作为下一代云计算基础设施，虚拟化技术如何提高信息管理效率？｜ Q推荐

近年来，云计算发展势头突飞猛进，其快速发展的动力离不开背后的发展逻辑与规律，同时，也正是这些逻辑和规律，又将云计算产业推向了未来。那么，我们是否可以透过云计算发展的内在逻辑，一定程度地预测云计算未来发展的趋势？

近日，在 InfoQ 的技术公开课中，来自京东的 IaaS 产品负责人，云计算产品技术专家刘俊辉，带来了《云计算效能与虚拟化技术》的分享，深度解读了云计算的发展逻辑、计算虚拟化技术的演进以及计算资源的发展趋势。

云计算的价值逻辑

从历史上看，任何一个新技术的出现都对社会造成深远的影响，我们经历了三个大规模的“技术革命”：第一个是农业革命，即农业第一次以规模化、专业化的方式为我们提供食物；第二个是工业革命，工业产品的价值第一次超过了农业的产品价值；第三个革命就是信息革命，也是我们所处的阶段，意味着我们所生产的信息价值会超过工业产品价值。

身处信息革命的进程中，我们该如何处理这些数据？只有计算能力以指数的方式来增长，才能处理指数级增长的信息。摩尔定律在过去几十年，一直按照这样的趋势发展，最近由于 CPU 的发展遇到了瓶颈，摩尔定律也走到了它的终点。

与此同时，越来越多的数据处理任务由云计算服务来提供，计算能力增长的任务也落在了云计算服务的肩膀上。对于云厂商而言，想要实现可持续的云计算服务，首先要实现性能的持续提升和成本的持续下降，而云计算效能增长的两个驱动力，一方面体现在专业化技术能力，即云计算任务优化的专业软件、硬件；另一个方面体现在资源的利用率，提升资源利用率的方式包括池化的计算资源、标准化的资源形态。

虚拟化技术是实现云计算价值的最核心的技术，它的技术也包括方方面面，云计算最主要的是计算资源、存储资源、网络资源虚拟化。同时，由于云计算的发展，虚拟化技术也推动硬件厂商专门提供了对于虚拟化技术的支持。比如从 CPU 角度来说，它提供了硬件虚拟化的技术，如超线程、虚拟化的全线运行环境；从存储和网络的角度来说，它虚拟化成多个硬件向计算机来提供硬件资源。

此外，智能网卡 /DPU 也是虚拟化技术中最领先的一种，它实际上是数据中心虚拟化技术的集成。

实现云计算价值的核心技术 - 虚拟化

说到虚拟化技术，可能会有一种不太直观的感觉，但如果要说虚拟内存，相信很多开发者朋友都非常熟悉。作为一种虚拟化技术，虚拟内存的特点主要体现在以下几个方面：

• “独立”资源空间：每一个进程均有自己的内存空间，隔离性有所保证；

• 接口保持不变：无论是申请、释放还是访问，内存方式不变；

• 与物理资源解耦：虚拟内存容量不同于物理内存，虚拟内存与物理资源是解耦的，虚拟内存的容量和物理内存的容量没有必然关系；

• 由操作系统、CPU 协同实现。

总结来说，虚拟化是一种技术方法，通过抽象层将一组（硬件）资源以多个实例的方式呈现，虚拟化技术的任务是保证接口不变，另外，需要做到比较好的隔离性，包括横向安全隔离、纵向安全隔离以及性能隔离。虚拟化技术的常见应用包括以下几类：如以 VMware、VirtualBox、KVM 为代表的虚拟化服务器；以网盘为代表的虚拟存储；以 VPN 为代表的虚拟网络。

从虚拟化的发展趋势来看，为什么越来越多的用户开始使用虚拟化的资源？

首先，它具备一致的资源呈现，屏蔽了硬件的差异，与硬件解耦；其次是能够实现资源的复用，提升了资源的利用率，还能够提升资源的灵活性与敏捷性；此外，它还提供了更多的可用性保证手段。

虚拟化技术的实现原理

计算虚拟化有两种方式，一种是将一台物理服务器虚拟成多个虚拟服务器，这样可以得到一致形态的虚拟服务器；另外可以将多台物理服务器虚拟成一个虚拟服务器。在这种方式下，可以用多台物理服务器提供一个性能非常高的虚拟服务器，但技术实现的难度是非常高的，同时需要物理服务器之间的互联网络。

虚拟化的工作是由软件和硬件共同协调实现的，实现虚拟化任务的软件是 Hypervisor（虚拟机管理程序），且 Hypervisor 本身是物理机运行的另外一个程序，每个虚拟服务器都是一个独立的进程，而虚拟服务器中的每个 vCPU 都是一个线程，就是。所以整个 Hypervisor 和虚拟服务器都是物理服务器上的负载，都运行在物理服务器的 CPU，消耗 CPU 的资源。

虚拟化资源实际上需要和物理资源提供相同的接口，所以每一个虚拟服务器都有自己的虚拟 CPU/ 内存、虚拟硬盘设备、虚拟网络设备以及键盘、显示控制台等其它虚拟硬件设备。

计算虚拟化的基本实现原理

每个虚拟机都是一个独立的进程，虚拟机中的每个 vCPU 都是一个线程。Hypervisor 要完成的两个关键任务分别是指令仿真和设备仿真，其中指令仿真有特权指令执行，需要由物理服务器的操作系统进行截获，然后进行相应的处理。   在 CPU 的发展过程中，对于虚拟化提供了大量的支持，各个新一代的 CPU 都可以实现对于相同指令架构虚拟化硬件的辅助作用，充分利用了 CPU 硬件虚拟化能力，达到了极低的虚拟化损耗。

第二个大任务就是进行设备仿真。因为虚拟机同时也要访问外部设备，主要存储资源和网络资源，但存储资源和网络资源不能直接访问硬件设备，除非给其中一个虚拟机进行独享。这就需要 Hypervisor 在执行虚拟机程序时，如果遇到 IO 执行的指令，将这个指令翻译成宿主机、物理服务器和操作系统的其他指令。

除了上述提到的指令仿真和设备仿真之外，计算虚拟机的其它关键任务还包括安全隔离、高可用、成本效率、性能等方面。

存储虚拟化

在虚拟机里仿真出一个存储设备——云硬盘，它实现的原理就是在物理服务器上有 QEMU 模块，它负责来接 Hypervisor 和 Hypervisor 截获 IO 的指令， IO 指令就会传递到 QEMU ，然后需要对接云硬盘的客户端，在京东云叫 ZBS，由这个客户端真正来实现数据的读写，并在云硬盘的分布式服务集群里实现。

这样的分布式集群，首先实现了每一块云硬盘上的数据，这样一来，每块硬盘发生故障都不会对虚拟出来的云硬盘造成任何的影响。另外，由于读取是分散在整个集群中，即使有一个客户对云硬盘的访问是非常密集的，但分散在整个集群，访问性能就能够平均了，所以整个集群可以为单独硬盘提供非常高的访问性能，同时又保证了数据的可靠性。

除了硬盘仿真与硬盘虚拟化，安全问题同样是备受关注的话题，必须要保证不同的云硬盘，客户端只能访问到自己的数据，不能访问到别人的数据，否则会造成数据的泄漏。另外，服务高可用的性能可以将故障屏蔽不影响客户的读写，也是虚拟化带来的一个好处。

网络虚拟化：网络连接

对于网络连接，它的实现方式和存储有点类似，QEMU 来仿真一个硬件设备，这个硬件设备在虚拟机中和其它网卡没有任何区别，对于虚拟机来说，它的操作是使用这块网卡接收和发送数据。在背后，是由软件交换机 OVS 来真正提供网络连接和数据发送功能，并且由 SDN 的控制器来控制。虚拟网络的连接和其它虚拟化技术一样，都要实现安全隔离。另外要实现高可用、吞吐量、时延和抖动。

网络虚拟化：网络设备

对于网络设备的虚拟化，云上虚拟的网络设备有很多，最常使用的就是负载均衡、VPN 网关、专线网关、NAT 网关等等。

网络设备是由虚拟机或者容器来承载的，所以它本身就是云上的一个用户。虚拟网络还可以由流表来实现一个分布式网络的负载均衡，无须实体资源。网络设备虚拟化需要实现的目标也包括安全隔离、高可用、弹性、性能以及成本等等。

软件虚拟化架构的挑战

虚拟化产品和技术都提到了软件的实现，这在历史上是一个非常有效的方式，因为它可以快速实现虚拟化能力。但云计算是一个专业产品和技术的提供者，用软件来实现虚拟化能力带来了非常大的问题。

首先，由于是软件实现，它会占用计算资源；另外，虽然软件实现做到了安全隔离，但毕竟和虚拟机是同样运行在 CPU 上的程序，当这个程序有漏洞的时候，有可能造成虚拟机进程非法访问整个宿主机上的软件进程，或者通过旁路入侵到其它虚拟机。

还有一点，如果一个用户需要使用整个物理服务器，他就没有办法运行在上面，因为整个物理服务器是交付给用户使用的，软件实现的存储和网络虚拟化无法提供给用户来使用，那么作为解决这样问题最领先的技术是什么呢？

京东云“京刚”虚拟化引擎

现在各大云厂商都投入了巨大资源来开发软硬一体的虚拟化平台，比如，从前用软件实现的设备仿真工作，由智能网卡来提供。在京东云，我们投入巨大资源实现了“京刚”虚拟化引擎，它上面有一个高度集成的智能芯片，芯片里使用了硬件编程的方式，集成了京东云自主研发的网络和存储协议栈。京刚智能网卡（DPU）向上提供标准的硬件接口，这一整套的芯片、金刚智能网卡，加上全套的虚拟化协议栈和管理软件，就构成了京东云“京刚”虚拟化引擎。

“京刚”智能网卡虚拟化引擎提供的京东云云主机，给云计算技术上了一个新的台阶，可以为广大的开发者、企业用户提供高效、低成本的云计算资源。

下一代云计算产品技术预测

下一代云计算的产品和技术会以怎样的方式来呈现？首先到来的浪潮是函数计算，它和容器相比提供了更小、更灵活的计算单元，可以充分利用物理服务器。但由于函数计算还没有被大规模推广和使用，所以它的挑战在于需要被重构或优化，变得像使用容器一样简单。

其次，从专业化的角度考虑，容器已经成为了首选的运行环境，函数计算的底层计算单位也是由容器支撑的。在当前来看，容器仍然是一种形态的进程，是以经过包装的进程方式来运行的，容器并没有为新的功能做更进一步的优化，比如容器的安全隔离、网络性能。云计算技术发展的潜在方向就是硬件和软件协同，提升容器的安全性和网络性能。

最后，更长期的发展就是分布式云，现在很多私有化部署的计算资源，实际上是未被共享和开发的，有很多资源被闲置，且没有办法被使用。而分布式云就是要释放闲置的计算资源，使其能够以标准化的接口呈现出来，供大家使用。

但分布式云的发展也面临挑战，比如，如何能有高速、廉价、无处不在的网络连接能力，使这些资源被开放出来，以及如何用一种标准的产品形态和管理平台，保证数据的安全。然而，上述提到的这些挑战都需要软件和硬件一起协同才能达到的，所以这是一个非常远期的目标，但它是一个终极目标。

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