云計(jì)算導(dǎo)論（微課版） 課件 項(xiàng)目2 初探虛擬化

課程云計(jì)算導(dǎo)論項(xiàng)目2初探虛擬化學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】（1）了解虛擬機(jī)的作用。（2）了解常見的虛擬機(jī)與虛擬軟件。（3）了解VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式。【技能目標(biāo)】（1）能夠配置VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)。（2）能夠應(yīng)用虛擬機(jī)軟件管理虛擬機(jī)。（3）能夠應(yīng)用遠(yuǎn)程管理工具管理虛擬機(jī)。（4）能夠克隆虛擬機(jī)和快照管理。引例描述2023年2月在中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《質(zhì)量強(qiáng)國建設(shè)綱要》中指出：“樹立質(zhì)量發(fā)展綠色導(dǎo)向。開展重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)產(chǎn)品資源效率對(duì)標(biāo)提升行動(dòng)，加快低碳零碳負(fù)碳關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)高耗能行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型”。一臺(tái)普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)功耗在200瓦左右，即使處于空閑狀態(tài)，功耗也在100瓦左右，按照每天工作10小時(shí)計(jì)算，全年就要消耗約365度電。而服務(wù)器的功耗通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)的5～8倍，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)中心來說，其中IT設(shè)備（包括服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）的能耗尚不足總體能耗的一半。為了維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行，空調(diào)等散熱設(shè)備也是耗能大戶，它們消耗了數(shù)據(jù)中心約40%的電能。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，全國數(shù)據(jù)中心能耗規(guī)模接近于三個(gè)三峽電站的發(fā)電量。這么龐大的能耗使人們認(rèn)識(shí)到提高IT設(shè)備使用率的重要性。通過減少服務(wù)器數(shù)量，同時(shí)降低了配套散熱電能消耗，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。引例描述小王發(fā)現(xiàn)在實(shí)際使用過程中，個(gè)人計(jì)算機(jī)的很多資源都處于空閑狀態(tài)，如通常情況下，計(jì)算機(jī)CPU的使用率不超過10%，硬盤占用率低于30%，網(wǎng)絡(luò)帶寬非峰值占用率不到5%等。有沒有一種技術(shù)可以把計(jì)算機(jī)空閑的資源都利用起來，在消耗同樣的電能的情況下，讓一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成多臺(tái)計(jì)算機(jī)的工作，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的呢？項(xiàng)目陳述經(jīng)過調(diào)研，小王發(fā)現(xiàn)使用虛擬化技術(shù)可以將一臺(tái)計(jì)算機(jī)的閑置資源虛擬成若干臺(tái)“新計(jì)算機(jī)”，這些新計(jì)算機(jī)相互獨(dú)立，可以安裝不同的操作系統(tǒng)，同時(shí)完成使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)才能完成的工作，從而提升計(jì)算機(jī)資源的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在本項(xiàng)目中，讀者將學(xué)習(xí)如何使用一款桌面虛擬化軟件VMwareWorkstation，并通過它來為虛擬機(jī)配置網(wǎng)絡(luò)和管理虛擬機(jī)。另外還將學(xué)習(xí)如何對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。必備知識(shí)——虛擬化技術(shù)簡(jiǎn)介虛擬化（Virtualization）是一種用于簡(jiǎn)化管理、優(yōu)化資源的解決方案。通過虛擬化技術(shù)可以將一臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)，這樣在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以同時(shí)運(yùn)行多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)。每臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，這樣應(yīng)用程序就可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而可以顯著提高計(jì)算機(jī)的硬件利用率。使虛擬化能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)就是虛擬化技術(shù)。必備知識(shí)——虛擬化技術(shù)簡(jiǎn)介虛擬化技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)IBM（InternationalBusinessMachines，國際商業(yè)機(jī)器）公司推出了一款大型機(jī)，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，讓多個(gè)用戶能夠同時(shí)訪問計(jì)算機(jī)資源。其采用的技術(shù)被稱為“多虛擬機(jī)技術(shù)”，這就是虛擬化技術(shù)的雛形。1959牛津大學(xué)教授克里斯·托弗提出了“虛擬化”這一基本概念，從此“虛擬化”作為計(jì)算機(jī)專業(yè)名詞出現(xiàn)在世界上。必備知識(shí)——虛擬化技術(shù)簡(jiǎn)介虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，使得一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，在提高了計(jì)算機(jī)利用率的同時(shí)，由于虛擬機(jī)之間相互隔離、互不干擾，也提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。隨著云計(jì)算的興起，虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算的核心技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，為IT資源的動(dòng)態(tài)分配、靈活調(diào)度和共享提供了重要支撐。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件虛擬機(jī)（VirtualMachine，VM）指通過軟件模擬的、具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在物理計(jì)算機(jī)中能夠完成的工作，在虛擬機(jī)中都能夠完成。一臺(tái)實(shí)體計(jì)算機(jī)可以虛擬出若干臺(tái)虛擬機(jī)，每臺(tái)虛擬機(jī)都有獨(dú)立的CPU、內(nèi)存、硬盤和操作系統(tǒng)，可以像操作實(shí)體計(jì)算機(jī)一樣對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行操作。通過這些虛擬機(jī)即可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行更多的Windows、Linux、macOS甚至DOS。常見的虛擬機(jī)軟件有VirtualBox、VMwareWorkstation、Hyper-V

、Xen、KVM、QEMU等。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件應(yīng)用廣泛的VMwareWorkstation：威睿工作站（VMwareWorkstation）是由云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案提供商威睿（VirtualMachineware，VMware）公司出品的一款閉源虛擬化軟件產(chǎn)品。它是目前實(shí)現(xiàn)虛擬化程度相對(duì)較高、應(yīng)用廣泛的桌面虛擬化產(chǎn)品。右圖所示為VMware的Logo。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件經(jīng)典開源的VirtualBox：虛擬盒子（VirtualBox）是由太陽計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SunMicrosystems）公司推出的一款使用非常廣泛、免費(fèi)且開源的類似于VMwareWorkstation的桌面虛擬機(jī)軟件，目前屬于甲骨文（Oracle）公司旗下產(chǎn)品。右圖所示為它的Logo。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件Windows內(nèi)置的Hyper-V：虛擬化管理程序（HypervisorVirtualization，Hyper-V）是微軟公司推出的虛擬化軟件產(chǎn)品。Hyper-V可以在Windows操作系統(tǒng)上創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)，支持虛擬機(jī)遷移、快照、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等功能，適用于Windows環(huán)境中的虛擬化部署。右圖所示，Hyper-V集成在Windows系統(tǒng)功能中。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件直接構(gòu)建在硬件上的Xen：異構(gòu)服務(wù)器（Xenoservers，Xen）是英國劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)開源項(xiàng)目。和其他虛擬機(jī)依賴操作系統(tǒng)不同，Xen是一個(gè)直接運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件上的用以替代操作系統(tǒng)的基層軟件，能夠在計(jì)算機(jī)硬件上并發(fā)地運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)。目前，Xen支持Linux、NetBSD、FreeBSD、Solaris、Windows和其他常用的操作系統(tǒng)在其上作為虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)運(yùn)行。直接運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件上的特性使Xen的運(yùn)行效率很高。右圖所示為Xen的架構(gòu)示意。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件基于Linux內(nèi)核的KVM：基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（Kernel-basedVirtualMachine，KVM）是Linux內(nèi)核的一個(gè)模塊。KVM是完全開源的，它的起源可以追溯到2006年Qumranet公司開發(fā)了KVM，并將其貢獻(xiàn)給開源社區(qū)。自Linux2.6.20起，KVM被集成在Linux的主要發(fā)行版本中。KVM需要物理硬件提供的虛擬化技術(shù)支持才能完成虛擬化，如英特爾公司的虛擬化技術(shù)（IntelVirtualizationTechnology，IntelVT）和超威半導(dǎo)體公司的虛擬化技術(shù)（AdvancedMicroDevicesVirtualization，AMD-V）。目前，KVM已經(jīng)成為許多企業(yè)和組織中的主流虛擬化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器和桌面環(huán)境的虛擬化。下圖所示為KVM的架構(gòu)示意。必備知識(shí)——常見虛擬機(jī)軟件無須系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的QEMU：快速模擬器（QuickEmulator，QEMU）是一款開源硬件虛擬化軟件，可以在不同的主機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行虛擬機(jī)。QEMU可以在沒有主機(jī)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的情況下運(yùn)行，也不需要物理硬件提供虛擬化技術(shù)支持，所以其硬件兼容性比Xen和KVM更高。下圖所示為QEMU的架構(gòu)示意。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

利用桌面虛擬化軟件VMwareWorkstation虛擬出來的虛擬機(jī)必須通過虛擬網(wǎng)絡(luò)才能和宿主機(jī)進(jìn)行通信。虛擬機(jī)和宿主機(jī)的通信模型如右圖所示。虛擬機(jī)必須通過虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和宿主機(jī)的通信，并借助宿主機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

在宿主機(jī)上，安裝VMwareWorkstation時(shí)會(huì)自動(dòng)生成“VMwareNetworkAdapterVMnet1”“VMwareNetworkAdapterVMnet8”兩塊虛擬網(wǎng)卡，如下圖所示，它們分別服務(wù)于僅主機(jī)模式和NAT模式，負(fù)責(zé)宿主機(jī)與虛擬機(jī)的通信。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

VMwareWorkstation提供了3種網(wǎng)絡(luò)模式來實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)和宿主機(jī)之間的通信，它們分別是橋接模式、NAT模式和僅主機(jī)模式。打開VMwareWorkstation，選擇其主界面頂部菜單欄中的【編輯】→【虛擬網(wǎng)絡(luò)編輯器】選項(xiàng)，彈出的圖2-8所示的【虛擬網(wǎng)絡(luò)編輯器】對(duì)話框中的名稱VMnet0、VMnet1、VMnet8分別對(duì)應(yīng)橋接模式、僅主機(jī)模式、NAT模式這3種網(wǎng)絡(luò)模式。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

橋接模式：在橋接模式下，由VMwareWorkstation提供了一臺(tái)名為VMnet0的虛擬交換機(jī)，宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡與虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡利用該虛擬交換機(jī)進(jìn)行通信。在該模式下，宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡與虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡必須位于同一個(gè)網(wǎng)段中，虛擬機(jī)可利用宿主機(jī)的物理網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。橋接模式示意如右圖所示，宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡和虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡都在192.168.0.0/24網(wǎng)段，因此它們可以直接進(jìn)行通信。橋接模式的優(yōu)點(diǎn)是虛擬機(jī)能夠直接和物理網(wǎng)絡(luò)通信，傳輸效率高。但其缺點(diǎn)很明顯，在該模式下，虛擬機(jī)要占用局域網(wǎng)IP地址資源。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

NAT模式：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NetworkAddressTranslation，NAT）是將不同網(wǎng)段的數(shù)據(jù)通過NAT設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)段中以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段相互通信的目的。在NAT模式下，VMwareWorkstation除了提供名為VMnet8的虛擬交換機(jī)外，還生成了一臺(tái)虛擬路由器作為NAT設(shè)備用于連接虛擬機(jī)和宿主機(jī)所在的兩個(gè)不同的網(wǎng)段。虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡不再像在橋接模式下那樣必須和宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡位于同一個(gè)網(wǎng)段中，這樣能夠節(jié)約寶貴的局域網(wǎng)IP地址資源。NAT模式示意如右圖所示，圖中，宿主機(jī)的物理網(wǎng)卡屬于192.168.0.0/24網(wǎng)段，而虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡屬于10.0.0.0/24網(wǎng)段，這兩個(gè)網(wǎng)段是不同的，它們通過一臺(tái)虛擬路由器實(shí)現(xiàn)了通信。必備知識(shí)——VMware虛擬網(wǎng)絡(luò)模式

僅主機(jī)模式：僅主機(jī)模式和NAT模式有一些相似，只是缺少了NAT設(shè)備，因此，如右圖所示，虛擬機(jī)只能通過VMnet1虛擬交換機(jī)與宿主機(jī)的虛擬網(wǎng)卡“VMwareNetworkAdapterVMnet1”進(jìn)行通信。在該模式下，宿主機(jī)的虛擬網(wǎng)卡和虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡必須位于同一個(gè)網(wǎng)段中。在僅主機(jī)模式下，虛擬機(jī)僅能與宿主機(jī)通信，而無法通過宿主機(jī)的物理網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。