在对消费者的管理工作影响最小的基础上，可以通过手工、半自动、或者服务级协定（SLA）等来实现对资源的管理。

11 虚拟化的分类

从虚拟化的目的来看，虚拟化技术主要分为以下几个大类：

（1）平台虚拟化（Platform Virtualization），它是针对计算机和操作系统的虚拟化，又分成服务器虚拟化和桌面虚拟化。服务器虚拟化是一种通过区分资源的优先次序，并将服务器资源分配给最需要它们的工作负载的虚拟化模式，它通过减少为单个工作负载峰值而储备的资源来简化管理和提高效率。桌面虚拟化是为提高人对计算机的操控力，降低计算机使用的复杂性，为用户提供更加方便适用的使用环境的一种虚拟化模式。平台虚拟化主要通过CPU虚拟化、内存虚拟化和I/O接口虚拟化来实现。

（2）资源虚拟化（Resource Virtualization），针对特定的计算资源进行的虚拟化，例如，存储虚拟化、网络资源虚拟化等。存储虚拟化是指把操作系统有机地分布于若干内外存储器，两者结合成为虚拟存储器。网络资源虚拟化最典型的是网格计算，网格计算通过使用虚拟化技术来管理网络上的数据，并在逻辑上将其作为一个系统呈现给消费者，它动态地提供了符合用户和应用程序需求的资源，同时还将提供对基础设施的共享和访问的简化。当前，有些研究人员提出利用软件代理技术来实现计算网络空间资源的虚拟化，如Gaia，Net Chaser[21]，Spatial Agent。

（3）应用程序虚拟化（Application Virtualization），它包括仿真、模拟、解释技术等。Java 虚拟机是典型的在应用层进行虚拟化。基于应用层的虚拟化技术，通过保存用户的个性化计算环境的配置信息，可以实现在任意计算机上重现用户的个性化计算环境。服务虚拟化是近年研究的一个热点，服务虚拟化可以使业务用户能按需快速构建应用的需求，通过服务聚合，可屏蔽服务资源使用的复杂性，使用户更易于直接将业务需求映射到虚拟化的服务资源。现代软件体系结构及其配置的复杂性阻碍了软件开发生命周期，通过在应用层建立虚拟化的模型，可以提供最佳开发测试和运行环境。

（4）表示层虚拟化。在应用上与应用程序虚拟化类似，所不同的是表示层虚拟化中的应用程序运行在服务器上，客户机只显示应用程序的UI界面和用户操作。表示层虚拟化软件主要有微软的Windows 远程桌面（包括终端服务）、Citrix Metaframe Presentation Server和Symantec PcAnywhere等。

12 虚拟化的方法

通常所说的虚拟化主要是指平台虚拟化，它通过控制程序隐藏计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境。通常虚拟化可以通过指令级虚拟化和系统级虚拟化来实现。

121 指令级虚拟化方法

在指令集层次上实现虚拟化，即将某个硬件平台上的二进制代码转换为另一个平台上的二进制代码，实现不同指令集间的兼容，也被称作“二进制翻译”。二进制翻译是通过仿真来实现的，即在一个具有某种接口和功能的系统上实现另一种与之具有不同接口和功能的系统。二进制翻译的软件方式，它可以有3 种方式实现：解释执行、静态翻译、动态翻译。

近年来，最新的二进制翻译系统的研究主要在运行时编译、自适应优化方面，由于动态翻译和执行过程的时间开销主要包括四部分：即磁盘访问开销、存储访问开销、翻译和优化开销、目标代码的执行开销，所以要提高二进制翻译系统的效率主要应减少后3个方面的开销。目前典型的二进制翻译系统主要有Daisy/BOA、Crusoe、Aeries、IA-32EL、Dynamo 动态优化系统和JIT编译技术等。

122 系统级虚拟化方法

系统虚拟化是在一台物理机上虚拟出多个虚拟机。从系统架构看，虚拟机监控器（VMM）是整个虚拟机系统的核心，它承担了资源的调度、分配和管理，保证多个虚拟机能够相互隔离的同时运行多个客户操作系统。系统级虚拟化要通过CPU虚拟化、内存虚拟化和I/O虚拟化实现。

（1）CPU虚拟化

CPU虚拟化为每个虚拟机提供一个或多个虚拟CPU，多个虚拟CPU分时复用物理CPU，任意时刻一个物理CPU只能被一个虚拟CPU使用。VMM必须为各虚拟CPU合理分配时间片并维护所有虚拟CPU的状态，当一个虚拟CPU的时间片用完需要切换时，要保存当前虚拟CPU的状态，将被调度的虚拟CPU的状态载入物理CPU。X86 的CPU虚拟化方法主要有：二进制代码动态翻译（dynamic binary translation）、半虚拟化（para-virtualization）和预虚拟化技术。为了弥补处理器的虚拟化缺陷，现有的虚拟机系统都采用硬件辅助虚拟化技术。CPU虚拟化需要解决的问题是：①虚拟CPU的正确运行，虚拟CPU正确运行的关键是保证虚拟机指令正确执行，各虚拟机之间不互相影响，即指令的执行结果不改变其他虚拟机的状态，目前主要是通过模拟执行和监控运行；②虚拟CPU的调度。虚拟CPU的调度是指由VMM决定当前哪一个虚拟CPU实际在物理CPU上运行，保证虚拟机之间的隔离性、虚拟CPU的性能、调度的公平。虚拟机环境的调度需求是要充分利用CPU资源、支持精确的CPU分配、性能隔离、考虑虚拟机之间的不对等、考虑虚拟机之间的依赖。常见的CPU调度算法有BVT、SEDF、CB等。

（2）内存虚拟化

VMM通常采用分块共享的思想来虚拟计算机的物理内存。VMM将机器的内存分配给各个虚拟机，并维护机器内存和虚拟机内存之间的映射关系，这些内存在虚拟机看来是一段从地址0 开始的、连续的物理地址空间。在进行内存虚拟化后，内存地址将有机器地址、伪物理地址和虚拟地址三种地址。在X86 的内存寻址机制中，VMM能够以页面为单位建立虚拟地址到机器地址的映射关系，并利用页面权限设置实现不同虚拟机间内存的隔离和保护。为了提高地址转换的性能，X86 处理器中加入TLB，缓存已经转换过的虚拟地址，在每次虚拟地址空间切换时，硬件自动完成切块TLB。为了实现虚拟地址到物理地址的高效转换，通常采取复合映射的思想，通过MMU半虚拟化和影子页表来实现页表的虚拟化。虚拟机监控器的数据不能被虚拟机访问，因此需要一种隔离机制，这种隔离机制主要通过修改客户操作系统或段保护来实现。内存虚拟化的优化机制，包括按需取页、虚拟存储、内存共享等。

（3）I/O虚拟化

由于I/O设备具有异构性强，内部状态不易控制等特点，VMM系统针对I/O设备虚拟化有全虚拟化、半虚拟化、软件模拟和直接I/O访问等设计思路。近年来，更多的学者将I/O虚拟化的研究放在共享的网络设备虚拟化研究，提出将IOVM结构映射到多核心服务器平台。I/O设备除了增加吞吐量和固有的并行数据流、联系串行特性以及基于分组的协议外，还应该考虑到传统的PCI 兼容的PCI Express的硬件，建立相应的总线适配器，以弥补象单一主机无专门的驱动程序时的需要。有些研究人员专注于外存储虚拟化的研究，提出让存储虚拟化系统上的SCSI目标模拟器运行在SAN上，存储动态的目标主机的物理信息，并使用映射表方法来修改SCSI命令地址，使用位图的技术来管理可用空间等思想。存储虚拟化系统应提供诸如逻辑卷大小、各种功能、数据镜像和快照，并兼容集群主机和多个操作系统。由于外存储虚拟化能全面提升存储区域网络的服务质量，而带外虚拟化与带内虚拟化相比具有性能高和扩展性好等优点，通过运用按序操作、Redo日志以及日志完整性鉴别，设计基于关系模型的磁盘上虚拟化元数据组织方式，可以形成一致持久的带外虚拟化系统。

13 虚拟化的管理

虚拟化的管理主要指多虚拟机系统的管理，多虚拟机系统是指在对多计算系统资源抽象表示的基础上，按照自己的资源配置构建虚拟计算系统，其主要包括虚拟机的动态迁移技术和虚拟机的管理技术。

（1）虚拟机之间的迁移

将虚拟化作为一种手段管理现有的资源和加强其在网络计算的利用率，通过构建分布式可重构的虚拟机，必要时在物理服务器运行时迁移服务。通过移动代理技术、分布式虚拟机等提高资源利用率和服务可用性，通过寻找服务最优的策略在可重构和分布式虚拟机上迁移。为了将虚拟机运行的操作系统与应用程序从一个物理结点迁移到另外一个运行结点，同时保持客户操作系统和应用程序不受干扰，有些研究者提出以数据为中心的可迁移的虚拟运行环境，使得用户操作环境实现异地迁移、无缝重构；

也有研究人员提出程序执行环境的动态按需配置机制。在跨物理服务器迁移虚拟机，进行自动化的虚拟服务器的管理，必须考虑高层次的服务质量要求和资源管理成本。有些研究人员提出了通过管理程序控制的方法，以支持移动IP的实时迁移虚拟机在网络上，使虚拟机实时迁移其分布计算资源，从而改善迁移性能，降低网络恢复延迟，提供高可靠性和容错。有些研究机构通过设计一个通用的硬件抽象层，实现多个虚拟机的移植，具有高效率执行环境中的移动设备。虚拟机的迁移步骤一般有启动迁移、内存迁移、冻结虚拟机、虚拟机恢复执行。

（2）虚拟机的管理

对于多虚拟机来说，一个非常重要的方面是减少用户对动态的和复杂的物理设备的管理和维护，通过软件和工具来实现任务管理。当前典型的多虚拟机服务器管理软件是Virtual Infrastructure，它通过Virtual Center管理服务器的虚拟机池，通过VMotion完成虚拟机的迁移，通过VMFS管理多虚拟机文件系统。其次，Parallax 是针对Xen 的多虚拟机管理器，它通过采用消除写共享，增强客户端的缓存等方式并利用模板映像来建立整个系统；同时使用快照（snapshot）以及写时复制（copy-on-write）机制来实现块级共享，并使用副本来保证可用性。虚拟机监控器直接控制parallax 使用的物理盘，它们运行物理设备驱动器，并给虚拟磁盘镜像VDI 的本地虚拟机提供一个普通的块接口。

2 虚拟化在制造业信息化中的应用

21 虚拟化在制造业信息化中的应用框架

当今制造业正朝着精密化、自动化、柔性化、集成化、网络化、信息化和智能化的方向发展，在这种趋势下，诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。这些先进制造技术和先进制造模式要求现有的IT基础设施能提供更高的计算服务水平，因此在制造业信息化中，需要建立以虚拟化为导向的资源分配体系结构，提供客户驱动的服务管理和计算风险管理，维持以服务水平协议（SLA）为导向的资源分配体系。虚拟化在制造业信息化中主要用于集中IT管理、应用整合、工业控制、虚拟制造等。

处在最底层的是制造业企业的虚拟计算资源池（VirtualCluster），它由多台物理服务器（PhysicsMachine）形成，各物理服务器上运行着虚拟化软件（VMM），虚拟化软件上运行着完成各种任务需求的虚拟机，虚拟计算资源池的虚拟化管理软件（VMS）为IT环境提供集中化、操作自动化、资源优化的功能，可以快速部署向导和虚拟机模板。虚拟计算资源池中的虚拟机将不同类型的客户操作系统（Guest OS）和运行其上的数据层、服务层应用程序（App）封装在一起，形成一个企业协同设计制造的完整系统，为表示层的用户提供多种形态的数据处理和显示功能。在图1 的框架中，虚拟计算资源池的动态资源调度（DRS）模块可以跨越物理机不间断地监控资源利用率，并根据反映业务需要和不断变化的优先级的预定规则，在多个虚拟机之间分配可用资源。在制造业信息化中，集中IT管理、应用整合、工业控制、虚拟制造等多种应用需求都将以各种服务的形式被封装到了虚拟机中，例如制造任务协同服务、资源管理服务、信息访问服务、WWW服务、工业控制服务、应用系统集成服务、数据管理服务、高效能计算服务、工具集服务等；同时支撑所有应用需求的数据库也被封装到了虚拟机中，例如企业模型数据库、制造资源数据库、产品模型数据库、专业知识数据库、用户信息数据库等。虚拟化特有的优点使它能确保所有虚拟机中的关键业务连续可靠地运行。

22 虚拟化在制造业信息化应用框架中的作用

虚拟化在制造业信息化中的应用主要有：

区别在于虚拟化是一种把硬件资源虚拟化的具体技术，而云计算是通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源，类似服务器集群。虚拟化和云计算听起来可能类似，但每个都有更广泛的定义，可以应用于许多不同类型的系统。

云计算和虚拟化本质上是不同的。虚拟化是在单台服务器上创建多个虚拟环境的过程。它通过使用虚拟化软件来实现此目的，这使得可以在同一台服务器上同时运行多个操作系统。