核心開源技術

Linux 領域經歷著以虛擬化、管理和大規(guī)模云軟件包集成的虛擬基礎架構為中心的開發(fā)浪潮。在這里，我們先來看一下在單個節(jié)點級別上的開源，然后再研究此基礎架構。

虛擬管理程序

虛擬管理程序是云在節(jié)點級別的基礎。盡管虛擬化不是必需的，但它在提供可伸縮的和功耗合理的架構方面的能力是勿庸置疑的。目前有很多開源虛擬化解決方案，其中有兩個解決方案很關鍵，它們可以將 Linux 操作系統(tǒng)轉化為虛擬管理程序，這兩個解決方案分別為 Linux Kernel Virtual Machine (KVM) 和 Lguest。KVM 是虛擬管理程序的正式解決方案，被部署到生產環(huán)境中。Lguest 是一個只能運行 Linux VM 的以 Linux 為中心的解決方案，但將它集成到內核就可以得到更廣泛的應用。由于其性能優(yōu)勢，Xen 虛擬管理程序也被廣泛用于公共和私有 IaaS 解決方案中。

除了將 Linux 轉換為虛擬管理程序外，還有其他一些以 guest VM 為中心的解決方案。User-Mode Linux (UML) 則是另一種方式，它能修改 guest Linux 內核使其運行在另一個 Linux 操作系統(tǒng)上（無虛擬管理程序擴展）。因為許多用戶都希望運行一個未被修改的內核，所以完整的虛擬化解決方案（比如 KVM）更受歡迎。

UML 方法也很受歡迎，但它需要虛擬硬件（比如控制臺、虛擬硬盤和網絡）。

設備仿真

虛擬管理程序提供了與多個操作系統(tǒng)共享 CPU 的途徑（CPU 虛擬化），但是為了提供完整的虛擬化，整個環(huán)境都必須針對這些 VM 進行虛擬化。機器（或平臺）仿真可以以幾種方式實現(xiàn)，其中有一種流行的開源包可支持許多虛擬管理程序，被稱作?QEMU。QEMU 是一個完全的仿真器和虛擬管理程序。但是 KVM 只將 QEMU 用于設備仿真，作為用戶空間內的一個多帶帶過程（參見?圖 1）。QEMU 的一個有趣特性是因它提供了磁盤仿真（通過 QCOW 格式），QEMU 還提供了其他一些高級特性，比如快照和實時 VM 遷移。

自內核 2.6.25 后，KVM 使用 virtio 作為一種優(yōu)化 I/O 虛擬化性能的手段。為此，它將準虛擬化了的 (paravirtualized) 驅動程序引入到虛擬管理程序，進而將性能提高到了接近原生的級別。雖然這只有在操作系統(tǒng)可針對此目的修改時才有效，但是它還是可以用在 Linux 虛擬管理程序場景中的 Linux guest 內。

如今，virtio 和 QEMU 可協(xié)同工作以便在用戶空間內的 Linux guest 和 QEMU 仿真器之間優(yōu)化仿真設備事務。

虛擬網絡

由于 VM 合并到了物理服務器上，因此對平臺的聯(lián)網需求十分迫切。但我們不需要把所有 VM 的聯(lián)網都強加到這個平臺的物理層上，本地通信可自行被虛擬化。為了優(yōu)化 VM 間的網絡通信，引入了虛擬交換。vSwitch 和物理交換一樣，只是被虛擬化進了這個平臺（參見?圖 3）。在這個圖中，與 VM 相連的虛擬接口 (VIF) 通過虛擬交換與物理接口 (PIF) 進行通信。

圖 3. 具有虛擬和物理接口的 Open vSwitch 高級視圖
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開源也可以解決這個問題，借助的是一個很有趣的解決方案，稱為?Open vSwitch。除了為虛擬環(huán)境提供虛擬交換外，vSwitch 還能集成物理平臺及提供企業(yè)級特性，比如虛擬本地局域網絡 (VLAN)、基于優(yōu)先級 Quality of Service (QoS)、中繼和對硬件加速的支持（比如單根 I/O 虛擬化 [IOV] 網絡適配器）。Open vSwitch 現(xiàn)在可用的是 2.6.15 內核，并支持一系列基于 Linux 的虛擬化解決方案 (Xen、KVM 和 VirtualBox）和管理標準（Remote Switched Port Analyzer [RSPAN] 和 NetFlow 等）。

VM 工具和技術

由于 VM 是操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)和配置的聚合，因此空間已經很成熟，完全適于工具開發(fā)。但是為了充分發(fā)揮 VM 和工具的潛力，必須有一種方式來組合它們。目前的這種方式稱為?Open Virtualization Format?(OVF)，它是一種 VM 結構，靈活、高效且可移植。OVF 在一個 XML 包裝程序內包含了一個虛擬磁盤映像，這個包裝程序定義了該 VM 的配置，包括網絡配置、處理器和內存要求以及多種可擴展的元數(shù)據(jù)來進一步定義此映像及其平臺要求。OVF 提供的關鍵功能是可移植性，可以以一種虛擬管理程序不可知的方式分發(fā) VM。

目前，有很多實用工具可用來管理 VM 映像 (VMI) 以及將這些映像轉變?yōu)槠渌袷?，或從其他格式轉變回來。VMware 的?ovftool?就是這樣一種很有用的工具，可用于 VMI 轉化（比如，從 VMware Virtual Disk Development Kit [VMDK] 格式轉變?yōu)?OVF）。對于 VMI，這些工具顯得非常有用，但是如果有一個物理服務器，要將它轉變?yōu)?VMI，該如何做呢？對此，您可以使用一個很有用的工具，稱為?Clonezilla。雖然該工具最早是作為災難恢復的磁盤克隆工具開發(fā)的，但它可以被用來將一個物理服務器實例轉化成一個 VM，以便于部署在一個虛擬基礎架構內。隨著 OVF 格式的大量采用，有很多其他的轉換和管理工具或者已經存在（比如構建于 libvirt 之上的實用工具）或正在開發(fā)之中。

本地管理

本文從兩個角度探索了管理。本節(jié)討論平臺管理；稍后的一個章節(jié)會談及較高級別的基礎架構管理。

Red Hat 引入了 libvirt 庫作為管理平臺虛擬化（虛擬管理程序和 VM）的一個 API。libvirt 的一個吸引人之處是它支持多種虛擬管理程序解決方案（KVM 和 Xen 就是其中兩個）并提供對多種語言（比如 C、Python 和 Ruby）的 API 綁定。它提供的是管理的 “最后階段”，直接與平臺虛擬管理程序交互并將 API 擴展到更大的基礎架構管理解決方案。借助 libvirt，啟動和停止 VM 非常簡單，而且它還為更先進的操作（比如在平臺間遷移 VM）提供了 API。使用 libvirt 還能使用它的 shell（構建于 libvirt 之上），稱為?virsh。