云計(jì)算與虛擬化

引導(dǎo)語

虛擬化技術(shù)提升了IT敏捷性、靈活性和可擴(kuò)展性，是云計(jì)算中最關(guān)鍵也最核心的原動(dòng)力

云計(jì)算市場概況01

2020年，疫情推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程加速，且國家政策強(qiáng)調(diào)要加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，而"數(shù)字基建"則成為其中最關(guān)鍵的一環(huán)。根據(jù)IDC最新發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國的數(shù)據(jù)產(chǎn)生量約占全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量的23%。

2021年國內(nèi)IT支出超過3萬億美元，其中IT服務(wù)和企業(yè)級軟件增速最快，整體達(dá)到全球增速的兩倍。根據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心，預(yù)計(jì)至2023年，政府和大型企業(yè)上云率將超過60%。在中國，2019年云計(jì)算市場規(guī)模約為1,334億元，增速38.61%，領(lǐng)先于全球平均增速。預(yù)計(jì)到2023年，中國云計(jì)算市場規(guī)?？蛇_(dá)4,000億人民幣。數(shù)據(jù)量的崛起、豐富的應(yīng)用場景是催生國內(nèi)企業(yè)上云的必要條件。

云計(jì)算02

在傳統(tǒng)的IT架構(gòu)中，操作系統(tǒng)扮演著管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的重要角色；而隨著IT架構(gòu)進(jìn)入云計(jì)算時(shí)代，其所需要的也是對應(yīng)的“云操作系統(tǒng)”。以虛擬化及容器為代表的云基礎(chǔ)軟件負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)中心存算資源進(jìn)行高效的調(diào)配管理，并合理分配給上層應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)"軟件定義數(shù)據(jù)中心"，成為云計(jì)算時(shí)代重要的基礎(chǔ)設(shè)施。云計(jì)算主要由5大關(guān)鍵技術(shù)支撐分別是編程模型技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、虛擬化技術(shù)和云計(jì)算管理平臺技術(shù)。

虛擬化與其技術(shù)路徑梳理03

虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)配置和擴(kuò)展計(jì)算和存儲(chǔ)的云計(jì)算資源，而邏輯上以單一整體的服務(wù)形式呈現(xiàn)給用戶，成為了唔記算中最關(guān)鍵、最核心的技術(shù)原動(dòng)力。而其核心優(yōu)勢在于提升 IT 資源使用效率，降低成本。通過虛擬化技術(shù)將現(xiàn)有服務(wù)器轉(zhuǎn)化成一個(gè)擁有巨大計(jì)算及存儲(chǔ)資源池，應(yīng)用系統(tǒng)可以自由調(diào)用這個(gè)“池”中的所有資源，IT 評測數(shù) 據(jù)顯示使用虛擬化技術(shù)可以使服務(wù)器資源的利用率從 5%~10%提高到 60%~80%，實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約和提高資源的利用。

全虛擬化、半虛擬化是兩種典型技術(shù)路線。虛擬化是使得多個(gè)客戶操作系統(tǒng)（Guest OS）共享原始底層硬件資源的過程，其核心是如何解決Guest OS發(fā)出的特權(quán)指令執(zhí)行和對宿主機(jī)硬件資源的調(diào)用問題。從X86服務(wù)器的架構(gòu)來看，其CPU細(xì)分了Ring 0-3四種執(zhí)行狀態(tài)，其中Ring 0是操作系統(tǒng)內(nèi)核的執(zhí)行狀態(tài)——內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode），Ring 3為用戶態(tài)（User Mode），而不同虛擬化技術(shù)之間的核心區(qū)別就是Guest OS運(yùn)行在宿主機(jī)CPU的何種執(zhí)行狀態(tài)之上。

全虛擬化 vs. 半虛擬化：兩者之間的核心區(qū)別在于是否要對Guest OS的內(nèi)核進(jìn)行修改。全虛擬化無需對Guest OS的內(nèi)核進(jìn)行特殊配置，部署靈活便利且具有較好的兼容性好，但缺點(diǎn)在于Guest OS無法直接管理底層硬件，通過hypervisor管理底層硬件需要有轉(zhuǎn)換開銷，性能落后于半虛擬化。半虛擬化過事先經(jīng)過修改的客戶機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)核共享宿主底層硬件來實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)點(diǎn)在于性能但同時(shí)也損失了部署的靈活性和兼容性（無法支持Windows等閉源操作系統(tǒng)）。

硬件輔助的虛擬化：通過硬件技術(shù)的輔助使得虛機(jī)性能接近物理機(jī)。在硬件輔助的虛擬化中，CPU本身就為Hypervisor提供了便利，可以識別指令，從而避免異常，可以簡化指令的處理過程而提升性能。硬件輔助虛擬化擬化技術(shù)常用于優(yōu)化全虛擬化和半虛擬化產(chǎn)品，目前主要的硬件輔助虛擬化技術(shù)有Intel的VT-x和AMD的AMD-V兩種，同時(shí)市面上的主流全虛擬化和半虛擬化產(chǎn)品基本都支持硬件輔助虛擬化，包括KVM，VMware vSphere、Xen、Oracle VirtualBox等。

根據(jù)Statista數(shù)據(jù)，全球虛擬化市場規(guī)模將從2018年的57億美元增長至2025年的90億美元，2018-2025年CAGR為7%。

云發(fā)展及超融合推動(dòng)虛擬化市場發(fā)展04

云服務(wù)

目前云計(jì)算主要分為三種部署形式，分別為公有云、私有云及混合云，而三種部署形態(tài)各有優(yōu)劣。

企業(yè)在使用公有云的服務(wù)上十分簡便，只需購買 IaaS 服務(wù)但因其可控性較低，所以國內(nèi)企業(yè)依舊偏好私有云及混合云，然而使用私有云及混合云則需要采購相應(yīng)的軟硬件 產(chǎn)品及集成服務(wù)，且虛擬化及云管理軟件在私有云建設(shè)中不可或缺。

2020年中國私有云市場規(guī)模已經(jīng)超過700億元，政府、金融是兩大重點(diǎn)下游行業(yè)。由于政府、金融等領(lǐng)域客戶對于數(shù)據(jù)安全及存算資源自主的考量，私有云仍是政府、金融上云的首要選擇。

混合云是私有云和公有云的結(jié)合，兩者間有一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)。其目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)管理。良好的混合云 管理環(huán)境，結(jié)合來自各種云計(jì)算模式的服務(wù)和數(shù)據(jù)，建立一個(gè)統(tǒng)一、自動(dòng)化和管理良好的計(jì)算環(huán)境?；旌?云的需求主要源自私有云及公有云本身存在的不足。與前兩者相比，混合云兼顧安全及可控、可擴(kuò)展、更 節(jié)省。隨著用戶對云計(jì)算技術(shù)要求的提高，擁有數(shù)據(jù)安全性強(qiáng)又具有高速計(jì)算能力和額外的硬件支持的混合云成為用戶的最佳選擇。

Market Research Future 預(yù)計(jì)未來我國混合云有望進(jìn)入快速增長期，2017 年全球混合云市場規(guī)模約 400 億美元，預(yù)計(jì) 2023 年將達(dá)到 1400 億美元，復(fù)合增長率達(dá) 24%?；旌显茢?shù)倍于私有云市場規(guī)模，進(jìn)一 步提振虛擬化需求。

超融合

目前主流的超融合系統(tǒng)均基于 Hypervisor 服務(wù)器虛擬化技術(shù)。此技術(shù)能將安裝于虛擬機(jī)中的應(yīng)用方便在不同物理節(jié)點(diǎn)之間遷移，同時(shí)也能享受虛擬化平臺提供的保障可用性的措施， 在可用性方面甚至比物理機(jī)環(huán)境更為便利。超融合的蓬勃發(fā)展有望進(jìn)一步降低搭建私有云/混合云的難度， 加速私有云/混合云滲透率提升。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)相比，使用超融合架構(gòu)既能提升效率，節(jié)省空間，又能減少成本。根據(jù) VMware 公布，傳統(tǒng)存儲(chǔ)列陣系統(tǒng)成本為 134942美元，而使用超融合架構(gòu)成本僅為 68386美元，降低了約 60%。目前，全球超融合市場規(guī)模 27 億美元，IDC 預(yù)測，到 2022 年，全球超融合市場規(guī)模將達(dá) 56 億美元。而中國超融合市場尚在起步階段，其市場規(guī)模較少，但增長速度十分迅猛。

目前華為、新華三、深信服是超融合市場前三強(qiáng)。超融合是基于虛擬化或者容器技術(shù)的存儲(chǔ)與計(jì)算的一體化方案，幫助用戶在本地簡單快捷地部署云式基礎(chǔ)架構(gòu)，可用于建立私有云并可延展至公有云，實(shí)現(xiàn)混合云架構(gòu)。2020年中國超融合市場規(guī)模已經(jīng)突破100億元，華為、新華三、深信服三家公司位于市占率前三，創(chuàng)業(yè)公司SmartX近年來快速發(fā)展，目前已占據(jù)近4%的市場份額。

綜上可知，隨著云計(jì)算市場教育的逐步完成，國內(nèi)私有云/混合云建設(shè)進(jìn)入加速期，超融合顯著降低私 有云/混合云建設(shè)難度有望推動(dòng)私有云/混合云滲透率提升，虛擬化市場有望迎來快速增長期。

云基礎(chǔ)軟件05

服務(wù)器虛擬化

服務(wù)器虛擬化是將虛擬化技術(shù)應(yīng)用在服務(wù)器上，物理資源抽象成邏輯資源，讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”，使一臺服務(wù)器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務(wù)器。服務(wù)器虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)層面（IaaS）的核心技術(shù)，打破了計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)體結(jié)構(gòu)間不可切割的障礙，使用戶能夠以比原本更好的配置方式來應(yīng)用計(jì)算機(jī)硬件資源，為實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心奠定了基礎(chǔ)。2020年服務(wù)器虛擬化市場規(guī)模達(dá)到44.8億元，增長率為19.6%，到2024年市場規(guī)模將達(dá)到90.4億元，年復(fù)合增長率達(dá)19.3%。

桌面云

桌面云是一種基于虛擬化技術(shù)的終端操作系統(tǒng)交付與管理方案，為用戶提供安全數(shù)據(jù)保護(hù)、高效桌面管理及靈活用戶訪問服務(wù)。目前行業(yè)中的主流桌面云方案是以VDI(虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu))、IDV(智能桌面虛擬化)架構(gòu)為主，教育、醫(yī)療、金融、能源、政府等行業(yè)需求旺盛，這部分客戶主要還是以私有化部署方式為主，會(huì)自主采購VDI硬件（瘦客戶機(jī)）以及軟件設(shè)施。2019年中國桌面云軟件市場已超過30億元，其中華為、深信服等公司占據(jù)行業(yè)龍頭地位。

存儲(chǔ)虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化作用在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)體上，這些實(shí)體則是用來提供存儲(chǔ)資源或服務(wù)，將異構(gòu)的存儲(chǔ)資源通過一定的手段統(tǒng)一管理，組成一個(gè)巨大的“存儲(chǔ)池”，將資源的邏輯映像與物理存儲(chǔ)分開，從而為系統(tǒng)提供一張簡化、無縫的存儲(chǔ)資源虛擬視圖。市場頗受關(guān)注的軟件定義存儲(chǔ)又叫Server SAN、分布式存儲(chǔ)均屬于存儲(chǔ)虛擬化范疇。軟件定義存儲(chǔ)（SDS）是一種能將存儲(chǔ)軟件與硬件分隔開的存儲(chǔ)架構(gòu)，SDS一般都在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)或x86系統(tǒng)上執(zhí)行，從而消除了軟件對于專有硬件的依賴性，根據(jù)需求擴(kuò)展的存儲(chǔ)能力和升級、降級硬件，大幅提高靈活性。

跨云管理平臺

跨云管理平臺是數(shù)據(jù)中心資源的統(tǒng)一管理平臺，管理多個(gè)開源或者異構(gòu)的云計(jì)算資源及產(chǎn)品，比如同時(shí)管理華為云、阿里云、AWS等公有云/私有云資源，管理OpenStack、VMware、Docker等云基礎(chǔ)軟件，同時(shí)由于云管平臺往往需要對接管理多個(gè)廠商的產(chǎn)品，因此第三方中立性對于云管平臺而言尤為重要。

由于目前國內(nèi)政企仍在大量采用混合云架構(gòu)、多云部署，近年來國內(nèi)第三方云管平臺市場維持高速增長，2019年國內(nèi)第三方云管平臺市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到27.3億元，且行業(yè)整體增速高達(dá)40%。神州數(shù)碼（云角）、IBM、中軟國際等公司在國內(nèi)的云管平臺市場居于領(lǐng)先位置。

審核編輯 ：李倩