虚拟化的特点

虚拟化技术是实现云计算的基础技术。它利用软件（即管理程序）来为物理硬件创建一个抽象层，从而可以将单台计算机中的各种物理资源，如CPU、内存和存储设备等，划分为多个虚拟计算机。这些虚拟计算机通常被称为“虚拟机”。

通过将软件与硬件分离，虚拟化技术能够带来多种运营、财务以及安全方面的优势。

虚拟化架构

• 物理资源（底部）：那些实际存在的、可触摸的硬件服务器以及相关的基础设施。
• 虚拟化层（中间层）：负责操控物理硬件的虚拟机管理程序或虚拟化设备。
• 虚拟资源（顶部）：由虚拟化层所创建的基于软件的虚拟机器或环境。

虚拟化的核心功能

• 分享（向下三角形）：从视觉上来看，这种虚拟化方式表现为多个虚拟服务器被映射到一台物理服务器上。这是最常见的虚拟化应用场景。通过这种方式，一台强大的物理机器所拥有的资源（如CPU、RAM、存储等）可以被分配给多个不同的虚拟机，从而实现硬件资源的充分利用。
• 聚合（向上三角形）：从视觉上来看，多个物理服务器可以被视为一个虚拟服务器。这与“共享”的概念完全相反。通过集群软件，虚拟化技术可以将多台独立物理机器的资源整合在一起，从而为用户呈现出一个统一的、巨大的虚拟计算资源。
• 仿真（矩形）：这代表了虚拟化层向虚拟机呈现模拟环境的能力。它使得虚拟机能够运行那些需要特定硬件特性的软件或操作系统，而这些硬件特性实际上可能并不存在于底层的物理主机上。
• 隔离状态（矩形形状）：这样可以确保每个虚拟资源都运行在完全独立且隔离的环境中。如图所示，各个虚拟环境之间是彼此独立的。如果某个虚拟机发生崩溃或遭遇安全漏洞，这种隔离机制可以确保其他虚拟机以及底层的物理主机不会受到任何影响。

虚拟化的优势

以下是虚拟化技术的核心优势的详细分析。

安全性、隔离性以及受控的环境

虚拟化技术中最关键的能力之一，就是能够以完全透明的方式，严格地控制和监控客户程序的执行过程。

完全隔离：虚拟化技术为虚拟机（无论是操作系统还是特定应用程序）提供了一个完全独立且隔离的环境。如果其中一个虚拟机出现安全漏洞或系统崩溃，那么其他运行在同一物理主机上的虚拟机则不会受到任何影响。

2. 加强安全与过滤功能：虚拟机管理器（VMM）或管理程序可以控制和过滤来宾程序的操作，从而防止对主机硬件进行有害的操作。由主机暴露出来的资源可以被隐藏或受到严格的保护。

3. 对不可信代码的安全分析：由于这种隔离特性，虚拟化技术非常适合处理不可信的代码。

• 示例1（Cuckoo Sandbox）：不可信的、可能包含恶意代码的程序，可以在类似Cuckoo这样的“沙箱”环境中被安全地执行和分析。在执行之前，这些指令会被过滤掉，从而防止它们对真实运行环境造成破坏。
• 示例2（JVM）：Java虚拟机的一个沙箱版本利用安全策略来阻止那些被认为可能具有危害性的应用程序指令。

资源优化与成本效益

传统的物理服务器往往只利用了其实际容量的15-20%。虚拟化技术可以解决这种硬件资源浪费的问题。

• 资源共享：多个虚拟机可以共享一台物理机的资源，包括CPU、内存、存储空间和网络带宽等。这极大地提升了硬件的利用率。
• 成本节约：通过整合工作负载，企业可以大幅减少购买、维护以及安置更多物理服务器的需求。这样一来，资本支出和运营支出就能得到显著降低。
• 能源效率：运行中的物理服务器数量减少，意味着能耗和冷却需求也会大幅降低。这样一来，电费就会减少，企业的碳足迹也会显著减小。

高可用性和灾难恢复能力

虚拟化从根本上改变了企业处理业务连续性和系统弹性问题的方式。

• 硬件独立性：虚拟机完全以软件文件的形式存在。它们与底层的物理硬件完全独立。由于虚拟机与硬件无关，因此可以在戴尔服务器上运行的虚拟机无缝地迁移到惠普服务器上，而无需重新配置宿主操作系统。
• 运行时间增加：如果某台物理主机需要维护或出现硬件故障，那么运行在该主机上的虚拟机可以“实时迁移”到另一台健康的物理主机上，从而确保系统不会中断，也不会造成数据丢失。
• 灾难恢复：虚拟化技术使得灾难恢复过程具有极高的成本效益。整个服务器环境可以被轻松地复制出来，并持续与远程备份站点进行同步。在发生灾难性故障时，这些虚拟机可以在远程站点上几分钟内被重新启动起来。

管理式执行与高级功能

超管理器层的作用就像一位智能的“交通管制员”，它能够解锁一系列高级功能，这些功能被统称为“管理式执行”。

• 仿真：由于客户程序是在软件控制的环境中运行的，因此虚拟机管理程序可以模拟那些在物理主机上实际上不存在的硬件特性。这使得组织能够在现代硬件上运行传统应用程序或特定的客户操作系统环境。
• 聚合/聚类：虽然虚拟化通常是将一台物理机器分割成多个虚拟机器，但它也可以实现相反的效果。通过集群管理软件，可以将多台独立的物理主机整合在一起，从而为虚拟机呈现出一个单一的、庞大的虚拟资源池。
• 性能调优与服务质量保障：管理员可以精细地调整分配给每个虚拟机的资源属性。他们可以限制低优先级虚拟机的CPU使用率，同时为关键数据库提供充足的带宽，从而有效实现严格的服务质量保障。

灵活性、可扩展性以及可移植性

虚拟化技术为IT部门提供了必要的速度和灵活性，从而能够满足现代商业需求。

• 极高的灵活性与快速的资源分配能力：IT管理员只需点击几下鼠标，就能创建、修改、克隆或删除虚拟机。这种方式完全避免了需要花费数周时间来订购、安装和连接物理硬件的过程。
• 动态可扩展性：组织可以根据业务需求的变化，灵活地调整其计算资源的数量。他们可以在需要时增加虚拟机的RAM或CPU资源，而在不需要时则减少这些资源。
• 测试与开发：虚拟化是开发者们不可或缺的工具。他们可以立即创建出隔离的测试环境，安全地测试新的代码或操作系统配置。完成测试后，他们也可以轻松地关闭这些测试环境。
• 可携带性：硬件层面：访客被打包成虚拟图像（类似于……）.ova or .vmdk这些文件可以轻松地被移动、共享，并且可以在不同的超虚拟环境中执行。
• 编程层面：像JVM或.NET框架这样的运行时环境，使得编译后的二进制代码（即jar文件或程序集）可以在安装了相应虚拟机的任何机器上直接运行，而无需重新编译。

简化管理流程，提升云环境就绪性

• 集中化管理：虚拟化平台（如VMware vCenter或Microsoft System Center）提供了“一站式”的管理界面。IT团队可以通过一个控制台来监控各个虚拟机的状态、管理资源，以及解决整个数据中心内数百个虚拟机所遇到的问题。
• 云迁移的基石：虚拟化技术是云计算的直接前身。一旦一个组织实现了本地基础设施的虚拟化，并将工作负载与物理硬件分离，那么将这些虚拟机迁移到公共云中（如AWS、Azure或Google Cloud）就变得非常简单了。