通過對(duì)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心提高資源利用率和用戶QOS的需求進(jìn)行分析，圍繞其中的關(guān)鍵技術(shù)虛擬化技術(shù)，從服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)云計(jì)算平臺(tái)建立其可用性模型，分析了IAAS，PAAS，SAAS 三種云服務(wù)模式的可用性計(jì)算方法，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了云計(jì)算可用性參考模型適用于常見的云服務(wù)模式。

1.概述

目前數(shù)據(jù)中心的規(guī)模迅速發(fā)展，根據(jù)Netcraft服務(wù)器數(shù)量報(bào)告，Akamai Technology達(dá)到10.5萬臺(tái)，OVH達(dá)到10萬臺(tái)，Google根據(jù)能耗估計(jì)約90萬臺(tái)。快速發(fā)展的數(shù)據(jù)中心正面臨著用戶需求多、能耗高、運(yùn)維成本高、安全性差等的突出問題。因此，數(shù)據(jù)中心需要采用新的技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)降低成本，提高資源利用率和系統(tǒng)可靠性的目的。

云計(jì)算概念從提出之初，其目標(biāo)非常明確，即利用虛擬化技術(shù)整合現(xiàn)有零散資源為可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)資源，以網(wǎng)絡(luò)為載體提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行平臺(tái)、業(yè)務(wù)功能軟件等形式的自動(dòng)化服務(wù)，而用戶利用網(wǎng)絡(luò)便可以以低廉的價(jià)格、良好的服務(wù)質(zhì)量保證(QOS)、按需地獲得資源和服務(wù)。其具有按需服務(wù)、廣泛的網(wǎng)絡(luò)接入、資源共享、彈性計(jì)算、服務(wù)可度量的特征，目前云計(jì)算研究中關(guān)注的熱點(diǎn)主要包括提高資源利用率、節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本、云計(jì)算安全等。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，要求資源能夠被統(tǒng)一調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展、系統(tǒng)高可靠、運(yùn)維自動(dòng)化。虛擬化技術(shù)對(duì)底層硬件資源進(jìn)行抽象，對(duì)上層應(yīng)用程序透明，其通過整合零散的資源為虛擬可管理的動(dòng)態(tài)資源，從而實(shí)現(xiàn)資源的按需管理，提高動(dòng)態(tài)資源的利用率。因此虛擬化技術(shù)是推動(dòng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的核心技術(shù)。

2.虛擬化技術(shù)

數(shù)據(jù)中心硬件主要包括服務(wù)器，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)。因此虛擬化技術(shù)也分為三個(gè)部分，分別為服務(wù)器虛擬化技術(shù)、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。

2.1 服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化的目標(biāo)是提高服務(wù)器資源的利用率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案來說，可以大致分為操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化(OS-Level)、主機(jī)虛擬化(Hosted)、裸金屬虛擬化(Bare-Metal)。

操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化是在操作系統(tǒng)中模擬出一個(gè)運(yùn)行應(yīng)用程序的容器VE(Virtual Environment)，所有虛擬機(jī)共享內(nèi)核空間，性能最好，耗費(fèi)資源最少，缺點(diǎn)是操作系統(tǒng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，如基礎(chǔ)操作系統(tǒng)為Windows，虛擬機(jī)系統(tǒng)只能是Windows。代表產(chǎn)品有Parallels公司的Virtuozzo(商用產(chǎn)品)和OpenVZ(開源項(xiàng)目)。

主機(jī)虛擬化技術(shù)引入虛擬機(jī)管理層Virtual Machine Monitor(VMM)，構(gòu)建出基本的虛擬硬件平臺(tái)，達(dá)到虛擬化系統(tǒng)的獨(dú)立性。

Hosted虛擬化中VMM需要管理所有資源的調(diào)度，因此虛擬化性能較差，主要適用于個(gè)人用戶和測試環(huán)節(jié)。代表產(chǎn)品有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC、Virtual Server、Oracle Virtual Box等。

裸金屬虛擬化技術(shù)采用VMM代替操作系統(tǒng)直接管理硬件資源的方式，這種管理硬件資源方式的性能處于主機(jī)虛擬化與操作系統(tǒng)虛擬化之間，裸金屬虛擬化技術(shù)的代表產(chǎn)品有VMware公司的Vsphere Esxi系列產(chǎn)品、微軟公司的Microsoft Hyper-V系列產(chǎn)品和思杰公司的Citrix XenServer系列產(chǎn)品，以上虛擬化技術(shù)比較成熟，在金融、證券、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的生成環(huán)境中大量被使用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化的是利用物理網(wǎng)絡(luò)資源在邏輯上劃分出各自獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到以滿足多租戶權(quán)限分離、自由管控邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)流量隔離的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展方向。虛擬局域網(wǎng)(VLAN)由于4096個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)的限制，很難滿足由大量虛擬機(jī)構(gòu)成的大二層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)需求。

在虛擬化產(chǎn)品中，VMware等虛擬化廠商就提出了Vswitch的概念通過軟件交換機(jī)解決同一臺(tái)物理服務(wù)器內(nèi)部的VM二層網(wǎng)絡(luò)互訪，跨物理服務(wù)器的VM二層互訪轉(zhuǎn)發(fā)給傳統(tǒng)的接入層交換機(jī)去處理。

但Vswitch部署帶來兩個(gè)問題，一是對(duì)于VSwitch的管理問題，Vswitch是在服務(wù)器中進(jìn)行部署，模糊了網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)器管理的界限;二是Vswitch的性能問題，域名購買，由于同一臺(tái)物理機(jī)的VM二層流量還是由服務(wù)器的CPU來處理，不符合虛擬化提高資源性能的利用率的要求。

為解決虛擬交換機(jī)的管理問題，Cisco首先提出了Nexus1000V技術(shù)架構(gòu)。通過部署Nexcus1000V軟件，配置管理層面的虛擬化，像管理物理交換機(jī)一樣管理Vswtich，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)VSwitch的功能擴(kuò)展，但該產(chǎn)品也只解決了網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器管理的邊界問題，同時(shí)還對(duì)服務(wù)器性能有一定的影響。