云計算與虛擬化

引導(dǎo)語

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

云計算市場概況01

2020年，疫情推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進程加速，且國家政策強調(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)計到2023年，中國云計算市場規(guī)模可達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。

云計算02

在傳統(tǒng)的IT架構(gòu)中，操作系統(tǒng)扮演著管理計算機硬件與軟件資源的重要角色；而隨著IT架構(gòu)進入云計算時代，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)軟件負責(zé)對數(shù)據(jù)中心存算資源進行高效的調(diào)配管理，并合理分配給上層應(yīng)用，實現(xiàn)"軟件定義數(shù)據(jù)中心"，成為云計算時代重要的基礎(chǔ)設(shè)施。云計算主要由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)存儲技術(shù)、虛擬化技術(shù)和云計算管理平臺技術(shù)。

虛擬化與其技術(shù)路徑梳理03

虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了動態(tài)配置和擴展計算和存儲的云計算資源，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)化成一個擁有巨大計算及存儲資源池，應(yīng)用系統(tǒng)可以自由調(diào)用這個“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運行在宿主機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)核進行修改。全虛擬化無需對Guest OS的內(nèi)核進行特殊配置，部署靈活便利且具有較好的兼容性好，但缺點在于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)過修改的客戶機操作系統(tǒng)內(nèi)核共享宿主底層硬件來實現(xiàn)的，優(yōu)點在于性能但同時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)的輔助使得虛機性能接近物理機。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)展及超融合推動虛擬化市場發(fā)展04

云服務(wù)

目前云計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，兩者間有一個或多個連接點。其目標是創(chuàng)建一個管理。良好的混合云 管理環(huán)境，結(jié)合來自各種云計算模式的服務(wù)和數(shù)據(jù)，建立一個統(tǒng)一、自動化和管理良好的計算環(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、可擴展、更 節(jié)省。隨著用戶對云計算技術(shù)要求的提高，擁有數(shù)據(jù)安全性強又具有高速計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)計未來我國混合云有望進入快速增長期，2017 年全球混合云市場規(guī)模約 400 億美元，預(yù)計 2023 年將達到 1400 億美元，復(fù)合增長率達 24%?；旌显茢?shù)倍于私有云市場規(guī)模，進一 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)能將安裝于虛擬機中的應(yīng)用方便在不同物理節(jié)點之間遷移，同時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環(huán)境更為便利。超融合的蓬勃發(fā)展有望進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 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。超融合是基于虛擬化或者容器技術(shù)的存儲與計算的一體化方案，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，隨著云計算市場教育的逐步完成，國內(nèi)私有云/混合云建設(shè)進入加速期，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)作為云計算基礎(chǔ)架構(gòu)層面（IaaS）的核心技術(shù)，打破了計算機內(nèi)部實體結(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)用計算機硬件資源，為實現(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)模達到44.8億元，增長率為19.6%，到2024年市場規(guī)模將達到90.4億元，年復(fù)合增長率達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、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，會自主采購VDI硬件（瘦客戶機）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。

存儲虛擬化

存儲虛擬化作用在一個或者多個實體上，這些實體則是用來提供存儲資源或服務(wù)，將異構(gòu)的存儲資源通過一定的手段統(tǒng)一管理，組成一個巨大的“存儲池”，將資源的邏輯映像與物理存儲分開，從而為系統(tǒng)提供一張簡化、無縫的存儲資源虛擬視圖。市場頗受關(guān)注的軟件定義存儲又叫Server SAN、分布式存儲均屬于存儲虛擬化范疇。軟件定義存儲（SDS）是一種能將存儲軟件與硬件分隔開的存儲架構(gòu)，SDS一般都在行業(yè)標準系統(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)需求擴展的存儲能力和升級、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，管理多個開源或者異構(gòu)的云計算資源及產(chǎn)品，比如同時管理華為云、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，同時由于云管平臺往往需要對接管理多個廠商的產(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)達到27.3億元，且行業(yè)整體增速高達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