Vmware虚拟化概念原理

 

虚拟化介绍

什么是虚拟化：

虚拟化是一种资源管理技术, 是将计算机的各种物理资源, 如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破物理设备结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的架构更好的方式来应用这些资源。这些资源的虚拟部分是不受现有资源的架构方式、地域或物理设备所限制。

虚拟化创建了一层隔离层，把硬件和上层应用分离开来，允许在一个硬件资源上运行多个逻辑应用。

虚拟化有：服务器虚拟化、应用程序虚拟化、展现层虚拟化、桌面虚拟化。

常见的虚拟化：

1. 内存虚拟化
2. 磁盘虚拟化
3. 网络虚拟化

VMware实现的是x86服务器的虚拟化，更确切地说，包含以下三个方面

• 计算能力：CPU/Memory的虚拟化
• 存储：VMFS文件系统
• 网络：虚拟交换机

服务器虚拟化的方式：

服务器虚拟化有两种常见的类型

1. 寄居架构（Hosted Architecture）

   

   作为应用安装在OS之上

   基于现有操作系统

   兼容性好

   性能较差

   功能单一

2. 裸金属架构（Bare Metal Architecture）

   

   直接安装在硬件之上，本身就是OS

   基于裸机（Bare Metal）

   硬件兼容性要求高

   性能好

   有许多高级功能。

为什么要使用虚拟机：

物理架构存在的问题：

• 难以复制和移动
• 受制于一定的硬件组件
• 生命周期短
• 物理服务器的资源利用率低

服务器虚拟化

• 将一台物理服务器虚拟成多台虚拟服务器。虚拟服务器由一系列的文件组成

虚拟机与物理机相比

• 最大化利用物理机的资源，节省能耗

• 更方便地获取计算资源

• 硬件无关。虚机都是文件，方便迁移、保护

• 生命周期更长，不会随着硬件变化而变化

• 根据需求的变化，非常容易更改资源的分配

• 更多高级功能

  在线的数据、虚拟机迁移

  高可用

  自动资源调配

  云计算

• 减少整体拥有成本，包括管理、维护等

vSphere基本架构：

图：vSphere 基本架构

虚拟化环境中的资源共享：

物理机的资源被多个虚拟机共享：CPU、内存、网络、存储等。

CPU虚拟化：

• LCPU

  逻辑运算单元

  可供使用的物理资源

  超线程对LCPU的影响

• vCPU

  虚拟化的CPU

• vmkernel

  负责CPU资源调度

  分时

内存虚拟化：

图：内存虚拟化示意图

由vmkernel控制

1. vmkernel控制物理内存
2. 每个虚拟机拥有独立的连续可寻址的虚拟内存空间
3. 采用多种技术优化内存的使用
4. 物理内存不足时可以使用磁盘存储作为交换空间

网络虚拟化：

图：网络虚拟化示意图

• 通过虚拟网络交换机实现

  连接虚拟机、vmkernel与外部物理网络，工作在第二层

• 虚拟网卡

  虚拟机中运行的网卡

  虚拟机对外进行网络通讯

• vmkernel口-vmkernel对外进行网络通讯

• 物理网卡-上连物理网络，工作在第一次

存储虚拟化：

图：存储虚拟化

通过虚拟磁盘vmdk文件的封装实现

• 多个ESXi主机访问共享存储
• 虚机的虚拟磁盘以vmdk文件格式存放在存储中
• 每个虚拟机由一组文件组成
• 每个虚拟机有各自的目录
• 虚拟机的文件系统对ESXi主机不可见

vSphere与云计算：

• 虚拟化是云计算的基础

  虚拟机在虚拟基础架构上运行

  动态的计算资源池作为云计算的基础

• 支持各种云计算平台

  VMware vRealize

  OpenStack

• 支持多种云环境

  私有云

  公有云

  混合云

ESXi基本结构

ESXi介绍：

VMware ESXi是最核心的组件
VMware ESXi是我们常说的ESXi主机，虚拟化层
组件的作用：ESXi用于协调物理计算机的资源，同时通过ESXi管理其上的虚拟机，如部署、迁移等操作。同时还可以通过ESXi对物理计算机上的网络存储资源仅从管理，ESXi通过配置虚拟交换机上的vSwitch管理配置网络资源，通过VMfs和nfs管理虚拟存储资源。

核心Hypervisor - VMkernel

• 基于裸机的虚拟化
• 虚拟CPU/内存
• VMFS存储支持
• 虚拟交换机支持

ESXi的安装方式

• 可以安装在本地硬盘，存储网络盘， USB/SD卡，或者内存中

VMware ESX的发展过程：

1. 2006年，服务器有了第一款虚拟化产品—GSX，此时VMware的安装方式时现在物理机上安装操作系统，再将VMware作为应用程序安装在主机上，VMware通过宿主操作系统进行资源和操作系统的管理。这种将虚拟化程序安装在宿主机上的架构称为寄居式虚拟化。寄居式虚拟化最大的问题式过度的依赖于宿主操作系统。

2. 2009年，VMware推出 ESX，VMware 直接将ESX安装在物理计算机上，这种安装方式称为裸机安装。但是ESX并不能完全的摒弃宿主操作系统，他的解决方法是将虚拟化程序和操作系统整合到一起。也就是说，他将虚拟化的程序写入到linux的操作系统中。此时，ESX通过linux系统的Servers Console来运行，而资源和虚拟机的管理工作则通过合作代理伙伴和编写脚本来执行。ESX有效的解决了对宿主操作系统过于依赖的问题。但是这种架构依然有他自己的缺陷，首先，由于虚拟化程序中包含linux的操作系统，linux的操作系统中非虚拟化部分的进程会占用主机上的部分资源，造成资源的浪费。其次，在进行资源和虚拟机的管理时，只能通过脚本和代理，非常的不方便。

3. 2011年，VMware推出了ESXi,即为当前应用最广泛的虚拟化产品。同样，ESXi也是裸机安装在物理计算机上的，他做的改进是将虚拟化层中繁杂的linux层剔除，只保留了VMkernel虚拟化内核对资源进行管理。这样，便大大的额降低了虚拟化层的大小。同时，也减小了虚拟化层对物理化层的开销。ESXi做的第二大改进便是将控制台从虚拟化程序中移除，变成一个独立的组件，即Vsphere Client，使得管理工作更加的轻松便捷。

   ESXi体系结构独立于通用的操作系统运行，从而简化了虚拟化管理程序管理并提高了安全性。

ESXi的优点：

• 精简的体系结构
• 更小的安全占用空间
• 简化的部署和配置
• 简化的修补和更新模式

##ESXi基本架构：

图：ESXi基本架构

ESXi主机的管理方式：

• 独立的ESXi主机

  直接访问ESXi主机

  单独的管理界面，可管理项少

  用户管理与授权由ESXi主机控制

  常用于初始配置或者故障诊断

• 通过vCenter服务器管理多台ESXi主机

  通过vCenter服务器访问ESXi主机

  统一的管理界面，高级功能管理

  可整合第三方管理插件

  用户管理与授权由vCenter服务器控制

  用于日常管理

• 图形界面

  vSphere Client

  vSphere Web Client

  通过API使用第三方软件

• 命令行

  vCLI

  vMA

  PowerCLI

  *DCUI

  *SSH/ESXi Shell**

• API接口

图：ESXi主机的管理方式

vCenter服务器–数据中心的单一控制点

vCenter介绍：

vCenter Server：

定义：VMware vCenter Server是充当ESXi主机及其虚拟化中心管理点的服务。供管理员集中的统一的管理企业的虚拟化环境。

• 主要的作用是：提供集中的管理接口，供管理员可以管理整套的虚拟化环境。
• 也可以为虚拟化提供更高级的功能。如，虚拟机迁移，分布式的服务，快速部署虚拟机
• vCenter的配置信息和清单信息主要保存在数据库中，这就是数据库服务器和数据库存储。
• 同时vCenter管理主机时，有部分服务需要在各个主机上，比如，分布式虚拟交换机需要一定的分布式服务，同时在管理虚拟化的环境时，需要有相应的权限管理以及ACL用户访问控制。同时，为了便于管理，需要统一的身份验证，vCenter提供了一些接口，供第三方程序进行连接。

虚拟化平台的管理服务器

• 提供配置、管理、访问控制、监控等基本数据中心服务
• 可管理最多1000台ESXi主机、10000台开机的虚拟机

vCenter服务器及逻辑组件架构：

图：vCenter逻辑组件架构

• 每个vCenter可以管理1千台ESXi服务器以及1万台开机的虚拟机

• 许多跨越ESXi主机的服务必须要vCenter支持

  HA, FT, vMotion, DRS, Storage vMotion, Storage DRS, dVS 等等

vCenter服务器的主要逻辑组件包括：

• vCenter服务器 – 管理组件
• 数据库服务器 – 存放配置与性能数据
• SSO组件 – 与LDAP或者AD服务器通讯，提供用户认证
• 清单服务 Inventory Service
• 用户管理界面 – vSphere Client或者使用浏览器+Flash连接Web Client

vCenter其他组件：

• 管理接口
  vSphere API – 应用程序接口

• vCenter Lookup Service
  包含关于 vSphere 基础架构的拓扑信息,使 vSphere 组件能够安全地互相连接

• 其它分布式服务

  包括vMotion、DRS和vSphere HA,这些服务随vCenter Server一起安装

vCenter管理角色：

• 安装完vCente后，便带有的管理功能，包括资源管理，模板管理，虚拟机分布，虚拟机管理，安全任务事件，和日志主机管理等
• 可扩展的组件，比如云平台管理，站点恢复管理，APP接口和更新管理等。
• 在安装vCente时，可以自由选择是否安装可扩展的插件。注意，可扩展模块是包括一个服务器组件和一个客户端组件。

VMware虚拟机及虚拟机管理介绍

什么是虚拟机：

什么是虚拟机：

虚拟机是一个逻辑的计算机，可以在其上运行受支持的客户端操作系统和应用程序的虚拟硬件集；
从本质上来说，或者是从存储的角度来看，是一组离散的文件。
虚拟机文件包括

• .vmx – 虚拟机配置文件（文本）
• .nvram – 虚拟机BIOS文件（二进制）
• .vmdk – 虚拟磁盘描述文件（仅描述信息，非常小）
• -flat.vmdk – 虚拟磁盘数据文件（实际数据）
• -rdm.vmdk – 裸设备映射虚拟磁盘文件
• .vswp/vmx-***.vswp – vmkernel swap文件，也称为虚拟机交换文件
• .vmtx –模板的配置文件（文本）
• .vmsd/.vmsn/-delta.vmdk – 虚拟机快照文件及磁盘delta数据文件
• .log – 虚拟机日志文件
• .vmss – 挂起状态文件

虚拟机的模板：

• 通过虚拟机的模板快速的部署虚拟机
• 模板是虚拟机的主副本，用于创建和部署新的虚拟机。
• 模板通常包括一个客户操作系统，一组应用程序和一个特定的虚拟机配置的映像。

管理模板:

• 在制作模板时，我们可以选择将虚拟机转化为模板，也可以选择克隆为模板。
• 若是转换为模板，则是选择为该虚拟机添加模板标记，并转化为模板，效率很快，此时虚拟机必须处于关闭状态才可以进行。
• 若选择克隆为模板，则是先客隆虚拟机，再制作模板，所以，耗时很长，但是克隆为模板时，虚拟机的电源是可以开启的，也可以是关闭的。
• 在选择用模板部署虚拟机时，可以选择通过模板部署虚拟机，也可以选择转换为虚拟机，来修改模板。同时，在部署虚拟机的过程中，我们可以选择使用规范或者自定义的向导完成部署后的自定义工作。比如，刷新SID，加入域等，以减少部署虚拟机后的后序工作。
• 克隆虚拟机：克隆是虚拟机的一个精确副本，被克隆的虚拟机的电源是可以开启的，也可以是关闭的。

##迁移类型：

• 迁移主机
• 迁移存储
• 同时迁移主机与存储

虚拟机迁移的方式：

图：迁移方式

• 冷迁移

  虚拟机电源处于关闭或者挂起状态

  可以迁移主机、存储、或者两者同时迁移

• 热迁移：虚拟机电源处于开机状态

  迁移主机 – vMotion

  迁移数据存储 – Storage vMotion

  同时迁移主机和存储 – Cross-Host vMotion，或者称为无共享存储的vMotion

vSpher vMotion：

虚拟机开机时，将虚拟机从一个主机在线迁移到另一个主机

• 虚拟机数据应当位于可以被两台主机同时访问的共享存储上
• 两台主机的CPU必须兼容
• 主机与虚拟机需要满足vMotion的条件

用于

• 减少由于主机维护、升级等引起的虚拟机计划内宕机时间
• 可以用于控制主机资源的负载均衡

Storage vMotion：

虚拟机开机时，将虚拟机从一个存储在线迁移到另一个存储

• 不可以跨越虚拟数据中心
• 不迁移主机、无宕机时间

应用场景

• 减少由于存储维护引起的计划内宕机时间
• 存储资源的负载均衡
• 在线地更改虚拟磁盘格式及文件名

迁移类型的对比：

虚拟机快照：

• 通过快照保留虚拟机的状态，以便可以反复的回到同一状态。
• 快照提供了一种临时的容错解决方案
• 快照的工作原理：当为虚拟机拍摄快照时，回生成快照的状态文件，保留拍摄快照时虚拟机运行的状态信息，同时，将元虚拟机的磁盘变为只读磁盘，并且新建一块新的增量虚拟磁盘，拍摄快照后的变更数据，写入增量虚拟磁盘中；恢复快照时，将增量虚拟磁盘删除，清除所有变更后的快照信息。并再次新建增量磁盘，如果想在删除快照，则上块增量虚拟磁盘中的数据写入到只读磁盘中，并删除增量虚拟磁盘，这样就保留了快照后的信息，删除了快照节点，可以在开启，关闭和挂起时拍摄快照。拍摄快照也可以选择是否捕获虚拟机内存状态，设置状态和虚拟的磁盘状态
• 但是，虚拟机快照只是一种临时的容错方案，不能替代备份方案，如果虚拟机的数据损坏，快照无法完成修复。所以，依然需要规划虚拟机的数据保护。同时，为了比避免增量磁盘过大，需要对虚拟机的快照做及时的删除。

虚拟机快照是虚拟机某一时间点的状态

• 虚拟机磁盘状态
• 虚拟机BIOS及配置状态
• 虚拟机内存状态

可以通过快照记录虚拟机状态

• 用于测试、备份数据源、快速恢复等用途

VMware可用性及可扩展性的介绍

VMware各级容灾方案：

• 在站点级别：有set recovery manager,实现站点的数据备份。
• 在数据级别，有VMware Data Recovery以及其他第三方的备份解决方案
• 在存储级别：通过Storage vMotion可以保存储的可用性
• 在服务器级别：有VMware vSphere和vMotion 和DRS动态资源分布等保证主机级的可用性。
• 在组件级别：有网卡绑定、存储多路径等功能保障网络、存储的可用性。
• VMware为我们提供了针对故障的保护，实现零停机的计划运维，同时，针对计划外的停机和灾难也提供了相应的保护机制

VMware在虚拟化级别为我们提供的解决方案—HA（High Availability）

• HA的作用：高可用性，停机时间最少，可用于支持的客户操作系统，可用于支持所有的EXSXI硬件，用于为需要这种保护级别的虚拟机提供高可用行
• HA的适用故障
• 主机故障
• 客户OS故障
• 应用程序故障

HA如何实现高可用？

当服务器发生故障时，HA自动的到其他的虚拟机上进行虚拟机的重启，保障其虚拟机的可用性以及业务的连续性

HA的优势：

HA是一套经济有效的适用于所有应用的高可用的解决方案
因为HA不需要独占stand-by硬件，也没有集群软件的成本和复杂性，只需要在集群中启用HA的功能即可。

HA的缺陷：

HA可以为组织提供自信的运行其关键业务能力的应用程序的能力，但是是通过重启虚拟机来实现的，有些虚拟机的重新启动的速度很慢，这时业务的连续性就比较低，甚至有些虚拟机需要开机后，在手动的进行某些配置才可以提供服务。仅仅时自动重启，并不能满足高可用性。

Fault Tolerance（FT）

FT容错系统的设计目标是：出现计划外的中断时，某个备份的虚拟机可以立即去完成任务，确保不出现服务的中断。
FT体提供了比HA更高的业务连续性
实现了应用程序的零停机和零数据丢失。

虚拟化的可扩展性—DRS

DRS—Distributed Resource Scheduler,动态负载均衡
DRS实现了动态负载均衡连续的智能优化保证了所有的应用需要的资源。
DRS可以实现跨资源池的动态调整计算资源，可基于预定义的规则，智能的分配资源。
注意：规划DRS时，是围绕着业务进行组织和规划的，而不是硬件

DRS如何实现动态的扩展？【当有新主机的加入时】

当有新主机的加入时，DRS自动的将资源池扩展，经过计算后，自动的将虚拟机迁移到新的主机上，这样，变更利于添加更多的资源，避免业务繁忙时，出现过载的现象。

 

• 本文作者： 曹世宏
• 本文链接：  https://cshihong.github.io/2018/04/13/Vmware虚拟化概念原理/