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虚拟机

虚拟机

(运行于隔离环境中的计算机系统)
虚拟机(Virtual Machine)指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。在实体计算机中能够完成的工作在虚拟机中都能够实现。在计算机中创建虚拟机时,需要将实体机的部分硬盘和内存容量作为虚拟机的硬盘和内存容量。每个虚拟机都有独立的CMOS、硬盘和操作系统,可以像使用实体机一样对虚拟机进行操作。
虚拟机资料
  • 中文名:虚拟机
  • 外文名:Virtual Machine
  • 支持语言:简体中文
  • 使用类型办公软件定义:通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统
  • 简述

    虚拟机的另外一种含义是物理计算环境的软件模拟,通过系统控制程序为不同的操作系统或程序的执行提供的一个模拟的执行环境。其目的是在单一的机器上支持不同操作系统或一个操作系统的不同版本的同时运行,这方面的例子有VMWARE和IBM的VM/ESA等。

    有时,虚拟机也指多用户操作系统为用户提供的共享资源环境,其中每个用户的感觉是独享所有计算机资源。[2]

    虚拟系统

    虚拟系统通过生成现有操作系统的全新虚拟镜像,它具有真实windows系统完全一样的功能,进入虚拟系统后,所有操作都是在这个全新的独立的虚拟系统里面进行,可以独立安装运行软件,保存数据,拥有自己的独立桌面,不会对真正的系统产生任何影响,而且具有能够在现有系统与虚拟镜像之间灵活切换的一类操作系统。

    流行的虚拟机软件有VMware(VMWare ACE)、Virtual Box和Virtual PC,它们都能在Windows系统上虚拟出多个计算机。

    虚拟系统和传统的虚拟机(Parallels Desktop,Vmware,VirtualBox,Virtual pc)不同在于:虚拟系统不会降低电脑的性能,启动虚拟系统不需要像启动windows系统那样耗费时间,运行程序更加方便快捷;虚拟系统只能模拟和现有操作系统相同的环境,而虚拟机则可以模拟出其他种类的操作系统;而且虚拟机需要模拟底层的硬件指令,所以在应用程序运行速度上比虚拟系统慢得多。

    分类

    linux虚拟机

    linux虚拟机是一种安装在Windows上的虚拟linux操作环境为。它实际上只是个文件而已,是虚拟的linux环境,而非真正意义上的操作系统。但是它们的实际效果是一样的。

    Java虚拟机

    Java虚拟机(JVM)是Java Virtual Machine的缩写,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能模拟来实现的。Java虚拟机有自己完善的硬件架构,如处理器、堆栈、寄存器等,还具有相应的指令系统。

    常见的虚拟机还有并行虚拟机(PVM), 虚拟Lisp机(VLM)等。[2]

    安装

    安装过程

    下面通过例子,介绍使用VMware Workstation创建虚拟机的方法与步骤。

    1.运行VMware Workstation 6,单击“File→New→Virtual Machine”命令,进入创建虚拟机向导,或者直接按“Crtl+N”快捷键同样进入创建虚拟机向导。

    2.在弹出的欢迎页中单击“下一步”按钮。

    3.在“Virtual machine configuration”选项区域内选择“Custom”单选按钮。

    4.在Choose the Virtual Machine Hardware Compatibility页中,选择虚拟机的硬件格式,可以在Hardware compatibility下拉列表框中,在VMware Workstation 6、VMware Workstation 5或VMware Workstation 4三者之间进行选择。通常情况下选择Workstation 6的格式,因为新的虚拟机硬件格式支持更多的功能,选择好后单击“下一步”按钮。

    5.在Select a Guest Operating System对话框中,选择要创建虚拟机类型及要运行的操作系统,这里选择Windows 2000 Professional操作系统,单击“下一步”按钮。

    6.在Name the Virtual Machine对话框中,为新建的虚拟机命名并且选择它的保存路径。

    7.在Processors选项区域中选择虚拟机中CPU的数量,如果选择Two,主机需要有两个CPU或者是超线程的CPU。

    8.在Memory for the Virtual Machine页中,设置虚拟机使用的内存,通常情况下,对于Windows 98及其以下的系统,可以设置64MB;对于Windows 2000/XP,最少可以设置96MB;对于Windows 2003,最低为128MB;对于Windows Vista虚拟机,最低512MB。

    9.在Network Type页中选择虚拟机网卡的“联网类型”

    选择第一项,使用桥接网卡(VMnet0虚拟网卡),表示当前虚拟机与主机(指运行VMware Workstation软件的计算机)在同一个网络中。

    选择第二项,使用NAT网卡(VMnet8虚拟网卡),表示虚拟机通过主机单向访问主机及主机之外的网络,主机之外的网络中的计算机,不能访问该虚拟机。

    选择第三项,只使用本地网络(VMnet1虚拟网卡),表示虚拟机只能访问主机及所有使用VMnet1虚拟网卡的虚拟机。主机之外的网络中的计算机不能访问该虚拟机,也不能被该虚拟机所访问。

    选择第四项,没有网络连接,表明该虚拟机与主机没有网络连接。

    10.在Select I/O Adapter Type页中,选择虚拟机的SCSI卡的型号,通常选择默认值即可。

    11.在Select a Disk页中,选择Create a new virtual disk(创建一个新的虚拟硬盘)。

    12.在Select a Disk Type页中,选择创建的虚拟硬盘的接口方式,通常选择默认值即可。

    13.在Specify Disk Capacity页中设置虚拟磁盘大小,对于一般的使用来说,选择默认值即可。

    14.在Specify Disk File页的Disk file选项区域内设置虚拟磁盘文件名称,通常选择默认值即可,然后单击完成按钮。

    15.安装VMware Tools在虚拟机中安装完操作系统之后,接下来需要安装VMware Tools。VMware Tools相当于VMware虚拟机的主板芯片组驱动和显卡驱动鼠标驱动,在安装VMware Tools后,可以极大提高虚拟机的性能,并且可以让虚拟机分辨率以任意大小进行设置,还可以使用鼠标直接从虚拟机窗口中切换到主机中来。

    • 从VM菜单下选择安装VMware Tools。

    • 按照提示安装,最后重新启动虚拟机即可。

    注意事项

    在虚拟机中安装操作系统,和在真实的计算机中安装没有什么区别,但在虚拟机中安装操作系统,可以直接使用保存在主机上的安装光盘镜像(或者软盘镜像)作为虚拟机的光驱(或者软驱)。

    可以用打开前文创建的Windows2000虚拟机配置文件,在Virtual Machine Settings页中的Hardware选项卡中,选择CD-ROM项,在Connection选项区域内选中Use ISO image单选按钮,然后浏览选择Windows 2000安装光盘镜像文件(ISO格式)。如果使用安装光盘,则选择Use physical drive并选择安装光盘所在光驱。

    选择光驱完成后,然后单击工具栏上的播放按钮,打开虚拟机的电源,用鼠标在虚拟机工作窗口中单击一下,进入虚拟机。

    如果想从虚拟机窗口中切换回主机,需要按下Ctrl+Alt热键。

    云中配置

    部署法则

    启动和停止虚拟机是使用云计算资源的例行公事。在云中部署虚拟机有两个基本的选项:客户可以拷贝一个预先配置好的虚拟机镜像(也被称为最终版),或者他们可以按照需求装配一个自定义的虚拟机镜像。

    要启用一个虚拟机,首先要从云目录中选择一个机器镜像。当部署一个跟Apache Web或者是Jboss应用服务器有关的应用时,最好选择一个预先装好这些组件的Linux镜像。如果你是一个.NET程序员,最好选择一个预先安装并配置好开发工具的Windows操作系统。除了选择一个安装好必备软件的虚拟机镜像之外,还必须确认这些软件是最新的并且打过补丁。一旦你选择好了镜像,下一步就是在云中部署这个镜像。

    完成版镜像

    使用最终版镜像有几大优势。最主要的是它可以保证虚拟机的一致性。此外,以一个已有的镜像开始可以节省很多精力和时间。终端客户不必去关心怎么安装程序库或者附加的包;他们可以依靠云管理员来维护最终版镜像。

    终端用户拥有的选项受限是这个方法的缺陷;镜像目录通常会包含常用的镜像而不是一些不常用的组件集合。对于一个专业的虚拟机镜像,你可以选择一个最终版并且安装所需的组件。如果一个终端用户经常部署自定义的镜像,那么他必须保留一个镜像的副本,但是这就意味着用户必须自己打补丁,从而失去了使用最终版的优势。

    考虑专业的云中实例并不是很重要的情况:你的网页应用已经在你配置负载均衡后的环境中运行了几周,如果你的应用突然发生了中断,你可能会考虑为负载均衡集群增加几台服务器。在这种情况下,你需要在集群中运行完全相同的镜像以保持一致性。如果你以前重做过这个镜像,那么系统中就可能出现不同版本的组件。这种情况也会发生在一个组件在两次部署期间发布了新版本。

    按需装配

    每次部署新镜像时创建自定义镜像使终端用户可以自己安装所需的组件。云用户喜欢以一个基础系统镜像开始,然后安装应用程序组件(数据库,应用服务器和web服务器)。然而,如果没有工具的帮助,创建所需的云对于经常性的部署是不切实际的。在这种情况下,应考虑使用配置管理工具(例如Chef或者Puppet),它们允许你指定你想包含在镜像中的组件。如果最新版本的应用和补丁对于镜像至关重要,按需装配它们是最好的选择。举例来说,如果你有一份数据库服务器的标准配置,创建一个Chef或者Puppet脚本来创建镜像可以保证你拥有最新版本的组件。

    按需装配还有助于在多服务器中保持一致性,因为数据库管理员不太喜欢点对点的为一个过时的最终版镜像打补丁。

    两种部署云中虚拟机方法(创建最终版镜像和创建按需迭代镜像)并不是相互独立的。举例来说,当你需要创建一个服务器集群时,你应该建立脚本来装配一个自定义的镜像并使它成为最终版。首先通过配置管理工具创建多个虚拟机镜像然后使用这个镜像创建多个虚拟机实例。在这个场景中,只要你需要为集群添加新的虚拟服务器就要保留最终版镜像。

    这里并没有单一的途径来在云环境中装配和部署镜像。最终版镜像在以一致性为主的案例中运作良好;而装配按需版本则可以保证你的环境中运行着最新的组件。

    私有配置

    行业对话已经超越了解什么是云计算,企业IT环境中要决定如何能更好的部署它。这种演变与过去的虚拟化候选人的辩论相似——懂得如何确定物理服务器能否成为一个好的虚拟机。

    1.云负荷需要什么样的网络呢?如虚拟服务器的线程、内存的需求、网络资源的总负荷、私有云中的应用程序的消耗,这些都是极为重要的。

    繁忙的网络资源负荷的需求,在局域网中链接到其他服务器,这样是不会制造出最好的云候选者。把这些负荷放入到私有云中,可能会造成带宽或延迟等问题,会影响云的整体性能。衡量云服务器和位于本地数据中心的其他服务器的网络利用率。

    2、还有什么其他服务与私有云互连吗?考虑到云负荷与其他网络中的云工作量负荷之间的交流。例如,几乎所有基于Windows的IT服务都倾向于Active Directory认证,因为桌面操作系统都是这样做的。域控制者必须处理大量的通信,所以把它们完全转移到云中可能是一个坏主意。

    另外,服务与本地数据中心的其他服务有一些交互,不太可能因为位置的迁移而受影响。延迟影响不大。查看虚拟机中的互操作,是一个好的办法,可以找到云中就绪的资源。

    3、私有云中的工作负荷和其他工作负荷之间是否存在明显的分隔(例如,“硬线”)?隔离云服务可以作为良好的云候选人和坏的之间的分隔线。孤立服务,可以制造出杰出的云候选人,例如,那些服务是否位于你的DMZ中。按照设计,DMZ有“硬线”环绕着它的服务,尤其是防火墙中,可以把它在网络和局域网中分隔出来。分隔意味着你可以非常容易的把所有内容从DMZ移到云中。DMZ可以很明确的划分,什么可以制造出优秀的私有云候选者。结合不同云服务、DMZ服务之间的虚拟防火墙的隔离,很有可能在云中获得成功。

    4、云服务可以友好的复制吗?一些IT服务已经在心里开始设计复制了:设计通信是为了支持延迟、带宽的类型,你会在局域网与云通信中体验。这些服务可能包括异地备份、服务器故障转移、或者其他服务的协议,为不能满足局域网速度的网络做准备。

    5、如果私有云中的数据妥协,你会多痛苦呢?最后的检查,确实是早期围绕云安全和数据所有权的关注的一个直接结果。选择把虚拟机放到云中的时候,围绕数据的安全、所有权和管理问题必须是要考虑的因素,一些虚拟机和某些IT资源与数据一起工作,如果丢失或者妥协,会为企业带来明显的痛苦。

    注意,一个潜在的启用云虚拟机的数据类型可以处理。如果丢失或者暴露,数据的价值大于迁移到云中,那么最好把虚拟机放在数据中心。

    为私有云选择正确的虚拟机,你要分析每一个虚拟机和服务所用的资源。你也需要检查把这些资源移向云中的风险。有了正确的调查,就可以找到最好的资源和服务,并且可以相对容易的部署到私有云中。

    资源分配

    虚拟机资源涉及多个方面:CPU、内存、网络以及磁盘。在规划虚拟机时应该考虑这些资源之间的关系,否则,分配的资源不合理将导致虚拟机内的应用程序性能表现不佳。

    CPU

    虚拟机每个vCPU只运行在一个物理核心之上,因此CPU频率越高虚拟机的运行速度也就越高,vCPU数量越多有助于提升应用的性能表现。如果虚拟机需要占用大量的CPU时间,那么可以考虑为虚拟机分配第二个vCPU,但是,为虚拟机分配两个以上vCPU并不一定让应用运行的更快,因为只有多线程应用才能有效地使用多个vCPU。

    RAM

    RAM资源通常有限,因此在给虚拟机分配RAM时需要格外小心。物理内存被完全用完后,必须确定哪些虚拟机能够保留物理内存,哪些虚拟机要释放物理内存。这称之为“内存回收”。当虚拟机占用的物理内存被回收后,存在的一个风险就是会对虚拟机的性能造成影响。虚拟机被回收的内存越多,相应的风险也就越大。

    最明智的是只为虚拟机分配完成工作所需要的内存。分配额外的内存将会增加回收风险。另一方面,当虚拟机操作系统将未被使用的内存用作磁盘缓存时,将会显著降低对磁盘系统的性能要求,所以这里有一个折衷问题。

    网络带宽

    网络带宽包括两个方面:一是虚拟机和虚拟交换机之间的带宽,二是虚拟交换机与外部网络之间的带宽。对于与外部物理网络的连接,一定要确保主机具备速度最快的物理网卡。进行大量网络传输的虚拟机,虚拟机以及数据包的传输都会消耗CPU时间。因此,运行在CPU受限的服务器之上的虚拟机由于CPU无法快速响应请求可能会面临网络吞吐量不高的情况。

    磁盘性能

    磁盘性能往往是无声的性能杀手。虚拟机磁盘性能受阵列磁盘数量、类型以及运行在其上的虚拟机的数量的限制。因为集中地共享存储架构将导致通过同一位置访问所有的虚拟机磁盘,阵列的存储控制器以及磁盘过载情况很容易出现,只剩下虚拟机在等待存储的响应。

    虚拟机等待磁盘IO、虚拟机CPU空闲对性能的影响有很大不同。等待IO的虚拟机无法做其他工作,因此高I/O等待时间意味着性能肯定会下降。进行周密的存储设计以避免上述情况的发生至关重要。

    合理选择磁盘提升虚拟机性能。在虚拟化中,hypervisor将工作负载从运行在底层的物理硬件中抽象出来,允许快速分配并共享计算资源,迁移工作负载。尽管hypervisor以及与虚拟化兼容的处理器性能开销很小,但是虚拟化层的存在却对性能有影响。

    当磁盘性能对工作负载至关重要时,某些管理员可能会选择以直通模式配置LUN,允许虚拟机的操作系统绕过hypervisor与直接LUN进行通信。例如,Windows服务器虚拟机可能使用直通模式绕过Hyper-V直接访问磁盘,这对SQL Server数据库的性能有些许提升。然而,由于客户操作系统(采用直通模式)以及hypervisor试图同时访问磁盘,那么hypervisor必须被配置为忽略直通LUN。

    直通模式存在的问题是其不被某些重要的虚拟化功能比如虚拟机快照或者集群所支持。因此,虚拟机在实际上可能会受益于虚拟化提供的各种功能特性而非采用直通模式所带来的处于边缘地位的性能提升。管理员需要评估虚拟机的需求并确定直通模式的适宜性。

    除直通模式外,Hyper-V以及其他hypervisor还提供了其他磁盘存储选项。例如,当.VHD文件被创建时,大小固定的磁盘将分配所有的数据块。一旦被创建,大小固定的磁盘就不能够进行调整了。然而,动态扩展磁盘从一开始创建的就是没有数据块的.VHD文件,当数据写入到.VHD文件中后磁盘空间才会被分配出去。这和精简配置类似,尽管在逻辑上创建了一块磁盘,但实际的磁盘空间只有数据写入时才会被用到。

    差分磁盘是一种特殊的动态扩展磁盘类型。其设计思路是父磁盘拥有固定的镜像而且差分磁盘与父磁盘相关联,因此写入到磁盘的数据被存放在差分磁盘而非.VHD文件中。读请求首先检查差分磁盘的.VHD文件,如果没有更改,就会读父.VHD文件。当需要标准化的磁盘镜像而且回滚功能很重要时,差分是一个不错的主意,但是管理员在维护父子磁盘配置时可能会面临挑战。

    主要用处

    1.演示环境,可以安装各种演示环境,便于做各种例子

    2.保证主机的快速运行,减少不必要的垃圾安装程序,偶尔使用的程序,或者测试用的程序在虚拟机上运行

    3.避免每次重新安装,银行等常用工具,不经常使用,而且要求保密比较好的,单独在一个环境下面运行

    4.想测试一下不熟悉的应用,在虚拟机中随便安装和彻底删除

    5.体验不同版本的操作系统,如Linux、Mac等。

    终端虚拟化由于其带来的维护费用的大幅降低而受到追捧——如能降低占用空间,降低购买软硬件设备的成本,节省能源和更低的维护成本。它比实际存在的终端设备更加具备性价比优势。但这些并非是教育行业和厂商对虚拟化技术情有独钟的惟一原因。另一方面,一般较少提及,虚拟化技术能大幅提升系统的安全性。

    参考资料

    [1] Parallels Desktop · 软发网[引用日期2020-10-09]

    [2] 张效祥 . 计算机科学技术百科全书 : 清华大学出版社 ,2018-05

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