漫談云計(jì)算、虛擬化、容器化

什么是漫談云計(jì)算、虛擬化、容器化

云計(jì)算是最近幾年才興起的概念，但是這樣的需求其實(shí)早都有了，現(xiàn)階段廣為接受的是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)定義：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)， 進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲(chǔ)，應(yīng)用軟件，服務(wù))，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。

云計(jì)算最基本的特性是：“按使用量付費(fèi)”、“資源共享池”和多租戶隔離。

1.2 云計(jì)算特點(diǎn)

超大規(guī)模

云具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，Google 云計(jì)算已經(jīng)擁有 100 多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器， Amazon、IBM、微軟、Yahoo 等的云均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器。云能賦予用戶前所未有的計(jì)算能力。

虛擬化

云計(jì)算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請(qǐng)求的資源來(lái)自云，而不是固定的有形的實(shí)體。應(yīng)用在云中某處運(yùn)行，但實(shí)際上用戶無(wú)需了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置。只需要一臺(tái)筆記本或者一個(gè)手機(jī)，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們需要的一切，甚至包括超級(jí)計(jì)算這樣的任務(wù)。

高可靠性

云使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

通用性

云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，在云的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個(gè)云可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

高可擴(kuò)展性

云的規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。

按需服務(wù)

云是一個(gè)龐大的資源池，你按需購(gòu)買(mǎi);云可以像自來(lái)水，電，煤氣那樣計(jì)費(fèi)。

極其廉價(jià)

由于云的特殊容錯(cuò)措施可以采用極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成云，云的自動(dòng)化集中式管理使大量企業(yè)無(wú)需負(fù)擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，云的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升，因此用戶可以充分享受云的低成本優(yōu)勢(shì)，經(jīng)常只要花費(fèi)幾百美元、幾天時(shí)間就能完成以前需要數(shù)萬(wàn)美元、數(shù)月時(shí)間才能完成的任務(wù)。

潛在的危險(xiǎn)性

云計(jì)算服務(wù)除了提供計(jì)算服務(wù)外，還必然提供了存儲(chǔ)服務(wù)。但是云計(jì)算服務(wù)當(dāng)前壟斷在私人機(jī)構(gòu)(企業(yè))手中，而他們僅僅能夠提供商業(yè)信用。對(duì)于政府機(jī)構(gòu)、商業(yè)機(jī)構(gòu)(特別像銀行這樣持有敏感數(shù)據(jù)的商業(yè)機(jī)構(gòu))對(duì)于選擇云計(jì)算服務(wù)應(yīng)保持足夠的警惕。一旦商業(yè)用戶大規(guī)模使用私人機(jī)構(gòu)提供的云計(jì)算服務(wù)，無(wú)論其技術(shù)優(yōu)勢(shì)有多強(qiáng)，都不可避免地讓這些私人機(jī)構(gòu)以數(shù)據(jù)(信息)的重要性挾制整個(gè)社會(huì)。

對(duì)于信息社會(huì)而言，信息是至關(guān)重要的。另一方面，云計(jì)算中的數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)所有者以外的其他用戶云計(jì)算用戶是保密的，但是對(duì)于提供云計(jì)算的商業(yè)機(jī)構(gòu)而言確實(shí)毫無(wú)秘密可言。所有這些潛在的危險(xiǎn)，是商業(yè)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)選擇云計(jì)算服務(wù)、特別是國(guó)外機(jī)構(gòu)提供的云計(jì)算服務(wù)時(shí)，不得不考慮的一個(gè)重要的前提。

1.3 云計(jì)算分類(lèi)

公有云：只有使用權(quán)，使用的時(shí)候進(jìn)行按需付費(fèi)。但數(shù)據(jù)放在別人家。數(shù)據(jù)安全沒(méi)有保障。而且銀行不會(huì)使用公有云，金融行業(yè)不要使用公有云。公有云的核心屬性是共享資源服務(wù)。

私有云：自己的機(jī)房搭建的云，私有云有局限性，資源固定;數(shù)據(jù)比較安全。私有云的核心屬性是專(zhuān)有資源。

混合云：主要任務(wù)放到私有云，臨時(shí)需要時(shí)利用混合云，它將公有云和私有云進(jìn)行混合匹配，以獲得好的效果，這種個(gè)性的解決方案，達(dá)到二既省錢(qián)又安全的目的。

1.4 云計(jì)算分層

云計(jì)算也是層的，大概有以下幾種：

傳統(tǒng) IT

基本所有的都需要自行管理，比如：網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、服務(wù)器、虛擬化，操作系統(tǒng)、中間件、運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等。

IaaS

IaaS，Infrastructure-as-a-Service 中文名稱(chēng)為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。 主要作用是提供虛擬機(jī)或者其他資源作為服務(wù)提供給用戶。

PaaS

PaaS,Platform-as-a-Service 中文名稱(chēng)為平臺(tái)即服務(wù)。如果以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)中 “硬件+操作系統(tǒng)/開(kāi)發(fā)工具+應(yīng)用軟件” 的觀點(diǎn)來(lái)看待，那么云計(jì)算的平臺(tái)層應(yīng)該提供類(lèi)似操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具的功能。

實(shí)際上也的確如此，PaaS 定位于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供一整套開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和運(yùn)行應(yīng)用軟件的支撐平臺(tái)。就像在個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)模式下，程序員可能會(huì)在一臺(tái)裝有 Windows 或 Linux 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上使用開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)并部署應(yīng)用軟件一樣。PaaS 某些時(shí)候也叫做中間件，主要作用是提供一個(gè)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)給用戶。

saas

saas，Software-as-a-Service 中文名稱(chēng)為軟件即服務(wù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一種通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的軟件應(yīng)用模式。在這種模式下，用戶不需要再花費(fèi)大量投資用于硬件、軟件和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，只需要支付一定的租賃費(fèi)用，就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)享受到相應(yīng)的服務(wù)，而且整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)也由廠商負(fù)責(zé)。

如果要用一句話來(lái)概括 IaaS、PaaS 和 saas 的話，那就是：如果把云計(jì)算比喻成一部手機(jī)，那么 IaaS 就是硬件，你要自己寫(xiě)代碼研發(fā)系統(tǒng)才能用;PaaS 是手機(jī)系統(tǒng)，你要實(shí)現(xiàn)什么功能還是要裝各種軟件;saas 就是硬件+系統(tǒng)+軟件，你要干什么一句話就能解決。

什么是虛擬化?

2.1 虛擬化概念

虛擬化是通過(guò)軟件手段對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源鏡像整合管理和再分配的一種技術(shù)，常用的手段有基于虛擬機(jī)的虛擬化和基于容器的虛擬化。

2.2 虛擬化技術(shù)分類(lèi)

2.2.1 按應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)

• 操作系統(tǒng)虛擬化
• 應(yīng)用程序虛擬化
• 桌面應(yīng)用虛擬化
• 存儲(chǔ)虛擬化
• 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

2.2.2 按照應(yīng)用模式分類(lèi)

• 一對(duì)多：其中將一個(gè)物理服務(wù)器劃分為多個(gè)虛擬服務(wù)器，這是典型的服務(wù)器整合模式。
• 多對(duì)一：其中整合了多個(gè)虛擬服務(wù)器，并將它們作為一個(gè)資源池，這是典型的網(wǎng)格計(jì)算模式。
• 多對(duì)多：將前兩種模式結(jié)合在一起。

2.2.3 按硬件資源調(diào)用模式分類(lèi)

全虛擬化

全虛擬化，虛擬化操作系統(tǒng)與底層硬件完全隔離。由中間的 Hypervisor 層轉(zhuǎn)化虛擬化客戶操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件的調(diào)用代碼，全虛擬化無(wú)需更改客戶端操作系統(tǒng)，并兼容性好。典型代表有：Vmware Workstation、KVM。

半虛擬化

半虛擬化，在虛擬客戶操作系統(tǒng)中加入特定的虛擬化指令，通過(guò)這些指令可以直接通過(guò) Hypervisor 層調(diào)用硬件資源，免除有 Hypervisor 層轉(zhuǎn)換指令的性能開(kāi)銷(xiāo)。半虛擬化的典型代表 Microsoft Hyper-V、Vmware 的 vSphere。

注：針對(duì) IO 層面半虛擬化要比全虛擬化要好，因?yàn)榇疟P(pán) IO 多一層必定會(huì)慢。一般說(shuō) IO 就是網(wǎng)絡(luò) IO 和磁盤(pán) IO，因?yàn)檫@兩個(gè)相對(duì)而言是比較慢的。

2.3 基于虛擬機(jī)(Hypervisor-based)的虛擬化

它通過(guò)一個(gè)軟件層的封裝，提供和物理硬件相同的輸入輸出表現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件的解耦，將 OS 和計(jì)算機(jī)間從 1 對(duì) 1 變成了多對(duì)多(實(shí)際上是 1 對(duì)多)的關(guān)系。該軟件層稱(chēng)為虛擬機(jī)管理器(VMM / Hypervisor)，它可以直接運(yùn)行在裸機(jī)上(Xen、VMware EXSi)，也可以運(yùn)行在操作系統(tǒng)上(KVM、VMware Workstation)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很成熟了,(發(fā)展了40 多年)，但仍然存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

• 在虛擬機(jī)上運(yùn)行了一個(gè)完整的操作系統(tǒng)(GuestOS)，在其下執(zhí)行的還有虛擬化層和宿主機(jī)操作系統(tǒng)，一定比直接在物理機(jī)上運(yùn)行相同的服務(wù)性能差;
• 有 GuestOS 的存在，虛擬機(jī)鏡像往往有幾個(gè) G 到幾十個(gè) G，占用的存儲(chǔ)空間大，便攜性差;
• 想要使用更多硬件資源，需要啟動(dòng)一臺(tái)新的虛擬機(jī)。要等待 GuesOS 啟動(dòng)，可能需要幾十秒到幾分鐘不等。

實(shí)際使用場(chǎng)景中，我們使用虛擬化技術(shù)其實(shí)是為了按需分配資源來(lái)完成服務(wù)的部署和使用，同時(shí)對(duì)服務(wù)所依賴(lài)的環(huán)境進(jìn)行隔離，不被其它服務(wù)感知或干擾。為此啟動(dòng)一個(gè) GuestOS 并不是必需的，為什么不考慮讓多個(gè)虛擬機(jī)公用一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，只隔離開(kāi)服務(wù)運(yùn)行環(huán)境同時(shí)控制服務(wù)使用的系統(tǒng)資源呢?基于容器的虛擬化就是這樣一種技術(shù)。

2.4 基于容器的虛擬化

容器是沒(méi)有 GuestOS 的輕量級(jí)虛擬機(jī)，多個(gè)容器共享一個(gè) OS 內(nèi)核，容器中包含需要部署的應(yīng)用和它依賴(lài)的系統(tǒng)環(huán)境，容器大小通常只有幾十到幾百 MB。由于共享操作系統(tǒng)內(nèi)核，所以容器依賴(lài)于底層的操作系統(tǒng)，各個(gè)操作系統(tǒng)大都有自己的容器技術(shù)和容器工具。

Docker 是一個(gè) Linux 容器管理工具，隨著 Docker 的興起，Linux 容器技術(shù)也是當(dāng)下最時(shí)興的容器虛擬化技術(shù)。Linux 容器工具有很多，OpenVZ、LXC、Docker、Rocket、Lmctfy 等等，大都是基于 Linux 內(nèi)核提供的兩個(gè)機(jī)制：Cgroups(實(shí)現(xiàn)資源按需分配)和 Namespace(實(shí)現(xiàn)任務(wù)隔離)。

2.5 二種虛擬化技術(shù)的區(qū)別

虛擬機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，虛擬機(jī)和虛擬化層間的接口、虛擬機(jī)鏡像格式等都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。相應(yīng)的管理工具、分布式集群管理工具都有比較完善的解決方案，而容器最近幾年才興起，配套技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還在完善中;

虛擬機(jī)由于有 GuestOS 存在，可以和宿主機(jī)運(yùn)行不同 OS，而容器只能支持和宿主機(jī)內(nèi)核相同的操作系統(tǒng);

虛擬機(jī)由于有 VMM 的存在，虛擬機(jī)之間、虛擬機(jī)和宿主機(jī)之間隔離性很好。而容器之間公用宿主機(jī)的內(nèi)核，共享系統(tǒng)調(diào)用和一些底層的庫(kù)，隔離性相對(duì)較差;

容器比虛擬機(jī)明顯更輕量級(jí)，對(duì)宿主機(jī)操作系統(tǒng)而言，容器就跟一個(gè)進(jìn)程差不多。因此容器有著更快的啟動(dòng)速度(秒級(jí)甚至更快)，更高密度的存儲(chǔ)和使用(鏡像小)、更方便的集群管理等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于沒(méi)有 GuestOS 存在，在容器中運(yùn)行應(yīng)用和直接在宿主機(jī)上幾乎沒(méi)有性能損失，比虛擬機(jī)明顯性能上有優(yōu)勢(shì)。

云計(jì)算和虛擬化差別

對(duì)云計(jì)算和虛擬化差別的描述，有一句經(jīng)典的話：虛擬化是云計(jì)算構(gòu)建資源池的一個(gè)主要方式。只要這句話你理解透了就知道他倆的關(guān)系了。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，云計(jì)算是一個(gè)概念，而不是具體技術(shù)。虛擬化是一種具體技術(shù)，指把硬件資源虛擬化，實(shí)現(xiàn)隔離性、可擴(kuò)展性、安全性、資源可充分利用等特點(diǎn)的產(chǎn)品。

目前云計(jì)算，大多是依賴(lài)虛擬化，通過(guò)把多臺(tái)服務(wù)器實(shí)體虛擬化后，構(gòu)成一個(gè)資源池，實(shí)現(xiàn)共同計(jì)算，共享資源。也就是現(xiàn)在所謂云計(jì)算，其實(shí)這個(gè)詞提出來(lái)之前，過(guò)去的服務(wù)器集群就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這些功能了，只不過(guò)沒(méi)有現(xiàn)在那么先進(jìn)而已。

3.1 各領(lǐng)域代表的產(chǎn)品

云計(jì)算架構(gòu)的開(kāi)源產(chǎn)品是 OpenStack，OpenStack 是一個(gè)由 NASA 和 Rackspace 合作研發(fā)并發(fā)起的，以 Apache 許可證授權(quán)的自由軟件和開(kāi)放源代碼項(xiàng)目。

• 虛擬機(jī)的虛擬化：VM 的商業(yè)付費(fèi) vSphere 或者開(kāi)源的 KVM。
• 容器的虛擬化：Docker。

3.2 OpenStack

Openstack 是眾多技術(shù)的組合體，有涉及網(wǎng)絡(luò)組件的 Neutron，有涉及 Dashboard 的 Horizon，也有涉及計(jì)算資源分配的 Nova。

虛擬化技術(shù)只是其中一個(gè)涉及到資源池構(gòu)建的方式。當(dāng)然你也可以用其它方式構(gòu)建資源池,比如物理機(jī)還有容器。

Openstack 經(jīng)過(guò)幾年十幾個(gè)版本的更迭，已經(jīng)擁有了 Keystone、Nova、Neutron、Cinder、Glance、Swift、Heat、Ceilometer 等等組件，比較完整的提供了一個(gè)云平臺(tái)應(yīng)有的各個(gè)模塊。

3.3 在云計(jì)算中，不同層的選型

選取基于虛擬機(jī)的虛擬化呢，還是基于容器的虛擬化。早期由于容器技術(shù)的不完善，云計(jì)算只有虛擬機(jī)這一種選擇。

隨著現(xiàn)在容器技術(shù)興起，基于容器的虛擬化性能更高，交付速度快，方便管理，而且資源利用率高，看起來(lái)是比虛擬機(jī)更好的方案。但是它現(xiàn)有的兩個(gè)比較大的缺點(diǎn)(隔離性不夠強(qiáng)、操作系統(tǒng)依賴(lài)性)讓他無(wú)法完全替代 VM，對(duì)于 saas 用戶和部分 PaaS 用戶而言這兩個(gè)缺點(diǎn)可能不那么明顯?，F(xiàn)階段 Container 和云計(jì)算主要結(jié)合的場(chǎng)景也是在 saas 和 PaaS 中，事實(shí)上大多數(shù) saas 和 PaaS 服務(wù)提供商都使用了容器技術(shù)。

但是對(duì)于 IaaS 的用戶來(lái)說(shuō)，他們租用的是基礎(chǔ)設(shè)施。上面承載著他們自己運(yùn)行的系統(tǒng)和服務(wù)，隔離性不強(qiáng)意味著安全性和可信性不高。在這種情況下大客戶們，肯定是不放心的。同時(shí)操作系統(tǒng)依賴(lài)性也是限制 Container 在 IaaS 層應(yīng)用的一個(gè)主要問(wèn)題，也是絕大多數(shù)解決方案都是將Container 運(yùn)行在 VM 上的原因，這樣 Container 性能好的優(yōu)勢(shì)實(shí)際上在云上根本發(fā)揮不出來(lái)，優(yōu)點(diǎn)只有啟動(dòng)快了。

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