什么是漫談云計算、虛擬化、容器化

云計算是最近幾年才興起的概念，但是這樣的需求其實早都有了，現(xiàn)階段廣為接受的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問， 進(jìn)入可配置的計算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器，存儲，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。

云計算最基本的特性是：“按使用量付費”、“資源共享池”和多租戶隔離。

1.2 云計算特點

超大規(guī)模

云具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，Google 云計算已經(jīng)擁有 100 多萬臺服務(wù)器， Amazon、IBM、微軟、Yahoo 等的云均擁有幾十萬臺服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺服務(wù)器。云能賦予用戶前所未有的計算能力。

虛擬化

云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請求的資源來自云，而不是固定的有形的實體。應(yīng)用在云中某處運行，但實際上用戶無需了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運行的具體位置。只需要一臺筆記本或者一個手機(jī)，就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來實現(xiàn)我們需要的一切，甚至包括超級計算這樣的任務(wù)。

高可靠性

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

通用性

云計算不針對特定的應(yīng)用，在云的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個云可以同時支撐不同的應(yīng)用運行。

高可擴(kuò)展性

云的規(guī)模可以動態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要。

按需服務(wù)

云是一個龐大的資源池，你按需購買;云可以像自來水，電，煤氣那樣計費。

極其廉價

由于云的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云，云的自動化集中式管理使大量企業(yè)無需負(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，經(jīng)常只要花費幾百美元、幾天時間就能完成以前需要數(shù)萬美元、數(shù)月時間才能完成的任務(wù)。

潛在的危險性

云計算服務(wù)除了提供計算服務(wù)外，還必然提供了存儲服務(wù)。但是云計算服務(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))對于選擇云計算服務(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)提供的云計算服務(wù)，無論其技術(shù)優(yōu)勢有多強(qiáng)，都不可避免地讓這些私人機(jī)構(gòu)以數(shù)據(jù)(信息)的重要性挾制整個社會。

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

1.3 云計算分類

公有云：只有使用權(quán)，使用的時候進(jìn)行按需付費。但數(shù)據(jù)放在別人家。數(shù)據(jù)安全沒有保障。而且銀行不會使用公有云，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有資源。

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

1.4 云計算分層

云計算也是層的，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、服務(wù)器、虛擬化，操作系統(tǒng)、中間件、運行環(huán)境、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等。

IaaS

IaaS，Infrastructure-as-a-Service 中文名稱為基礎(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 中文名稱為平臺即服務(wù)。如果以傳統(tǒng)計算機(jī)架構(gòu)中 “硬件+操作系統(tǒng)/開發(fā)工具+應(yīng)用軟件” 的觀點來看待，那么云計算的平臺層應(yīng)該提供類似操作系統(tǒng)和開發(fā)工具的功能。

實際上也的確如此，PaaS 定位于通過互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供一整套開發(fā)、運行和運行應(yīng)用軟件的支撐平臺。就像在個人計算機(jī)軟件開發(fā)模式下，程序員可能會在一臺裝有 Windows 或 Linux 操作系統(tǒng)的計算機(jī)上使用開發(fā)工具開發(fā)并部署應(yīng)用軟件一樣。PaaS 某些時候也叫做中間件，主要作用是提供一個開發(fā)和運行平臺給用戶。

saas

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

如果要用一句話來概括 IaaS、PaaS 和 saas 的話，那就是：如果把云計算比喻成一部手機(jī)，那么 IaaS 就是硬件，你要自己寫代碼研發(fā)系統(tǒng)才能用;PaaS 是手機(jī)系統(tǒng)，你要實現(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

虛擬化是通過軟件手段對計算機(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

2.2.1 按應(yīng)用場景分類

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

2.2.2 按照應(yīng)用模式分類

• 一對多：其中將一個物理服務(wù)器劃分為多個虛擬服務(wù)器，這是典型的服務(wù)器整合模式。
• 多對一：其中整合了多個虛擬服務(wù)器，并將它們作為一個資源池，這是典型的網(wǎng)格計算模式。
• 多對多：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

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)對底層硬件的調(diào)用代碼，全虛擬化無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，通過這些指令可以直接通過 Hypervisor 層調(diào)用硬件資源，免除有 Hypervisor 層轉(zhuǎn)換指令的性能開銷。半虛擬化的典型代表 Microsoft Hyper-V、Vmware 的 vSphere。

注：針對 IO 層面半虛擬化要比全虛擬化要好，因為磁盤 IO 多一層必定會慢。一般說 IO 就是網(wǎng)絡(luò) IO 和磁盤 IO，因為這兩個相對而言是比較慢的。

2.3 基于虛擬機(jī)(Hypervisor-based)的虛擬化

它通過一個軟件層的封裝，提供和物理硬件相同的輸入輸出表現(xiàn)。實現(xiàn)了操作系統(tǒng)和計算機(jī)硬件的解耦，將 OS 和計算機(jī)間從 1 對 1 變成了多對多(實際上是 1 對多)的關(guān)系。該軟件層稱為虛擬機(jī)管理器(VMM / Hypervisor)，它可以直接運行在裸機(jī)上(Xen、VMware EXSi)，也可以運行在操作系統(tǒng)上(KVM、VMware Workstation)。這項技術(shù)已經(jīng)很成熟了,(發(fā)展了40 多年)，但仍然存在以下幾個問題：

• 在虛擬機(jī)上運行了一個完整的操作系統(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 G 到幾十個 G，占用的存儲空間大，便攜性差;
• 想要使用更多硬件資源，需要啟動一臺新的虛擬機(jī)。要等待 GuesOS 啟動，可能需要幾十秒到幾分鐘不等。

實際使用場景中，我們使用虛擬化技術(shù)其實是為了按需分配資源來完成服務(wù)的部署和使用，同時對服務(wù)所依賴的環(huán)境進(jìn)行隔離，不被其它服務(wù)感知或干擾。為此啟動一個 GuestOS 并不是必需的，為什么不考慮讓多個虛擬機(jī)公用一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，只隔離開服務(wù)運行環(huán)境同時控制服務(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

容器是沒有 GuestOS 的輕量級虛擬機(jī)，多個容器共享一個 OS 內(nèi)核，容器中包含需要部署的應(yīng)用和它依賴的系統(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，所以容器依賴于底層的操作系統(tǒng)，各個操作系統(tǒng)大都有自己的容器技術(shù)和容器工具。

Docker 是一個 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)核提供的兩個機(jī)制：Cgroups(實現(xiàn)資源按需分配)和 Namespace(實現(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，隔離性相對較差;

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

云計算和虛擬化差別

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

簡單來說，云計算是一個概念，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，實現(xiàn)隔離性、可擴(kuò)展性、安全性、資源可充分利用等特點的產(chǎn)品。

目前云計算，大多是依賴虛擬化，通過把多臺服務(wù)器實體虛擬化后，構(gòu)成一個資源池，實現(xiàn)共同計算，共享資源。也就是現(xiàn)在所謂云計算，其實這個詞提出來之前，過去的服務(wù)器集群就已經(jīng)實現(xiàn)這些功能了，只不過沒有現(xiàn)在那么先進(jìn)而已。

3.1 各領(lǐng)域代表的產(chǎn)品

云計算架構(gòu)的開源產(chǎn)品是 OpenStack，OpenStack 是一個由 NASA 和 Rackspace 合作研發(fā)并發(fā)起的，以 Apache 許可證授權(quán)的自由軟件和開放源代碼項目。

• 虛擬機(jī)的虛擬化：VM 的商業(yè)付費 vSphere 或者開源的 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，也有涉及計算資源分配的 Nova。

虛擬化技術(shù)只是其中一個涉及到資源池構(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)過幾年十幾個版本的更迭，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云平臺應(yīng)有的各個模塊。

3.3 在云計算中，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，看起來是比虛擬機(jī)更好的方案。但是它現(xiàn)有的兩個比較大的缺點(隔離性不夠強(qiáng)、操作系統(tǒng)依賴性)讓他無法完全替代 VM，對于 saas 用戶和部分 PaaS 用戶而言這兩個缺點可能不那么明顯。現(xiàn)階段 Container 和云計算主要結(jié)合的場景也是在 saas 和 PaaS 中，事實上大多數(shù) saas 和 PaaS 服務(wù)提供商都使用了容器技術(shù)。

但是對于 IaaS 的用戶來說，他們租用的是基礎(chǔ)設(shè)施。上面承載著他們自己運行的系統(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。同時操作系統(tǒng)依賴性也是限制 Container 在 IaaS 層應(yīng)用的一個主要問題，也是絕大多數(shù)解決方案都是將Container 運行在 VM 上的原因，這樣 Container 性能好的優(yōu)勢實際上在云上根本發(fā)揮不出來，優(yōu)點只有啟動快了。

本文標(biāo)題：漫談云計算、虛擬化、容器化
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