1.前言
20 世纪60 年代，为了提高大型计算机硬盘的利用率，首次开发了虚拟化技术。IBM公司在这一技术上率先实现将大型计算机的硬盘进行逻辑分区，以若干独立虚拟机的形式进行多任务处理，并同时运行多个应用程序和进程。
20世纪80年代，建立在客户端-服务器应用程序，以及价格低廉的X86 服务器和台式机的分布式计算技术，代替了资源昂贵的虚拟化技术。
20 世纪90 年代，Windows 的广泛使用及linux 作为服务器操作系统，在奠定X86 的行业标准地位的同时，也出现了一些新的问题，即基础架构利用率低、物理基础架构成本日益高昂、IT 管理成本不断攀升、故障切换和灾变防护不足，用户IT 运维成本直线上扬。计算机虚拟化技术，是指对计算机系统的各组件利用软件方法和硬件技术进行模拟，以实现多个虚拟的硬件系统平台，这些系统平台彼此相互独立、互不干扰，可以在其之上安装任何操作系统。
为了实现虚拟化，一种控制程序被设计，并插入到硬件层和操作系统层之间，这个控制程序称之为超级管理程序或者虚拟机管理程序，其作用是将硬件层抽象出来，实现物理虚拟化，使操作系统不需要知道自己运行在何种硬件之上。
从2008 年起，虚拟化技术己经进入很多应用领域，且己被大众所接受。虚拟化的目的就是要对IT基础设施进行简化，通过处理器虚拟化、内存虚拟化、I/O 虚拟化和网虚拟化等技术，提高IT 资源的利用率和灵活性，降低IT 运维成本和管理成本。
2.虚拟化技术全面介绍
2.1 虚拟化技术概览
IT 行业虚拟化的含义非常广泛， 一种比较通俗的定义就是淡化用户对于物理计算资源如处理器、内存、I/O 设备的直接访问， 取而代之的是用户访问逻辑的资源， 而后台的物理连接则由虚拟化技术来实现和管理。
虚拟化技术（Virtualization）并不是一个新的名词，早在20 世纪60 年代，IBM 就在其大型计算机上运用了虚拟化技术，实现了多个用户同时使用同一台计算机设备进行数据处理。
而现在普遍使用的虚拟内存技术，则是对某一特定部件，利用虚拟化技术以实现功能和规模的扩展。近年来兴起的虚拟化技术，不仅仅是对某一部件实现虚拟化，而是对整个计算机硬件系统进行模拟，通过软硬件技术，真正实现由一台计算机到多台计算机的转变。
虚拟技术需要解决服务器和操作系统的虚拟化、存储虚拟化以及系统管理虚拟化等一系列问题。如今，虚拟化开始从早期的存储虚拟化，向服务器和操作系统虚拟化以及整体虚拟化发展。
虚拟化解决方案的底部需要进行虚拟化的计算机硬件，这台机器可能直接支持虚拟化，也可能不会直接支持虚拟化，需要系统管理程序层的支持，系统管理程序可看作是平台硬件和操作系统的抽象化。在某些情况下，这个系统管理程序就是一个操作系统，系统管理程序之上是客户机操作系统，也称为虚拟机，这些虚拟机都是一些相互隔离的操作系统，将底层硬件平台视为自己所有，但实际上是系统管理程序为它们模拟出来的一种假象（图1）。
图1 基于虚拟化管理程序的体系架构
2.2 虚拟化技术分类
目前，虚拟化技术主要流行的技术分类可以分为平台虚拟化、桌面虚拟化和应用虚拟化等类别。
2.2.1 平台虚拟化(Platform Virtualization)
平台虚拟化又称硬件虚拟化，主要包括CPU、内存、磁盘和I/O 等部件的虚拟化。它是在硬件和传统的操作系统之间插入一个超级管理程序，操作系统不再直接运行在计算机硬件上，而是在Hypervisor 之上。操作系统称为客户机，Hypervisor 系统称为主机。客户机可以完全实现用户在传统物理机上的各种应用需求，实现对各种资源的访问和操作。
2.2.2 桌面虚拟化(Desktop Virtualization)
桌面虚拟化是相对传统的计算机桌面而言的，用户通过网络访问一台可集中控制的服务器，也可以由服务器将所需要的信息推送给用户所在设备。
桌面虚拟化技术可以分为四种模式： 主机模式（Hosted）、集中管理模式（Centralized）、同步模式（Remote Synchronization） 和客户机模式（Client-hosted）。
主机模式和集中管理模式较为相似，都需要可靠的网络作为基本支持。这两种模式一般都是由服务器构成桌面虚拟化数据中心，用户可以通过网络访问虚拟化服务，这些服务各自都包括了桌面操作系统配置文件。
集中管理模式有两种子模式，一对一模式： 即一个用户使用一个桌面虚拟化镜像； 一对多模式：是有一个共有的主镜像，每当一个用户申请使用虚拟化桌面时，都从该镜像复制一个副本，然后使用自己的数据和配置信息一并保存。
在同步模式中，一个镜像文件被复制到本地计算机中，由服务器的管理软件做定期更新，这种模式可以有效地避免因网络中断而引起的业务中断。在客户机模式中，使桌面虚拟化彻底摆脱了对网络的依赖，集中式服务器提供对主镜像的存储和管理，而每个客户则保留自己的独立桌面虚拟机。
以上四种模式，在实际部署中一般会较多地考虑集中管理模式和客户机模式。在实际应用部属中，还需要根据服务器性能、网络带宽及实际需求等因素来决定采用哪种模式或几种模式一起使用。
2.2.3 应用虚拟化（Application Virtualization）
从技术实现角度来说，应用虚拟化与硬件虚拟化有着非常明显的差异，应用虚拟化不是将底层的硬件通过各种虚拟化技术模拟出一台或多台虚拟机，而是将应用程序进行重新封装，在运行时，将所有的文件和注册表操作重定向到一个特定的文件，从而满足应用程序对底层硬件的访问需要，使应用程序直接对硬件进行操作。
应用虚拟化的具体实现方式有两种： 一是应用程序流（Application Streaming），这是一种基于软件分发形式的实现方法，根据应用程序顺序执行的特点，将应用程序封装和存储在一台应用程序流服务器上，执行时由服务器推送到客户端，从而实现程序的各种操作。第二种方式就是桌面虚拟化方式，应用程序安装在虚拟机里，通过连接虚拟机来实现应用程序的虚拟化。
2.3 虚拟化技术特点
①分区：大型的、扩展能力强的硬件能够被用来作为多台独立的服务器使用； 在一个单独的物理系统上，可以运行多个操作系统和应用； 计算资源可以被放置在资源池中，并能够被有效地控制。
②隔离：虚拟化能够提供理想化的物理机，每个虚拟机互相隔离； 数据不会在虚拟机之间泄露；应用只能在配置好的网络连接上进行通讯。
③封装：虚拟单元的所有环境被存放在一个单独文件中； 为应用展现的是标准化的虚拟硬件，确保兼容性； 整个磁盘分区被存储为一个文件，易于备份、转移和拷贝。
④硬件独立：可以在其他服务器上不加修改的运行虚拟机（图2）。
图2 虚拟化技术特点
虚拟技术支持高可用性、动态资源调整，极大地提高系统的可持续运行能力。
2.4 虚拟化技术优势
①提高运维自动化能力。日常工作中对旧服务器上应用系统的维护，往往因年久资料缺失而花费大量人力，而服务器更换产生的系统迁移工作更困难；
通过虚拟技术可将原有独立服务器上的操作系统整体迁移至虚拟环境，极大地提高系统的可维护性。随着物理设备的减少，有效地减少单点故障的发生率，管理人员可以有更多的时间管理有限的几台服务器。
②提高单台服务器的资源利用率，降低总体能耗。多台服务器通过整合归并至少量服务器后，将原有旧服务器淘汰，可节约机房空间、UPS 资源、空调资源等辅助设备费用。
③低成本备份和恢复方案。虚拟操作系统的备份是以文件形式存放的，备份和恢复非常方便。
④对于一些临时用的测试环境、开发环境等，可进行快速部署，提高系统部署效率，节省人工成本和IT 运维成本。
3.VMware虚拟化技术
VMware (Virtual Machine ware）是一个“虚拟PC”软件公司，提供虚拟化解决方案。VMware 虚拟化是直接在计算机硬件或主机操作系统上面导入一个精简的软件层，它包含一个以动态和透明方式分配硬件资源的虚拟机监视器，从而实现多个操作系统同时运行在同一台物理机上，彼此之间共享硬件资源。
VMware 于1999 年首次将虚拟化技术引入到x86计算平台上，VMware 虚拟化将操作系统从运行它的底层硬件中抽离出来，并为操作系统及其应用程序提供标准化的虚拟硬件，从而使多台虚拟机能够在一台或多台共享处理器上同时独立运行。
在所有通过虚拟化技术对IT 环境进行优化和管理的软件中，VMware 虚拟化技术得到了最为广泛应用，从桌面环境到数据中心均有涉及。
3.1 VMware服务模式
①桥接模式（Bridge）。桥接模式是将虚拟机连接到网络的最简单方法。当真实主机在一个以太网中时，可以手工为虚拟系统配置IP 地址、子网掩码，将其和宿主机处在同一个网段建立通讯。
虚拟机就像一个新增加的、与真实主机有着同等物理地位的一台电脑，可以访问网内任何一台电脑以及所有可用服务，并能以最简易的方法从真实主机获取资源。
②主机模式（Host-only）。遇到特殊网络调试环境时，需将真实环境和虚拟环境隔离开，可采用Host-only 模式建立隔离的虚拟机环境，在此种模式下，虚拟机与真实主机通过虚拟私有网络进行连接。只有同为Host-only 模式下的、且在一个虚拟交换机的连接才可互相访问。
③网络地址转换模式（NAT）；使用NAT（NetworkAddress Translation）模式可以让虚拟系统借助NAT（网络地址转换）功能，经由宿主机所在网络访问公网，实现虚拟系统中网络互联。
3.2 VMware性能分析
主要从CPU、RAM、存贮、网络以及VMware 与同类技术的对比来分析其性能：
① CPU：中央处理器虚拟化添加不同数量开销，这取决于不同因素。用于密集型应用时，任何处理器虚拟化的开销，都可能转化为减少整体性能。然而，虚拟机解决方案有能力平衡处理器加载一个高效率的方式，虚拟机器可以充分利用多核和多处理器配置，使它能够承担运行密集的工作量。
② RAM：虚拟化不减少内存数量，还需要运行一个应用程序和主机操作系统，像任何软件一样，虚拟层需要自己的内存。虚拟机技术增加了很少的内存开销，提供先进的内存管理机制。
③存贮：虚拟机运行完整的、未经修改的操作系统，因此，需要几个千兆字节的存储空间来保存所有应用程序、文件、设备驱动程序和其他数据。当多个虚拟机在同一台物理服务器上，他们可以影响要与他们联合的文件，同时需要快速访问存储数据。
④网络：虚拟基础设施、网络规模和性能，与物理环境非常类似。在大多数情况下，网络吞吐虚拟化的工作量相当于网络吞吐量的体力负荷。VMware 提供了理想的安全平台，一台物理服务器上的高速网络虚拟机支持网络拓扑，通过使用额外硬件提供安全隔离。
4.VMware虚拟化技术应用
4.1 VMware虚拟服务器
服务器虚拟化是IaaS 的核心技术，是将一个物理服务器虚拟成若干个独立的虚拟服务器使用，充分发挥服务器的硬件性能。服务器虚拟化技术将CPU、内存、I/O 设备等传统的物理资源，转化为可以统一管理的逻辑资源，为每一个虚拟服务器提供能够支持其运行的抽象资源（图3）。
图3 VMware 服务器虚拟化技术
服务器虚拟化技术是一个抽象层，它将物理硬件与操作系统分开，从而提供更高的IT 资源利用率和灵活性。它通过虚拟化层的实现，在单一的物理服务器上独立运行多个虚拟服务器，虚拟服务器上可以安装不同的操作系统和应用程序，以此来满足不同IT硬件需求。
VMware 虚拟服务器的创建方式，就是创建一个扩展名为“vmx”的虚拟机配置文件。一般通过选择“自定义”选项，系统会自行调整虚拟服务器的物理内存大小和硬盘空间，也可手工再分配物理内存和磁盘空间。VMware Workstation 所建立的硬盘是虚拟硬盘，是在主机硬盘上建立一个特殊文件，因此，在VMware中对硬盘进行分区甚至低级格式化，都不会影响主机的硬盘分区。
为了保证系统的兼容性和稳定性，VMware 把大部分硬件设备都虚拟成最标准、兼容性最好的虚拟设备，且不需要安装驱动程序。
VMware 软件服务器上可同时启动多台虚拟服务器，实现多台虚拟机操作系统之间相互切换。利用某台服务器的部分内存、硬盘资源，可构建成“独立”的虚拟服务器平台，而这些“独立”的虚拟机拥有各自的CMOS、硬盘、软驱、光驱、网卡、显卡等硬件，不仅可在每一台虚拟机中安装当前各种流行的操作系统和应用软件，而且还可以像对待新服务器那样，对其进行分区、格式化等操作，对原有硬件不会产生任何不良影响。
利用VMware 的vSphere 进行部署或创建虚拟服务器时，每个虚拟服务器都会依附于一个实体机，随着虚拟服务器的增多，当Virtual Center 监控到某个虚拟机在某实体机上运行时其可用资源不够时，或需要对虚拟机进行统一规划或调整时，利用VMware的DRS（Distributed Resource Scheduling）技术可对存储池进行动态资源管理，实现虚拟机在不同主机之间的动态迁移。
当在同一主机上有多个虚拟机时，有的实体机存储空间可能不满足虚拟机的运行情况，或存储空间所属物理磁盘性能受限，在这种情况下，可以将虚拟机迁移到同一物理主机的其它存储上，利用VMware 的VMotion 技术，实现运行中虚拟服务器的动态迁移，其优势在于能最大程度避免高峰期及软硬件升级带来的宕机事件，并按虚拟机的需求来分配和配置共享资源池中的硬件资源（图4）。
图4 VMotion 实现虚拟服务器动态迁移
4.2 VMware虚拟桌面
桌面虚拟化（Desktop Virtualization）是指将计算机的桌面进行虚拟化，用户可以通过任何终端设备，不受地点和时间限制，访问在网络上的属于个人的桌面系统。
桌面虚拟化相对传统的PC 系统具有明显优势：
①集中管理、统一配置，降低办公系统总体拥有成本；
②数据集中存储，提高数据安全性；
③随时随地、任意设备接入，更灵活方便的访问方式；
④按需动态调配硬件资源，提高硬件资源使用率，发挥硬件资源最大效能；
⑤瘦客户端能耗很低，占用空间小，应用更加环保节能。
VMware View 桌面虚拟技术打破了软件、硬件和操作系统之间相互依赖的关系，将桌面操作系统、应用程序和用户数据封闭到想隔离的层次，使IT 管理员从终端设备安装及桌面环境管理的工作中解放出来（图5）。
图5 VMware View 桌面虚拟化架构
VMware 作为服务器虚拟化的领跑者，开发了桌面虚拟化产品View。其后台架构在成熟且强大的服务器虚拟化平台vSphere 上，远程访问使用了自有的PCOIP 协议，提供了与真实PC 机相媲美的用户体验。VMware View 桌面虚拟化架构主要由四部分组件构成：VMware vSphere、View Connection Server、View Composer 和View Client。
VMware View 后台构建于vSphere 之上，vSphere平台由多台安装ESXi 操作系统的物理主机组成，每台ESXi 主机上可以承载几十到上百台虚拟机。View Connection Server 是虚拟桌面访问管理器，管理客户端与虚拟桌面的连接，同时提供ViewAdministrator 服务，允许管理员进行配置设置、管理虚拟桌面和设置桌面的权限以及分配应用程序。
View Composer 是创建链接克隆（Linked Clone） 虚拟桌面的组件，可以安装在vCenterServer 实例上或单独服务器上。Composer 可以从指定的父虚拟机创建链接克隆池，链接克隆与父虚拟机共享一个基础映像，因此，存储需求明显减少，而且还可极大降低桌面维护成本。
View Client 是View 客户端程序， 将该程序安装在瘦客户机上， 使View Client 与View Connection Server 进行通讯，实现用户与虚拟桌面的连接。
View 的客户端可以是PC、笔记本电脑、上网本、瘦客户机、平板电脑或手机等智能设备，这些终端设备需要安装客户端软件View Client。
VMware View 桌面虚拟化的特点：
①强大而稳定的后端服务器虚拟化平台vSphere是View 的最大优势。vSphere 是服务器虚拟化事实上的标准，其HA 功能可为虚拟机提供高可用性；FT 功能确保零停机时间和零数据丢失；DRS 功能可以动态分配和平衡计算容量。
② VMware 桌面虚拟化平台在存储方面做了大量的优化，其Thin Provisioning 技术实现存储按需分配，链接克隆技术极大地减少重复的存储空间和虚拟桌面的安装部署时间。
③ VMware 在内存共享方面也做了大量优化，其内存过量使用（Memory Over Commitment）技术可以提高单位服务器硬件上可承载的虚拟机密度。
④ View 中采用了高性能显示协议PC overIP(PCoIP)，PCoIP 是一种动态自适应协议，它自我调整后，可通过LAN 和WAN 提供最佳用户体验。
5.结束语
据统计，一般企业的IT 预算费用的70%-80%，用于对现有IT 设备和系统的维护和管理，而只有20%-30% 的费用用于开发新系统。虚拟化技术的应用，能够有效降低IT 管理和运维成本，减少IT 日常维护工作的复杂度。
虚拟化技术不仅是一种IT 潮流，更是一种发展趋势。虚拟化技术将重新界定终端用户、应用程序和数据三者之间的关系，并将推动企业IT 工作环境的改变，从而改变用户的工作方式。
VMware 是当今世界虚拟技术的领航者，与其同类虚拟技术相比，不难发现VMware 技术在灵活性、安全性、高性能等方面都有不俗表现，在实际应用过程中，能给我们的工作带来更多实惠。
VMWare 虚拟技术可以在不额外增加硬件设备条件下，充分挖掘现有硬件潜力，提高硬件资源的利用率；在不增加甚至减少现有IT 资源的情况下，可以获得更多的经济回报。
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本文标题：VMware虚拟化技术及其应用的综合剖析
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