隨著計算機和互聯網技術的不斷發展及應用的深入，網絡已聚合了各種計算資源、數據資源、軟件資源以及服務資源等，但存在總量豐富但資源利用率低的矛盾。網絡協作、充分利用閑散資源成了最初的解決方案一網格計算(grid computing)。網格計算通過整合網絡中的大量閑散資源，在動態的、自治環境中協調資源共享，解決大規模的具有挑戰性問題。但網格計算自身遇到了難以突破的瓶頸，使商業應用受到了極大的限制。近年來，隨著商業的推崇，網格計算演變成了今天的云計算(cloud computing)，面臨如何提高數據中心資源的利用率，滿足用戶提交任務的信任需求，同時研究數據中心提供的服務和服務方式等問題閣。這些問題更接近商業化，也更容易實現。其中存在如何有效地提高云計算系統性能的關鍵問題。針對目前存在的問題，本文提出了基于虛擬化的云計算平臺，研究了其平臺的核心部分，即服務器云。虛擬化技術解決并保證了云計算平臺的高性能與高可用性，使云計算平臺在實際應用中資源最大化、利潤最大化，同時也推動了虛擬化技術與云計算技術的快速發展。
1.虛擬化技術研究
虛擬化技術就是指把一個物理單元虛擬成多個邏輯單元，供多個應用一起使用。這樣做的主要目的是為了提高資源的使用效率并方便管理各種資源。目前云計算模式的提出，無論是私有云，公有云，還是混合云，都需要資源的整合，統一資源為客戶提供服務，這就要求系統資源具有高性能的處理能力。目前單個昂貴的服務器的處理能力僅使用到20%，造成了資源的浪費，虛擬化技術解決了上述問題，使服務器處理能力得到了充分的利用。
虛擬化技術包括內存虛擬化、存儲虛擬化、硬件虛擬化、軟件虛擬化等各項技術。本文著重研究了服務器虛擬化，服務器虛擬化將系統虛擬化技術應用于服務器上，將一個服務器虛擬成若干個服務器使用。在采用服務器虛擬化之前。3種不同的應用分別運行在3個獨立的物理服務器上；在采用服務器虛擬化之后，這3種應用運行在3個獨立的虛擬服務器上。而這3個虛擬服務器可以被一個物理服務托管。從圖中我們可以看出服務器虛擬化抽象了硬件資源。包括虛擬BIOS、虛擬CPU、虛擬內存、虛擬設備和虛擬IO。虛擬服務器提供了良好的隔離性和安全性。
通過研究分析，我們知道，服務器虛擬化必備的是對硬件資源的虛擬化。硬件資源包括CPU、內存、IO口。這些硬件資源的虛擬化是服務器虛擬化的核心和關鍵技術。
目前主流的服務器虛擬化技術包括兩種，即全虛擬化和半虛擬化。研究表明，虛擬化的特性為云計算平臺抽象了硬件資源，這樣對于基于SOA的云服務平臺來說是透明的，是可擴展的，為云計算平臺的彈性設計帶來了極大的利處。針對虛擬化的全虛擬化來說，采用的技術為二進制代碼Dynamic Binary Translation，DBT指在虛擬機運行時。在敏感指令前插入指令將執行陷入到虛擬機監視器中，其優點在于代碼的轉換是動態的。與全虛擬化不同的半虛擬化通過修改客戶操作系統來解決虛擬機執行特權指令的問題。在本虛擬化中存在客戶機操作系統必須和虛擬化平臺兼容，否則虛擬機無法有效地操縱宿主機，因此，本文提出的基于虛擬化云計算平臺的構建方案是基于全虛擬化的KVM。基于Redhat的虛擬化技術還具有在線遷移、快速部署等服務器管理功能。為云計算平臺提供了穩健可靠的基礎資源架構。
2.服務器云的構建
服務器云是云計算平臺的最核心部分，所有云計算平臺中的功能及子系統都依賴于服務器云來實現。它既包括硬件服務器和底層操作系統部分，又包括云計算平臺中的虛擬機超級監督器功能，是運行虛擬系統，功能服務器系統的底層基礎平臺。計算模式從大型機的方式逐漸過渡到微型個人計算機的方式，并且近年來過渡到普適計算上。但用戶仍然很難獲得異構類型的操作系統以及應用程序，在輕量級的設備上很難獲得完善的服務。本文研究的基于虛擬化的在云計算模式中，用戶無須感知計算具體所在位置，以及操作系統、中間件、應用等技術細節。虛擬化技術使底層差異封裝為應用的統一接口，用戶由同一接口只需要根據自己的需求，通過云計算平臺選取相應的服務。
3.云計算模式的特性研究
云計算與分布式計算、網絡計算相比具有自身的優勢。首先。云具有超大規模。例如，目前的Google云計算已經擁有100多萬臺服務器，Amazon，IBM，微軟、Yahoo等的“云”計算平臺均擁有幾十萬臺服務器。超規模的基礎硬件為云計算賦予了前所未有的計算能力；其次，云具有擴展性。云計算可將復雜的工作負載分解成小塊的工作，并將工作分配到可逐漸擴展的云計算中心。而需要增加的管理費用幾乎為零。云計算的擴展性主要體現在計算資源、存儲能力和負載均衡，虛擬化技術的自身優點滿足了云計算的擴展，并提供了計算平臺的7x24無故障全13程服務。同時云計算又具有規模的動態伸縮，以滿足用戶不斷增長的應用和需求。與網絡、分布式計算相比更具有商業性和應用性。
云計算不僅在處理計算能力上具有前所未有的優越性。而且在管理上也具有自動性。“云”計算平臺要求具有自動化管理功能，用戶可以通過用戶接口，自己申請計算資源和應用，按自己的需要建立自己的資源環境，而整個過程是不需云平臺管理員的干預，云計算平臺只需自動記錄用戶使用資源的大小和時間。云計算模式基于SOA的架構。動態地分配和部署共享的計算資源。同時云計算具有靈活性、高可用性、動態資源監控以及虛擬性。云計算平臺可以支持各種計算機應用類型，在物理層面上，包括的硬件可以為PCServer、普通的PC機、小型機等各類硬件資源。基于虛擬化的云計算平臺為企業的資源重構帶來了便利。使其能短時間內轉向云計算平臺，降低了基礎架構的重建成本，縮短了為企業轉型的時間。
云計算的這些特性在客觀上需要高性能的服務器來支撐，無論是科研，還是商業應用，對于中小規模的企業和用戶計算來說，購買高性能服務器來說都是一筆昂貴的費用。而基于虛擬化技術的云計算解決了目前存在的問題。并且保證云計算平臺的高可用和高可靠等特性，使其更好的服務于客戶。
4.平臺總體架構研究
項目研究的服務器云主要由硬件服務器HP，IBM 3650和Red Hat EntERPrise Linux Server操作系統和Virtualization Hypervisor(KVM)組成。通過Red Hat云計算平臺管理軟件。實現所有服務器整合為一個統一的云計算服務器平臺，抽象出統一的硬件資源，包括CPU資源池、memory資源池、network資源池和storage資源池，任意云都可以按需在統一資源池中獲得硬件資源并運行。
5.結論
云計算具有廣闊的發展前景，相關的各項關鍵技術也在迅速發展，目前，云計算發展多數沿著Google、亞馬遜等主流發展。本文研究的基于虛擬化的云計算平臺是基于redhat軟件的虛擬化平臺。為中小企業快速構建云計算提供了解決方案。其平臺具有一定的優越性。使虛擬化技術的特點在云計算平臺中充分發揮。云計算是一種新型計算模式，是對面向市場的資源管理方式的支持嘲。當然，目前云計算還存在一定問題，當前的云計算系統的能耗過大，因此，減少能耗，提高能源的使用效率，建造高效的冷卻系統是當前面臨的一個主要問題。例如，谷歌的數據中心的能耗相當于一個小型城市的總能耗。因為，過大的能耗使得數據中心內發熱量劇增，要保證云計算系統的正常運行，必須使用高效的冷卻系統來保持數據中心在可接受的溫度范圍內。基于本文的虛擬化技術，可以使耗能節儉原來的80%左右。另外，需要對云計算的接口進行標準化并制定交互協議。這樣可以支持不同云計算服務提供者之間進行交互，相互合作，提供更加強大和更好的服務。此外，需要開發出更易用的編程環境和編程工具，這樣可以更加方便地創建云計算應用，拓展應用領域。總而言之，雖然云計算還有很多問題需要解決，但是云計算將得到更快、更深入的發展。
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本文標題：基于虛擬化技術的云計算平臺架構研究
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