云里雾里的云计算 【7】-转载自邓侃博士的博客

云里雾里的云计算 【7】-转载自邓侃博士的博客

【8】云中说禅
云计算是一个大买卖,各大公司不会眼睁睁看着Google吃独食。IBM,Yahoo,Amazon,Microsoft等等相继跟进,都在宣传自己的云计算方案。
Google 致力于云计算研究与实践,已经有十年了,技术积累厚实,说话底气足。其它公司嚷嚷归嚷嚷,总得拿出点真材实料,否则靠什么争取客户?从头开始研究开发当然是来不及了,于是IBM也好,Yahoo也好,Amazon也好,纷纷借Open Source的Hadoop,作为自己切入云计算市场的基石。
看一看IBM的Blue Cloud方案,以及Amazon的EC2方案,除了Hadoop以外,它们还用到了另一个开源软件,Xen。Xen是Zen的异体词,Zen的意思是禅。
计算机技术和禅有什么关系?
看看Lucent公司的Logo。第一次见到这个logo的时候,不解。请教老美,老美很吃惊,说,“这是禅啊,你们东方的东西。”
这个用毛笔画出来的圆圈,英文名字叫Enso。这个符号来自日本,通常被当作禅的标记。凭心而论,日本在世界范围内弘扬东方文化,是做了很大贡献的。譬如西方人对禅的了解,主要来自于日本的推介。

云里雾里的云计算 <wbr>【7】
Lucent Logo Courtesy http://www.techshout.com/images/lucent-logo.jpg
1974年,美国出版了一本名字很古怪的书,“禅与摩托车维护的艺术:对价值的探求(Zen and the Art of Motorcycle Maintenance:An Inquiry into Value)”。这本书的主线是一伙人骑摩托,17天环游美国的游记,其中穿插了大量的哲学讨论。此书出版后,受到极大欢迎。

2003年,剑桥大学计算技术实验室的几个人在合写一篇论文,文章写得差不多了,但是还缺一个标题。其中一位开玩笑地建议到,“要么就叫Zen and the Art of CPU Cycle Maintenance吧”。众人大悦。
最后论文定名为“Xen and the Art of Virtualization”。同时,把整个项目定名为Xen。 Xen是做什么的?
用一句话来概括,Xen的目标,是如何在一台计算机的硬件上,同时运行多个OS。什么情况下需要在同一台计算机上同时运行多个OS?
举个例子,现在电脑病毒日益猖獗。纵然有卡巴斯基等等解药,但是道高一尺魔高一丈,病毒屡禁不止,而且毒性越来越烈,常常危及整个OS。
有人出了一个主意,在同一台电脑的硬件上,同时运行多个OS,把一些基本的应用放在一个OS上,其它的应用留在其它OS上。用户切换OS的方式,犹如切换窗口一样。如果一些应用染上了病毒,最多把该应用所在的OS重装,而不至于影响其它OS,尤其是不必担心硬盘上重要的文件遭到破坏。
为什么Xen与云计算有关?
在云计算平台上运行的程序,来自不同的客户。不能保证这些客户程序没有bugs,也不能杜绝恶意的破坏性程序。如何保证一个客户的程序,不至于破坏其它客户的程序运行,不至于损坏其它客户的文件?
最简单的办法是给不同的客户分配不同的机器,井水不犯河水。但是这样的做法不能高效率地使用资源。美国客户的高峰时段,恰巧是中国客户的夜间休息时段。如果分别给美国中国客户分配不同机器,美国高峰时段,美国客户的机器忙不过来,而中国客户的机器却在闲置。
所以最理想的做法,是让不同客户共享计算机硬件,但是各自拥有各自的OS。这样,既高效地使用硬件资源,又保证井水不犯河水。
Xen提供了实现这一目标的技术解决方案,所以借着云计算的东风,Xen大热。 云里雾里的云计算 <wbr>【7】
The structure of a machine running the Xen, hosting a number of different guest OSes. Courtesy http://www.freesoftwaremagazine.com/files/www.freesoftwaremagazine.com/nodes/1159/slide2.jpg
上图描述的是Xen的体系结构。最底层的是计算机硬件,包括CPU,RAM,硬盘接口,网卡,外设数据总线等等。
硬件层之上,是Xen hypervisor层,包括总控界面(Xen Control Interface),虚拟CPU,虚拟RAM,虚拟硬盘,虚拟网卡等等。
在 Xen层之上,是各个OS实例(OS instances)。其中最左边的OS实例很特别。在启动Xen的时候,最左边的OS实例,Domain0 on XenoLinux,自动被启动。Domain0里运行着Xen Control Software,这个软件控制着各个OS实例的启动,终止,以及监控其运行情况。
Domain0对于其它OS实例的控制,是通过Xen层中Xen Control Interface来实现的。而这个Xen Control Interface只对Domain0开放。其它OS实例只有被管理的义务,而没有管理其它实例的权力。
每个OS实例都被分配一套虚拟的CPU,RAM,硬盘和网卡。每个OS实例使用这些虚拟的设备,与通常的OS并无不同。
多 个OS实例共享CPU的实现,是通过两套机制来完成。当多个OS实例请求使用CPU,这些请求被放置在hypercall队列里。Xen hypervisor根据预先设定的优先级政策,在hypercall队列里挑选出下一个被执行的请求。请求被处理完了以后,Xen通过异步的事件响应机制(async event-callback handler),把结果反馈给相应的OS实例。所谓虚拟CPU,说白了就是这两套机制的interface APIs。
在启动一个新的 OS实例的时候,Domain0会给它分配一部份RAM。如果实际运行中,需要更多的RAM,Domain0会增加这个OS实例的配额,直至最高上限。各个OS实例都有自己的RAM区域,彼此不相互干扰。从每个OS实例的眼中看,似乎自己的RAM区域在物理上位于相邻区域。但是事实上不是这样。这种善意的欺骗归功于虚拟RAM。虚拟RAM不仅记录着物理RAM的分配和使用,而且负责地址的翻译等等工作。
至于Disk IO和Network IO的读写请求,被放置在一个环状队列中,通过Consumer-Producer锁机制进行异步操作。
每个OS实例配备着一个虚拟硬盘,这个虚拟硬盘记录着每个OS实例所占用的物理硬盘的空间。每个OS实例只能看到分配给自己的硬盘空间,而不能看到其它OS实例的硬盘里的文件。而Domain0是例外,它能够看到整个硬盘系统中所有文件。
Xen的详细描述和分析,可以读前面提到的那篇论文,“Xen and the Art of Virtualization”,http://www.cl.cam.ac.uk/netos/papers/2003-xensosp.pdf。
Xen开源软件的下载,可以去Xen网站寻找。http://www.xen.org/

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VMWare infrastructure Courtesy http://www.topgreat.com.tw/WebMaster/uploads/images/1_images/l_070508152747.jpg
Xen 并不是横空出世的新创意。计算机界往往出现工业界领先于学术界的局面,Virtualization技术就是这样一个例子。早在1998年,硅谷Palo Alto出现了一家公司,最早实现了多个OS共享一台计算机的设想。这家公司的名字叫VMWare,现在卖给了EMC。 http://www.vmware.com
Xen与VMWare在技术上有很大相似之处。从Xen的论文看,Xen的技术似乎比VMWare有更多优势。但是从产品系列的完整,以及多年来的实际运行经验来看,VMWare似乎能够提供用户更可靠的稳定性和售后服务。

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