云计算与虚拟化

（一）云计算概述

         云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，需要投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

1：云计算之前的使用模式

• IDC 托管
• IDC 租用
• 虚拟主机（买空间）
• VPS：虚拟专用主机

2：传统数据中心面临的问题

• 资源使用率低
• 资源分配不均
• 自动化能力差

3：云计算的优势

1. 云计算是一种使用模式，不是一种技术
2. 云计算的使用方式：通过网络访问
3. 云计算的优势：弹性计算、按需计费

4：云计算的特点

1. 资源池化
2. 无处不在的网络访问
3. 可随时调节的自助服务
4. 可测量的服务量
5. 快速的变化伸缩

5：云计算的服务模式

A：支撑服务

    由支撑网络来提供，云计算模式实现的使用的方式。

B：IaaS基础设施即服务

    消费者通过支撑网络可以从完善的计算机基础设施获得服务。这类服务称为基础设施即服务，基于 Internet 的服务（如存储和数据库）是 IaaS的一部分。

C：PaaS平台即服务

    PaaS（Platform-as-a-Service：平台即服务）是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。

D：SaaS

     它是一种通过Internet提供软件的模式，厂商将应用软件统一部署在自己的服务器上，客户可以根据自己实际需求，通过互联网向厂商定购所需的应用软件服务，按定购的服务多少和时间长短向厂商支付费用，并通过互联网获得厂商提供的服务。用户不用再购买软件，而改用向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动，且无需对软件进行维护，服务提供商会全权管理和维护软件，软件厂商在向客户提供互联网应用的同时，也提供软件的离线操作和本地数据存储，让用户随时随地都可以使用其定购的软件和服务。对于许多小型企业来说，SaaS是采用先进技术的最好途径，它消除了企业购买、构建和维护基础设施和应用程序的需要。

6：云计算的类型

A：公有云

    公有云通常指第三方提供商为用户提供的能够使用的云，公有云一般可通过 Internet 使用，可能是免费或成本低廉的，公有云的核心属性是共享资源服务。这种云有许多实例，可在当今整个开放的公有网络中提供服务。例如：阿里云、腾讯云、青云、百度云、盛大云、迅达云、等等。

B：私有云

     私有云(Private Clouds)是为一个客户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。该公司拥有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序的方式。私有云可部署在企业数据中心的防火墙内，也可以将它们部署在一个安全的主机托管场所，私有云的核心属性是专有资源。

C：混合云

     混合云融合了公有云和私有云，是近年来云计算的主要模式和发展方向。我们已经知道私企业主要是面向企业用户，出于安全考虑，企业更愿意将数据存放在私有云中，但是同时又希望可以获得公有云的计算资源，在这种情况下混合云被越来越多的采用，它将公有云和私有云进行混合和匹配，以获得最佳的效果，这种个性化的解决方案，达到了既省钱又安全的目的。

（二）虚拟化概述

      虚拟化，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

      虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高IT资源利用率，使IT资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

1：虚拟化的分类

• 全虚拟化
• 半虚拟化
• 平台虚拟化
• 硬件虚拟化（Inter vt-x/EPT） (AMD AMD-v /RVI)
• 软件虚拟化
• 桌面虚拟化
• 应用虚拟化
• 存储虚拟化
• 网络虚拟化

2：虚拟化的优势

1. 虚拟化可以虚拟出不同的虚拟操作系统。
2. 虚拟机之间是相互独立互不影响的。
3. 支持异构。
4. 支持快照、克隆、还原等操作

（三）云计算与虚拟化的区别与联系

1：虚拟化是一种技术，云计算是一种使用模式。

2：虚拟化是指将物理的实体，通过软件模式，形成若干虚拟存在的系统，其实真是运作还是在实体上，只是划分了若干区域或者时域划分

3：云计算的基础是虚拟化，但虚拟化只是云计算的一部分，云计算其实就是在虚拟化出若干资源池以后的应用，但虚拟化并不是只对应云计算的

（四）KVM虚拟化

• KVM是开源软件，全称是kernel-based virtual machine（基于内核的虚拟机）。
• 是x86架构且硬件支持虚拟化技术（如 intel VT 或 AMD-V）的Linux全虚拟化解决方案。
• 它包含一个为处理器提供底层虚拟化 可加载的核心模块kvm.ko（kvm-intel.ko或kvm-AMD.ko）。
• KVM还需要一个经过修改的QEMU软件（qemu-kvm），作为虚拟机上层控制和界面。
• KVM能在不改变linux或windows镜像的情况下同时运行多个虚拟机，（它的意思是多个虚拟机使用同一镜像）并为每一个虚拟机配置个性化硬件环境（网卡、磁盘、图形适配器……）。

1：KVM的优势

1. 嵌入到Linux的Kernel中 （提高兼容性）
2. 代码级资源调用（提高性能）
3. 虚拟机就是一个进程
4. 直接支持MUMA技术（NUMA（Non Uniform Memory Access Architecture）技术可以使众多服务器像单一系统那样运转，同时保留小系统便于编程和管理的优点。）

2：KVM安装前提

     CPU要支持虚拟化，服务器上默认一般是开启的，虚拟机要自己启动VT-EPT技术

[root@oldboy-node1 ~]# grep -E "(vmx|svm)" /proc/cpuinfo

     Inter处理器对应：VMX

     AMD处理器对应：SVM

3：KVM虚拟机安装

（1）：查看系统版本

[root@linux-node1~]# cat /etc/redhat-release 
CentOSLinux release 7.1.1503 (Core)

（2）：安装KVM相关的组件

[root@oldboy-node1 ~]# yum -y install qemu-kvm qemu-kvm-tools virt-manager libvirt virt-install

      kvm：linux内核中的一个模块，不需要安装只要加载就行，通过用户态进程来管理。

      qemu：虚拟化软件，支持多种架构，可扩展，可移植

      qemu-kvm：用户态管理KVM，网卡、声卡、PCI设备等的管理

      libvirt：是一个虚拟化 API 和虚拟机(VMs)管理后台，支持远程或本地访问，支持多种虚拟化后端 (QEMU/KVM， VirtualBox， Xen，等等) 。

（3）检查KVM是否加载

[root@oldboy-node1 ~]# lsmod  | grep kvm
kvm_intel             148081  0
kvm                   461126  1 kvm_intel

（4）启动并设置开机启动libvirt

[root@linux-node1~]# systemctl enable libvirtd.service  
[root@linux-node1~]# systemctl start libvirtd.service

[root@oldboy-node1 ~]# systemctl status libvirtd.service

（5）  创建虚拟机

    1：虚拟机的创建命令

        –virt-type:指定虚拟机类型(kvm、qemu、xen)

        –name:指定虚拟机的名称

        –raw:指定内存大小

        –cpu:指定cpu的核数(默认为1)

        –cdrom:指定镜像

        –disk:指定磁盘路径(即上文创建的虚拟磁盘)

        –network:指定网络类

   2：创建硬盘（创建虚拟磁盘,-f指定格式,路径/opt/CentOS-7.1-x86_64.raw，大小10G）

[root@oldboy-node1 ~]# qemu-img create -f raw /opt/CentOS-7.1-x86_64.raw 10G
Formatting '/opt/CentOS-7.1-x86_64.raw', fmt=raw size=10737418240

   3：镜像的拷贝

[root@oldboy-node1 ~]# dd if=/dev/cdrom of=/opt/CentOS-7.1.iso

   4：虚拟机的创建

[root@oldboy-node1 ~]# virt-install --name CentOS-7.1-x86_64 --virt-type kvm --ram 1024 --cdrom=/opt/CentOS-7.1.iso --disk path=/opt/CentOS-7.1-x86_64.raw --network network=default --graphics vnc,listen=0.0.0.0 --noautoconsole

   5：使用VNC连接虚拟机

       使用VNC客户端连接虚拟机  物理机的地址:5900 默认是从5900开始，以此类推。也可以通过端口grep vnc查看。

   6：修改网卡的名称

       因为CentOS7以后，网卡的命名发生改变。可以在安装的时候就做出修改

       按下Tab键，然后在quiet后面添加  net.ifnames=0 biosdevname=0

至此，一台KVM虚拟机安装成功。

（6）KVM的日常应用管理

     1：虚拟机的查看

# 当前正在运行中的虚拟机
[root@linux-node1 opt]# virsh list 
Id    Name                           State
—————————————————-
 1   CentOS-7-x86_64running
# 当前物理机中的所有的虚拟机
[root@linux-node1 opt]# virsh list --all

     也可以在物理机进程中查看，KVM虚拟机就是一个KVM进程在运行

     2：虚拟机的开关

关闭虚拟机
[root@oldboy-node1 ~]# virsh shudown CentOS-7.1-x86_64(主机名)
[root@oldboy-node1 ~]# virsh destroy CentOS-7.1-x86_64(主机名)
打开虚拟机
[root@oldboy-node1 ~]# virsh start CentOS-7.1-x86_64
删除虚拟机
[root@oldboy-node1 ~]# virsh undefine CentOS-7.1-x86_64
挂起
[root@oldboy-node1 ~]# virsh suspended CentOS-7.1-x86_64
恢复
[root@oldboy-node1 ~]# virsh resume CentOS-7.1-x86_64

     3：虚拟机CPU的扩容

编辑虚拟机
virsh edit CentOS-7.1-x86_64
# 为了实现CPU的热添加，就需要更改Cpu的最大值,当然热添加值不能超过最大值
# 当前为1，自动扩容最大为4
[root@linux-node1 opt]# virsh edit CentOS-7-x86_64 
<vcpu placement=’auto’ current=”1″>4</vcpu>  
# 热修改为2个cpu(不知减少),高版本自动激活
[root@linux-node1 opt]# virsh setvcpus CentOS-7-x86_64 2 –live  
# 通过vnc登录KVM虚拟机查看是否扩容成功
[root@KVM]# grep processor /proc/cpuinfo |wc -l  
# 在创建虚拟机时指定cpu
[root@linux-node1 ~]# virt-install –help|grep vcpus
  –vcpus VCPUS         
"""
  为虚拟机配置的 vcpus 数。
  例如：
    –vcpus 5
    –vcpus 5,maxcpus=10,cpuset=1-4,6,8
    –vcpus sockets=2,cores=4,threads=2,
"""

     4：内存热膨胀和压缩

# 查看当前KVM内存大小
[root@linux-node1 ~]# virsh qemu-monitor-command CentOS-7-x86_64 –hmp –cmd info balloon  
balloon: actual=1024
# 热添加600M
[root@linux-node1 ~]# virsh qemu-monitor-command CentOS-7.1-x86_64 –hmp –cmd balloon 600
# 在配置文件中修改
[root@linux-node1 network-scripts]# virsh  edit CentOS-7.1-1-x86_64
最大内存<memory unit='KiB'>4048576</memory>
当前内存<currentMemory unit='KiB'>1048576</currentMemory>

     5：硬盘的模式

        生产中不建议对线上的服务器的硬盘进行更改，因此直接不对此赘述。

        硬盘格式：

           RAW：全镜像格式：设置多大就是多大，写入速度快，可以随便转换成其他的格式。性能最优。但是占用空间大。

           QCOW2：稀疏格式：支持写时拷贝（Cow,copy-on-write）压缩，快照，镜像，更小的存储空间。（用多少给多少）可选择基于Zlib的压缩方式，可以选择AES加密

        创建qcow2和raw文件

[root@linux-node1 ~]#  qemu-img create -f qcow2 test.qcow2 10G
Formatting 'test.qcow2', fmt=qcow2 size=10737418240 encryption=off cluster_size=65536 lazy_refcounts=off

[root@linux-node1 ~]#  qemu-img create -f raw test.raw 10G
Formatting 'test.raw', fmt=raw size=10737418240

        空间使用情况对比

[root@linux-node1 ~]#   ll -sh test.*
200K -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong 193K 5 月   6 10:29 test.qcow2
   0 -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong  10G 5 月   6 10:28 test.raw

[root@linux-node1 ~]#  stat test.raw
  文件："test.raw"
  大小：10737418240    块：0          IO 块：4096   普通文件

[root@linux-node1 ~]#  stat test.qcow2
  文件："test.qcow2"
  大小：197120        块：400        IO 块：4096   普通文件

注：

     参考：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/1409_qiaoly_qemuimgages/

    6：网卡的配置

# 添加一个网卡
[root@linux-node1~]# brctl addbr br0  
# 查看网卡信息
[root@linux-node1 ~]# brctl show  
bridge
name     bridge id               STP enabled     interfaces
br0             8000.000000000000       no
virbr0          8000.5254009f0311       yes             virbr0-nic
# 把eth0加入网桥,使用桥接模式,给br设置ip，添加路由网关,关闭防火墙
[root@linux-node1 ~]# brctl addif br0 eth0 && ip addr del dev eth0 192.168.56.111/24 && ifconfig br0 192.168.56.111/24 up && route add default gw192.168.56.2 && iptables -F  
# 查看网桥的IP
[root@linux-node1~]# ifconfig br0  
br0:flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.56.111  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.56.255
        inet6 fe80::20c:29ff:fe5d:cc27  prefixlen 64scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:5d:cc:27  txqueuelen 0(Ethernet)
        RX packets 4813  bytes 472527 (461.4 KiB)
        RX errors 0  dropped 0overruns 0  frame 0
        TX packets 2705  bytes 510369 (498.4 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0collisions 0
# 编辑虚拟机的网络配置使用br0网桥模式
[root@linux-node1 ~]# virsh edit CentOS-7-x86_64  
 <interface type=’bridge’>                                          # 虚拟机网络连接方式
  <mac address=’52:54:00:22:04:0f’/>                               #为虚拟机分配MAC地址,务必唯一,如果是dhcp获得同样IP会引起冲突
  <source bridge=’br0’/>                                           #当前主机网桥名称
# 重启虚拟机
# 关闭KVM虚拟机
[root@linux-node1 opt]# virsh shutdown CentOS-7-x86_64  
Domain CentOS-7-x86_64 is being shutdown
# 启动KVM虚拟机
[root@linux-node1 opt]# virsh start CentOS-7-x86_64  
Domain CentOS-7-x86_64 started
# 然后配置静态IP地址,重启网卡,即可以通过xshell连接上KVM虚拟机了。

（7）KVM性能优化

  1：CPU的优化

     Inter的cpu运行级别，按权限级别高低Ring3->Ring1->Ring0（Ring2和Ring1暂时不使用）Ring3为用户态；Ring0为内核态

   Ring3的用户态是没有权限管理硬件的，需要切换到内核态Ring0，这样的切换（系统调用）称为上下文切换，物理机到虚拟机多次的上下文切换，势必会导致性能出现问题。对于全虚拟化，inter实现了技术VT-x，在CPU硬件上实现了加速转换，CentOS7默认是不需要开启的。

  2：CPU缓存绑定

[root@linux-node1 ~]# lscpu|grep cache
L1d cache: 32K
L1i cache: 32K
L2 cache: 256K
L3 cache:  3072K

  L1是静态缓存，造价高。

  L2,L3是动态缓存，通过脉冲的方式写入0和1，造价较低。

  cache解决了cpu处理快，内存处理慢的问题，类似于memcaced和数据库。

  如果cpu调度器把进程随便调度到其他cpu上，而不是当前L1,L2,L3的缓存cpu上，缓存就不生效了，就会产生miss，为了减少cache miss，需要把KVM进程绑定到固定的cpu上。

可以使用taskset把某一个进程绑定（cpu亲和力绑定,可以提高20%的性能）在某一个cpu上，例如：taskset -cp 125718（1指的是cpu1,也可以绑定到多个cpu上，25718是指的pid）.

cpu绑定的优点：提高性能，20%以上

cpu绑定的缺点：不方便迁移，灵活性差

3：内存优化

原本实现方式：

    虚拟机的虚拟内存===>虚拟机的物理内存

    宿主机的虚拟内存===>宿主机的物理内存

现在实现方式：EPT（inter）

     虚拟机的虚拟内存=====EPT=====宿主机的物理内存

  VMM通过采用影子列表解决内存转换的问题，影子页表是一种比较成熟的纯软件的内存虚拟化方式，但影子页表固有的局限性，影响了VMM的性能，例如，客户机中有多个CPU，多个虚拟CPU之间同步页面数据将导致影子页表更新次数幅度增加，测试页表将带来异常严重的性能损失。如下图1-1为影子页表的原理图

在此之际，Inter在最新的Core I7系列处理器上集成了EPT技术（对应AMD的为RVI技术），以硬件辅助的方式完成客户物理内存到机器物理内存的转换，完成内存虚拟化，并以有效的方式弥补了影子页表的缺陷，该技术默认是开启的，如下图1-2为EPT技术的原理。

KSM内存合并

    宿主机上默认会开启ksmd进程，该进程作为内核中的守护进程存在，它定期执行页面扫描，识别副本页面并合并副本，释放这些页面以供它用，CentOS7默认是开启状态

[root@linux-node1 ~]# ps aux |grep ksmd
root        280  0.0  0.0      0     0 ?        SN   20:37   0:00 [ksmd]

大页内存

    Linux默认的内存页面大小都是4K，HugePage进程会将默认的每个内存页面可以调整为2M，CentOS7默认开启的

[root@linux-node1 ~]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
[always] madvise never
[root@linux-node1 ~]# ps aux|grep hugepage|grep -v grep
root        2810.0  0.0      00 ?        SN   04:220:03 [khugepaged]

4：磁盘IO优化

IO调度算法，也叫电梯算法，详情请看赵班长博客：http://www.unixhot.com/article/4

1、Noop Scheduler：简单的FIFO队列，最简单的调度算法，由于会产生读IO的阻塞，一般使用在SSD硬盘，此时不需要调度，IO效果非常好

2、Anticipatory IO Scheduler（as
scheduler）适合大数据顺序顺序存储的文件服务器，如ftp server和web server，不适合数据库环境，DB服务器不要使用这种算法。

3、Deadline Schedler：按照截止时间的调度算法，为了防止出现读取被饿死的现象，按照截止时间进行调整，默认的是读期限短于写期限，就不会产生饿死的状况，一般应用在数据库

4、Complete Fair Queueing Schedule：完全公平的排队的IO调度算法，保证每个进程相对特别公平的使用IO

# 查看本机Centos7默认所支持的调度算法
[root@linux-node1 ~]# dmesg|grep -i “scheduler”   
[    1.332147] io scheduler noop registered
[    1.332151] io scheduler deadline registered (default)
[    1.332190] io scheduler cfq registered
 
# 临时更改某个磁盘的IO调度算法，将deadling模式改为cfq模式
[root@linux-node1 ~]# cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop [deadline] cfq
[root@linux-node1 ~]# echo cfq >/sys/block/sda/queue/scheduler            
[root@linux-node1 ~]# cat /sys/block/sda/queue/scheduler
noop deadline [cfq]
# 使更改的IO调度算法永久生效，需要更改内核参数
[root@linux-node1 ~]# vim /boot/grub/menu.lst  
kernel /boot/vmlinuz-3.10.0-229.el7 ro root=LABEL=/ elevator=deadline rhgb quiet