雲端運算虛擬主機技術的發展.

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1 雲端運算虛擬主機技術的發展

2 Overview 雲端運算概念 虛擬機的概念 桌面虛擬化產品與伺服器虛擬化產品 雲端運算與虛擬機 雲端計算下的虛擬機管理機制
目前的困難與處理方式 可能的研究主題

3 雲端運算概念 雲端是什麼意思？ 資訊人員在畫網路圖，若需要在圖上畫網際網路時， 習慣畫一朵雲來代表成千上萬的電腦網路。

4 雲端運算概念(續) 例如要表達：公司內有一台電腦A 要傳送資料到另一間公司的電腦B Internet 網路上成千上萬的電腦連線 公司A

5 這時我們會畫一朵雲去做簡化、來代表這錯綜複雜、無邊無際的Internet
雲端運算概念(續) 這時我們會畫一朵雲去做簡化、來代表這錯綜複雜、無邊無際的Internet Internet 網路上成千上萬的電腦連線 公司A 公司B 電腦A 電腦B

6 雲端運算概念(續) 當電腦連上了網際網路、通往外面的世界時，也就代表電腦連上了”雲”。 網際網路

7 雲端運算概念(續) 因此“雲”有 “網際網路上的電腦”的意思。

8 雲端運算概念(續) 雲端運算要使用網際網路上 另一端的電腦幫我們處理事情

9 雲端運算可以使用網路另一端運算能力強大的電腦幫你處理事情，讓運算能力不佳的裝置，如手機，也使用只有高速電腦才能執行的功能。
雲端運算概念(續) 雲端運算可以使用網路另一端運算能力強大的電腦幫你處理事情，讓運算能力不佳的裝置，如手機，也使用只有高速電腦才能執行的功能。

10 雲端運算概念(續) 雲端不只是只有網路而已…… 雲端技術還包含了儲存設備、虛擬化技術、網路服 務等等技術
知名分析公司Gartner認為，目前對「雲端計算」的 定義，涵蓋太多雜七雜八的技術，應該用二分法來 區別： 「雲端服務」(Cloud Computing Services) 「雲端技術」(Cloud Computing Technologies)

11 雲端的商機 雲端的服務需由服務商持續提供，很適合使用持續 性收費，而非賣斷式的收費。
類似水、電費、手機通信費的收費模式，可得到較 長久穩定的收益。 可依服務使用的質與量來實行不同等級的收費，如 可依服務的功能多寡、使用容量大小來定價。

12 Let’s back to the reality

13 A Lot of Servers/Machines...
Web server Mail server Database server File server Proxy server Application server …and many others

14 A Lot of Servers/Machines...
The data-centre is FULL Full of under utilized servers Complicate in management Power consumption Greater wattage per unit area than ever Electricity overloaded Cooling at capacity Environmental problem Green IT 14

15 Virtualization Virtualization -- the abstraction of computer resources. Virtualization hides the physical characteristics of computing resources from their users, be they applications, or end users. This includes making a single physical resource (such as a server, an operating system, an application, or storage device) appear to function as multiple virtual resources; it can also include making multiple physical resources (such as storage devices or servers) appear as a single virtual resource. Hardware Operating System Applications Hypervisor Hardware Operating System Applications

16 Virtualization -- a Server for Multiple Applications/OS
Operating System Operating System Operating System Operating System Operating System Operating System Hypervisor Hardware Hardware Hypervisor is a software program that manages multiple operating systems (or multiple instances of the same operating system) on a single computer system. The hypervisor manages the system's processor, memory, and other resources to allocate what each operating system requires. Hypervisors are designed for a particular processor architecture and may also be called virtualization managers.

17 Capacity Utilization Virtualized system (high)
High utilized* Low utilized Stand alone system (low) 現在的電腦效能相當強大，但卻 有非常多的電腦平常只有使用不到 20%的運算資源，甚至更少。但因 為種種需求，又無法降低電腦數量， 因此把數台電腦“虛擬化”塞進一 台功能較強大的實體主機，榨乾實 體主機的運算資源，成了一種受歡 迎的方法。 * But not overloaded…

18 虛擬機的概念(續) 虛擬機可允許一台實體主機同時執行多個作業系統。 一台強大電腦主機能做30台電腦的事，在佔用面積
、耗電量、空調、維護人事成本上，都能有效節約。 可在一台實體主機內執行多個虛擬主機，每一台虛 擬主機既可以互相用線路連線、又可以獨立運作， 互不干涉。 可將多台實體主機合併成一台大的資源池(Resource Pool)，統籌管理、分配在上面的虛擬機。

19 虛擬機的概念(續) 只要實體主機的硬體能力許可，便能靈活地建立或移除 多台虛擬機，可保持高度彈性。
虛擬主機往往在映像檔內直接執行、存取的檔案、作業 系統，使得備份、搬移虛擬機較實體主機容易許多。 虛擬化可使實體主機擴增、維修、更換不須關閉虛擬機， 只要把裡面的虛擬機搬移到別的虛擬機即可。 可使用虛擬機測試不穩定的軟體，再利用快照完全還原 整個系統(僅需數秒鐘)，而不須在實體主機測試。

20 虛擬機的概念(續) Host Operation System (Host OS)：
Guest Operation System (Guest OS) 在虛擬機器上執行的OS 例如：在Windows XP上安裝VirtualBox，並在 VirtualBox內安裝Ubuntu，這時的XP就是Host OS，而 Ubuntu就是Guest OS

21 Why now? 1960—1999 IBM, CP-40, CP/CMS, S/ , VM370, Virtual PC, VMware 2000—2005 IBM z/VM, Xen 2006 Intel VT-x AMD’s AMD-V 2008—

22 Hardware evolution Faster CPU clock than ever
Though almost hit its top More CPU cores in a single chip 4-core CPUs already in the market 6- or 8-core CPUs will be there soon Multi-core architectures make parallel processing more realizable Virtualization support on chip from CPU manufacturers (e.g., Intel, AMD) 22

23 Software maturity More than one credible player in the market
Available and stable open-sourced software OS, DB, Web server, Java, PHP, gcc, etc. Established and mature software standards Web service, XML, SOAP, COM, etc. 23

24 Types of Virtualization
Virtual memory Desktop virtualization Platform virtualization Full virtualization Paravirtualization Hardware-assisted virtualization Partial virtualization OS-level virtualization Hosted environment (e.g. User-mode Linux) Storage virtualization Network virtualization Application virtualizationPortable application Cross-platform virtualization Emulation or simulation Hosted Virtual Desktop In this talk, we mainly focus on Platform virtualization which is mostly related to cloud- computing Full virtualization Binary transaltion Hardware-assisted virtualization Paravirtualization OS-level virtualization Hosted environment (e.g. User-mode Linux) Hardware level Operating system level Application level Category in Wiki

25 虛擬機的概念(續)

26 半虛擬化與全虛擬化 半虛擬化 全虛擬化 因直接使用硬體資源，效率遠遠高於全虛擬化 彈性較低，Guest OS核心需經過修改才能運作
因為半虛擬化直接使用硬體資源，所以虛擬機必須和 實體主機使用同一版本的核心 全虛擬化 全虛擬化所使用的硬體是虛擬出來，因此虛擬機較容 易在不同硬體的實體主機之間搬移 但因為硬體是虛擬，效能較半虛擬化低 OS不受實體主機限制，可安裝多種不同的OS

27 虛擬機的目前發展

28 桌面虛擬化產品與伺服器虛擬化產品 桌面虛擬化產品：
安裝在各作業系統上，如Windows XP、CentOS內執行 虛擬機，可用於測試、生產和開發 例： Xen VMware Workstation

29 桌面虛擬化產品與伺服器虛擬化產品(續) 伺服器虛擬化產品：
產品整合一個精簡專用的作業系統，不須另行安裝作 業系統；因作業系統無額外功能服務，可獲得較好的 效能，但也無法在本機管理，須由另一台Client電腦 連線管理，適合用於多台伺服器整合 例： XenServer VMware ESXi Server

30 Xen Xen是一個開放原始碼的虛擬主機技術。
最早是由XenSource的創辦人於劍橋大學時所開發， 目前XenSource則被Citrix所併購。 以高效能的半虛擬化著稱 產品： Xen XenServer

31 VMware VMware公司銷售的商業軟體產品之一 允許多個x86虛擬機同時被創建和運行 可執行Windows、Linux、BSD
有推出其它產品輔助虛擬機的管理和移植 產品： VMware Workstation VMware ESXi Server

32 虛擬機的DEMO (在Solaris上同時執行Windows XP)

33

34 Using VM RAM OS and User files (HD) File

35 Installation ISO images VM duplication CD/DVD

36 Challenge Copyright authorization Re-configurability of VM images
Management of VM images Billing Security

37 Migration

38 Challenge Live migration (without stopping the VM) Speed
How to ? The users have no patience Speed How to copy a 120GB image file in a second? Intelligent migration Load balance problem Security

39 Distribution Solaris 1/1 WinXP 2/2 Linux 1/2 Linux 2/2 WinXP 2/2

40 Challenge Distributed OS Re-write OS Live and smart distribution
Probably via MPI-like technology Live and smart distribution Security

41 虛擬機使用例子 使用1台伺服器加上50組螢幕鍵盤滑鼠，建構一間50人 用的電腦教室。
每位使用者使用一組螢幕鍵盤滑鼠，連線到伺服器上各 自的虛擬機。 資料可集中管理，還原、複製便利，且無學生主機汰舊 換新的問題。 可能應用到企業組織中，使得組織內個人電腦管理變得 更方便。

42 虛擬機使用例子(圖例) 伺服器 (內有許多虛擬主機) 無主機、只有螢幕鍵盤滑鼠和一個專用控制器 WinXP with AutoCAD
WinXP with MatLab Linux with … Solaris with … … Solution provider: 大同世界科技

43 雲端運算與虛擬機 易於分配、量化實體主機的運算資源，以便管理維 護及定價收費。 可彈性維護虛擬主機，輕易地將虛擬機從一台實體 機搬移到另一台
例： 把電腦的資料量化，就可採用類似每一度的電，就收費三塊 錢的方式 可依虛擬主機被分配到的儲存容量、CPU顆數、記憶體大小 來實行差別定價 可彈性維護虛擬主機，輕易地將虛擬機從一台實體 機搬移到另一台

44 雲端計算下的虛擬機管理機制 虛擬機架構的軟體雖具有基本的管理方式，但是雲 端計算之中所使用的數量會遠大於虛擬機軟體所能 提供，因此需要特別去考慮虛擬機管理機制。 需考慮的管理機制 虛擬機器的管理 資料儲存的管理 工 作負載管理

45 Benefits Maximizing computing resources Simulation and testing Etc. OS
APP Networking Etc.

46 Disadvantages Security Hardware/software supports Cost Etc.

47 Issues in Virtualization for Cloud-Computing
Aspects and expectation from End-user Operator/Manager Virtualization

48 Issues in Virtualization for Cloud-Computing
Virtualization implemented on a single machine (with multi-core CPUs) a cluster of machines (with multi-core CPUs) The state-of-the-art Running a Xen or a cluster of Xens Hardware Operating System Application Hypervisor Applications Application Operating System Application Operating System Applications Application Operating System Application Operating System Application Operating System Application ? Application Application Virtualization Operating System Operating System Operating System Operating System or or Hypervisor Hardware Hardware Hardware

49 Issues in Virtualization for Cloud-Computing
Abiquo/abicloud may provide partial solutions Management System Hardware Operating System Application Hypervisor Applications Hardware Operating System Application Hypervisor Applications Virtualization Hardware Operating System Application Hypervisor Applications Hardware Operating System Application Hypervisor Applications

50 Issues in Virtualization for Cloud-Computing
The virtualization of special hardware E.g., GPU What happens… A program which takes 10-hour of running time on a single CPU This program is installed in a virtual machine with 18 cores? This program is installed in two virtual machines?