【正文】 進(jìn)行管理。當(dāng)資源池中的某臺(tái)主機(jī)發(fā)生異常，無(wú)法使用時(shí)，該臺(tái)主機(jī)上的可共享虛擬機(jī)可以在該資源池中的其他主機(jī)上重啟，盡量不影響應(yīng)用的使用。當(dāng)資源池的主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，資源池的連接會(huì)失效。當(dāng)客戶端檢測(cè)到資源池的連接失效時(shí)，客戶端會(huì)獲得該資源池的備份節(jié)點(diǎn)的 ip，并提醒用戶通過(guò)備份節(jié)點(diǎn)重新登錄資源池，繼續(xù)管理資源池。 備份與恢復(fù)與上一節(jié)關(guān)注主機(jī)宕機(jī)情況下系統(tǒng)的高可用不同，本節(jié)關(guān)注的是虛擬機(jī)的備份與恢復(fù)。當(dāng)虛擬機(jī)本身由于存儲(chǔ)文件被破壞，或者用戶進(jìn)行了一些不可逆的操作而導(dǎo)致虛擬機(jī)不可用時(shí)，我們希望虛擬機(jī)能夠恢復(fù)到一個(gè)可用的狀態(tài)。VMFabric 提供多種虛擬機(jī)備份方式，主要包括本地備份及異地備份。本地備份用快照或模板的方式將虛擬機(jī)備份在本地，當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以將他恢復(fù)到最近的快照或創(chuàng)建模板時(shí)的狀態(tài)；異地備份主要用于跨多個(gè)數(shù)據(jù)中心的情況，可以將虛擬機(jī)整體備份到另一個(gè)數(shù)據(jù)中心，當(dāng)本地?cái)?shù)據(jù)中心發(fā)生異常時(shí)教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案可以遠(yuǎn)程恢復(fù)。. 本地備份本地備份一般用虛擬機(jī)快照或模板來(lái)完成。a) 快照快照將保留虛擬機(jī)的狀況和數(shù)據(jù)，當(dāng)虛擬機(jī)不可用時(shí)可以嘗試將虛擬機(jī)恢復(fù)到快照來(lái)解決問(wèn)題。VMFabric 可以對(duì)虛擬機(jī)執(zhí)行多個(gè)快照，以便按照線性過(guò)程創(chuàng)建還原位置。使用多個(gè)快照，還可保存多個(gè)位置以供多種工作流程使用。快照可對(duì)單個(gè)虛擬機(jī)生成。要對(duì)多個(gè)虛擬機(jī)執(zhí)行快照，例如為組中的所有成員執(zhí)行快照時(shí)，需要為每個(gè)組成員的虛擬機(jī)執(zhí)行單獨(dú)的快照。 作為測(cè)試軟件是否具有未知或潛在不利影響的短期解決方案，快照非常有用。例如，您可將快照用作線性或迭代過(guò)程（如安裝更新包）或分支過(guò)程（如安裝不同版本的程序）中的還原點(diǎn)。使用快照可確保每次安裝從相同基準(zhǔn)開(kāi)始?？煺盏膯?wèn)題在于當(dāng)虛擬機(jī)的存儲(chǔ)文件丟失或損壞時(shí)，快照也隨之變得不可用。b) 模板將虛擬機(jī)轉(zhuǎn)化為模板是另一種方便的備份方式。模板和虛擬機(jī)本身有著不同的存儲(chǔ)文件，因此當(dāng)虛擬機(jī)本身的存儲(chǔ)文件丟失或損壞時(shí)，可以用模板重新創(chuàng)建一臺(tái)虛擬機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能。VMFabric Client 和 VMFabric Web Client 都提供了將關(guān)閉狀態(tài)的虛擬機(jī)轉(zhuǎn)化成模板的接口。. 異地備份備份是數(shù)據(jù)保護(hù)的基礎(chǔ)，但是在本地端采用的任何備份手段，都無(wú)法避免天災(zāi)或其他人為重大失誤所帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失，因此異地備份是保護(hù)數(shù)據(jù)的重要手段。當(dāng)資源池的存儲(chǔ)設(shè)備被破壞時(shí)，整個(gè)資源池中的共享式虛擬機(jī)都變得不可用。這顯然是無(wú)法接受的。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，VMFabric 提供了異地備份的功能。教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案異地備份可以用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。分布式文件系統(tǒng)提供了高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，同一份文件有多個(gè)備份，具體內(nèi)容已經(jīng)在存儲(chǔ)虛擬化一節(jié)中有所介紹。在跨多個(gè)數(shù)據(jù)中心的情況下，管理員可以定期（如每天）將虛擬機(jī)磁盤(pán)文件備份到另一個(gè)數(shù)據(jù)中心，當(dāng)本地?cái)?shù)據(jù)中心發(fā)生異常時(shí)可以遠(yuǎn)程恢復(fù)。 教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案第五章. VMFabric 虛擬化實(shí)現(xiàn)計(jì)算虛擬化 計(jì)算虛擬化概述將靜態(tài)的物理資源抽象成動(dòng)態(tài)的虛擬邏輯資源，能夠動(dòng)態(tài)的管理和分配這些邏輯資源，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)服務(wù)器上虛擬出幾臺(tái)甚至上百臺(tái)互相隔離的虛擬機(jī)。所有的計(jì)算資源不再受物理上的限制，而 CPU、內(nèi)存、I/O 等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的邏輯資源池，從而提高資源利用率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器整合。這就是計(jì)算虛擬化。計(jì)算虛擬化的目的在于：? “解耦”物理資源，實(shí)現(xiàn)靈活性。 “解耦”的過(guò)程，即是降低物理資源之間的耦合性和依賴性，通過(guò)計(jì)算虛擬化，物理資源不再耦合、依賴于原本的物理服務(wù)器，而是可以重新管理分配。用戶可以通過(guò)現(xiàn)有的配置方案，或者幾個(gè)簡(jiǎn)單的操作，就能夠搭建起滿足特定需求的計(jì)算環(huán)境（虛擬機(jī)） 。? 提高硬件和應(yīng)用程序的可用性，進(jìn)而提高業(yè)務(wù)連續(xù)性。由于虛擬機(jī)具有可移植性，在備份與轉(zhuǎn)換硬件服務(wù)器方面非常方便。我們不需要關(guān)心硬件服務(wù)器的廠牌、芯片組、處理器頻率、驅(qū)動(dòng)程序等問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)物理服務(wù)器因?yàn)橛布收隙鴵p壞時(shí)，可將虛擬機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)在其他服務(wù)器上，使業(yè)務(wù)不中斷。同時(shí)，虛擬機(jī)的備份也與傳統(tǒng)方式不同，備份的速度與方便性都有很大提升。? 快速大量部署、降低維護(hù)工作。要快速產(chǎn)生一臺(tái)或多臺(tái)合乎標(biāo)準(zhǔn)的虛擬機(jī)是非常容易的，這省下了采購(gòu)硬件的流程、安裝軟件時(shí)間、后續(xù)硬件維護(hù)等多道麻煩手續(xù)，非?？焖倥c方便地用于開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維運(yùn)等環(huán)境上面。? 計(jì)算資源整合，提升資源使用率。許多時(shí)候，數(shù)據(jù)中心物理服務(wù)器的使用率是偏低的，通過(guò)計(jì)算虛擬化技術(shù)，我們可以合并一些老舊、低使用率的物理服務(wù)器（使用 P2V 功能） ，將 OS 虛擬化之后集中到新的實(shí)體機(jī)器上，提高硬件資源使用率，也節(jié)省了成本。? 提高計(jì)算資源的可管理性和安全性。由于計(jì)算資源通過(guò)虛擬化后分配給不同的虛擬機(jī)，而虛擬機(jī)之間為并行的架構(gòu)，如同“黑夜中行進(jìn)的船只”教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案，他們彼此之間相互獨(dú)立就如同它們?cè)诟髯缘姆?wù)器上運(yùn)行一樣，這樣的隔離性有效的保障了系統(tǒng)的安全。同時(shí)，我們可以隨時(shí)用客戶端管理服務(wù)器資源，無(wú)論是在本地或以網(wǎng)絡(luò)方式都能便捷管理。 計(jì)算虛擬化技術(shù)架構(gòu)（1） 基礎(chǔ)架構(gòu)VMFabric 計(jì)算虛擬化的底層架構(gòu)采用開(kāi)源 的基礎(chǔ)架構(gòu)。基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)圖如下。Xen 的 VMM (XenHypervisor) 位于操作系統(tǒng)和硬件之間,負(fù)責(zé)為上層運(yùn)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核提供虛擬化的硬件資源，負(fù)責(zé)管理和分配這些資源，并確保上層虛擬機(jī)（稱(chēng)為域）之間的相互隔離。Xen 采用混合模式，因而設(shè)定了一個(gè)特權(quán)域用以輔助 Xen 管理其他的域，并提供虛擬的資源服務(wù)，該特權(quán)域稱(chēng)為Domain0，而其余的域則稱(chēng)為 DomainU。Xen 支持兩種虛擬化方式：? 半虛擬化：子操作系統(tǒng)使用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的 API 與 VMM 通信，VMM 則負(fù)責(zé)處理虛擬化請(qǐng)求，并將這些請(qǐng)求遞交到硬件上，由于有了這個(gè)特殊的API，VMM 不需要去做好為資源的指令翻譯工作。而且使用準(zhǔn)虛擬化 API時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)能夠發(fā)出更有效的指令。優(yōu)點(diǎn)：使用準(zhǔn)虛擬化 API 時(shí)，虛擬操作系統(tǒng)能夠發(fā)出更有效的指令，效教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案率更高。缺點(diǎn)：需要修改包含這個(gè)特殊 API 的操作系統(tǒng)，而且這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)于某些操作系統(tǒng)（主要是 Windows）來(lái)說(shuō)是致命的，因?yàn)樗鼈儾惶峁┻@種API。? 完全虛擬化：虛擬機(jī)與虛擬機(jī)監(jiān)控器（VMM）的部件進(jìn)行通信，而 VMM則與硬件平臺(tái)進(jìn)行通信，要在 Xen 中利用完全虛擬化方法，需要一個(gè)特殊的 CPU，此 CPU 能解釋虛擬操作系統(tǒng)發(fā)出的未修改的指令，如果沒(méi)有這樣的特殊 CPU 功能，是不可能在 Xen 中使用完全虛擬化的。優(yōu)點(diǎn)：完全虛擬化的優(yōu)勢(shì)在于，它安裝了一個(gè)未修改的操作系統(tǒng)，這意味著運(yùn)行于同樣架構(gòu)的所有操作系統(tǒng)都可以被虛擬化。缺點(diǎn)：因?yàn)樵?Xen 方法中不是每條虛擬操作系統(tǒng)發(fā)出的指令都可以被翻譯為每個(gè) CPU 都能識(shí)別的格式，因?yàn)檫@非常耗資源。（2） VMFabric 架構(gòu)改造VMFabric 在開(kāi)源 Xen 的基礎(chǔ)上，對(duì) Xen 的 VMM (XenHypervisor)層進(jìn)行改造，添加了許多新特性，包括資源池化管理、性能監(jiān)控和評(píng)估、應(yīng)用感知、高可用、快照技術(shù)（snapshot） 、p2v 等等。如下圖。 計(jì)算虛擬化功能特性VMFabric 在虛擬化層上沿用了 Xen 的強(qiáng)大功能，再加上對(duì)VMM(XenHypervisor)的強(qiáng)力改造，使得 VMFabric 的計(jì)算虛擬化穩(wěn)定而高效。具教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案體特性如下：（1） 廣泛適應(yīng)的 CPU 虛擬化方半虛擬化（Paravirtualized）對(duì) CPU 指令集不提供硬件支持的情況，Xen 只能采取半虛擬化的方案，通過(guò)修改 Guest OS 的內(nèi)核對(duì)有缺陷的指令進(jìn)行替換。在這種模式下，Xen 位于操作系統(tǒng)和硬件之間，為其上運(yùn)行的 Guest OS 內(nèi)核提供虛擬化的硬件環(huán)境，因而Xen 具有最高特權(quán)級(jí)，而 Guest OS 被迫遷移到相對(duì)低的特權(quán)級(jí)中，稱(chēng)為特權(quán)解除（Privilege Deprivileging） 。x86 架構(gòu)中，CPU 提供了 4 個(gè)特權(quán)級(jí)（0 環(huán)到 3 環(huán)）以及分段和分頁(yè)的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，但目前多數(shù)操作系統(tǒng)中均只使用到了 0 環(huán)和 3 環(huán)兩個(gè)特權(quán)級(jí)，對(duì)應(yīng)的存在兩種特權(quán)解除方式：0/1/3 模型（操作系統(tǒng)運(yùn)行在 1 環(huán)、VMM 運(yùn)行在 0 環(huán)、應(yīng)用程序運(yùn)行在 3 環(huán)）和 0/3 模型（操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在 3 環(huán)，VMM 運(yùn)行在 0 環(huán)） 。無(wú)論采用哪種模型，Xen 都將替代原操作系統(tǒng)內(nèi)核占據(jù)最高的特權(quán)級(jí)，因而在 Xen 下運(yùn)行的 Guest OS 內(nèi)核將無(wú)法執(zhí)行某些特權(quán)指令，并將產(chǎn)生一般保護(hù)性錯(cuò)誤，Xen 必須通過(guò)超級(jí)調(diào)用向 Guest OS 提供執(zhí)行這些特權(quán)指令執(zhí)行的接口。如下圖：硬件虛擬化教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案面前 x86 架構(gòu)中通過(guò)引入新的指令和處理器運(yùn)行模式，使得 VMM 和 Guest OS 運(yùn)行在不同的模式下，Guest OS 只能在受控模式下運(yùn)行，而在需要 VMM 進(jìn)行監(jiān)控和模擬時(shí)由硬件支持模式的切換。在硬件虛擬化方式下，不需要對(duì) Guest OS 內(nèi)核進(jìn)行修改，而是直接由硬件完成指令的捕獲。（2） 先進(jìn)的內(nèi)存虛擬化方式在半虛擬化模式下，Xen 的內(nèi)存虛擬化通過(guò)內(nèi)存分段保護(hù)機(jī)制，使得 Xen和 Guest OS 共存于同一個(gè)內(nèi)存地址空間中，簡(jiǎn)化了 Xen 對(duì) Domain 內(nèi)存的分配和管理工作，同時(shí)利用內(nèi)存分頁(yè)機(jī)制，Xen 可保證各 Domain 在內(nèi)存上的有效隔離。Xen 需要確保任意兩個(gè)非特權(quán) Domain 不會(huì)訪問(wèn)到同一內(nèi)存區(qū)虛擬域，因而每一頁(yè)或頁(yè)目錄的更新必須經(jīng)過(guò) Xen 的確認(rèn)，以保證每個(gè) Domain 只 能控制自己的頁(yè)表。通過(guò)修改 Guest OS 的內(nèi)核，Xen 可讓 Guest OS 也參與到內(nèi)存管理工作中來(lái)，Xen 可更多關(guān)注于內(nèi)存虛擬化中更重要的內(nèi)存隔離工作，同時(shí)也可讓硬件 MMU 在 Guest OS 的三層地址轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用。在物理內(nèi)存的管理中，Xen 引入了 VMware 最先采用的氣球驅(qū)動(dòng)模型來(lái)調(diào)節(jié)分配給各 Domain 的物理內(nèi)存。氣球驅(qū)動(dòng)可作為驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在 Guest OS（即 Domain）中，Guest OS 通過(guò)該驅(qū)動(dòng)與 Xen 通信。當(dāng) Domain 需要更多內(nèi)存時(shí)，將通過(guò)氣球驅(qū)動(dòng)向 Xen 提交內(nèi)存申請(qǐng)請(qǐng)求，Xen 可向氣球驅(qū)動(dòng)減壓以便將將氣球驅(qū)動(dòng)所占用的 部分空閑內(nèi)存或通過(guò)氣球驅(qū)動(dòng)從其他 Domain 回收的內(nèi)存分配給提交請(qǐng)求的 Domain。如果 Xen的可用空余內(nèi)存過(guò)低，需要從某個(gè) Domain 回收部分 占用的內(nèi)存，Xen 可向氣球驅(qū)動(dòng)加壓使氣球膨脹，Guest OS 將回收頁(yè)面、釋放內(nèi)存以便給本地氣球分配足夠的內(nèi)存空間，然后氣球驅(qū)動(dòng)將分配到的頁(yè)面?zhèn)鹘o Xen，Xen 將這些空閑內(nèi)存集中起來(lái)備用。相關(guān)的工作原理如下圖所示。教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案（3） 先來(lái)先服務(wù)（FCFS）的 IO 虛擬化方式在半虛擬化模式下，Xen 采用了分離設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型來(lái)實(shí)現(xiàn) I/O 的虛擬化。該模型將設(shè)備驅(qū)動(dòng)劃分為前端驅(qū)動(dòng)程序、后端驅(qū)動(dòng)程序和原生驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分，其 中前端驅(qū)動(dòng)在 DomU 中運(yùn)行，而后端驅(qū)動(dòng)和原生驅(qū)動(dòng)在 Dom0（IDD）中運(yùn)行。前端驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將 Guest OS 的 I/O 請(qǐng)求傳遞到 Dom0（ IDD）中的后端驅(qū)動(dòng)，后端驅(qū)動(dòng)對(duì) I/O 請(qǐng)求解析并映射到物理設(shè)備，提交給相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制硬件完成 I/O 操作。后端驅(qū)動(dòng)檢查接收到的 I/O 請(qǐng)求的有效性，并進(jìn)行虛擬設(shè)備地址到物理設(shè)備地址的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后，后端驅(qū)動(dòng)將通過(guò) Dom0（IDD）中 Guest OS 提供 I/O接口，間接地控制原生設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成提交的請(qǐng)求。前端驅(qū)動(dòng)和后端驅(qū)動(dòng)之間 I/O 請(qǐng)求的傳遞是通過(guò) Xen 內(nèi)部的一個(gè)環(huán)形隊(duì)列（I/O 環(huán)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。I/O 環(huán)實(shí)際上是 Xen 提供的一塊供 DomU 和 Dom0（IDD）訪問(wèn)的共享內(nèi)存。教學(xué)云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案針對(duì)大量 DMA 數(shù)據(jù)在 DomU 和 Dom0（IDD）之間的高效傳遞需求，Xen 提供了授權(quán)表（Grant Table）機(jī)制。每個(gè) Domain 都有一個(gè)授權(quán)表，用以指明其內(nèi)部哪些頁(yè)面可以被哪些 Domain 所訪問(wèn)。而 Xen 內(nèi)部存在一個(gè)活動(dòng)授權(quán)表 （Active Grant Table）用于緩存來(lái)自各 Domain 授權(quán)表的活動(dòng)表項(xiàng)內(nèi)容。當(dāng) DomU 中的 Guest OS 需要進(jìn)行 DMA 操作時(shí)，前端驅(qū)動(dòng)會(huì)為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)面生成一個(gè)授權(quán)描述（Grant Reference, GR）并將授權(quán)描述和請(qǐng)求一起放入I/O 環(huán)。當(dāng) Dom0（IDD）從 I/O 環(huán)中取出請(qǐng)求時(shí)，將根據(jù)授權(quán)描述，向 Xen 請(qǐng)求鎖定該頁(yè)面。Xen 接收到請(qǐng)求 后，在活動(dòng)授權(quán)表或 Guest OS 的授權(quán)表中確認(rèn)是否已授權(quán)特權(quán)域訪問(wèn)該頁(yè)面，通過(guò)檢查后，表明該頁(yè)面可安全地進(jìn)行 DMA 操作。Dom0（IDD）在接收到 Xen 的響應(yīng)后即可開(kāi)始向真實(shí)硬件發(fā)送 DMA 請(qǐng)求了。 存儲(chǔ)虛擬化 存儲(chǔ)虛擬化概述存儲(chǔ)虛擬化是指對(duì)存儲(chǔ)硬件資源進(jìn)行抽象化表現(xiàn)，通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)集成，統(tǒng)一管理，對(duì)外提供高效，安全，易于管理的存儲(chǔ)服務(wù)。VMFabric 提供主機(jī)級(jí)別的存儲(chǔ)器虛擬化，即采用邏輯方式從虛擬機(jī)中抽象物理存儲(chǔ)器層。虛擬機(jī)使用虛擬磁盤(pán)來(lái)存儲(chǔ)其操作系統(tǒng)、程序文件，以及與其活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的其他數(shù)據(jù)。虛擬磁盤(pán)是一個(gè)較大的物理文件或一組文件，可以像處理任何其他文件那樣復(fù)制、移動(dòng)、歸檔和備份虛擬磁盤(pán)。您可以配置具有多個(gè)虛擬磁盤(pán)的虛擬機(jī)。要訪問(wèn)虛擬磁盤(pán)，虛擬機(jī)需使用虛擬 SCSI 控制器