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計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)及應(yīng)用前景分析
虛擬化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于臺(tái)式電腦和服務(wù)器上，取得了很好的應(yīng)用效果，下面是小編搜集整理的一篇探究虛擬化技術(shù)應(yīng)用的論文范文，供大家閱讀借鑒。
【摘 要】虛擬化技術(shù)用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個(gè)應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境。本文分析了虛擬化技術(shù)高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，對(duì)虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】虛擬化技術(shù) 應(yīng)用 高效協(xié)同
隨著高性能計(jì)算機(jī)性價(jià)比性能的提高，其規(guī)模不斷擴(kuò)大，各部件之間的關(guān)系日益復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的管理和使用也變得越來(lái)越困難。為了獲得較高的性能和效率，高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件必須根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行定制，高性能計(jì)算應(yīng)用程序也需要根據(jù)特定體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。虛擬化技術(shù)用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個(gè)應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境。虛擬化技術(shù)用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個(gè)應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境。本文分析了虛擬化技術(shù)高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，對(duì)虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
一、虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算中的應(yīng)用
從目前的研究可以看出，虛擬化技術(shù)尚未被廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算領(lǐng)域，其主要原因包括以下幾個(gè)方面：
(一)虛擬化帶來(lái)的性能開(kāi)銷問(wèn)題。傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)帶來(lái)額外的系統(tǒng)性能開(kāi)銷。在一個(gè)虛擬化系統(tǒng)中，VMMM運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí)上，VM和Guest 0S作為VMM上的用戶級(jí)程序運(yùn)行。這就導(dǎo)致Guest OS運(yùn)行過(guò)程中遇到特權(quán)級(jí)操作時(shí)，必須內(nèi)陷到VMM中。由VMM執(zhí)行。這種執(zhí)行方式需進(jìn)行上下文切換，且會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的設(shè)備訪問(wèn)延遲，對(duì)于對(duì)系統(tǒng)性能敏感的高性能計(jì)算應(yīng)用來(lái)說(shuō)是難以接受的。因此，需要研究面向高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)，針對(duì)應(yīng)用對(duì)高性能的需求，進(jìn)行VMM優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(二)多VMM高效協(xié)同問(wèn)題。面向高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)不同于傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)。傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化只需要單個(gè)VMM對(duì)服務(wù)器底層硬件設(shè)備進(jìn)行抽象。而在多維異構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的VMM，該VMM只對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行虛擬化。整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行了大量相互關(guān)聯(lián)的VMM。VMM之間協(xié)同工作，構(gòu)成統(tǒng)一的大規(guī)模系統(tǒng)級(jí)虛擬化環(huán)境。因此，需要研究高效的VMM協(xié)同機(jī)制，其中包括大量VMM之間的協(xié)同管理、協(xié)同部署、VM跨物理節(jié)點(diǎn)的高效通信、VM遷移以及系統(tǒng)級(jí)容錯(cuò)等技術(shù)問(wèn)題。
(三)大量VM的管理問(wèn)題。為了支持高性能計(jì)算應(yīng)用程序的運(yùn)行。可能需要一次部署運(yùn)行上千個(gè)乃至上萬(wàn)個(gè)的VM。傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)只涉及少量VM的部署問(wèn)題和運(yùn)行時(shí)管理問(wèn)題。如何支持大量VM的動(dòng)態(tài)部署、根據(jù)應(yīng)用需求快速分配所需的硬件資源、以較低的系統(tǒng)開(kāi)銷快速啟動(dòng)VM、對(duì)大量VM進(jìn)行運(yùn)行時(shí)管理等，都是實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬化時(shí)需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題。
(四)編程模型和軟件環(huán)境的支持問(wèn)題。傳統(tǒng)的編程模型和支持應(yīng)用開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的軟件環(huán)境都是直接針對(duì)非虛擬化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，而虛擬化技術(shù)對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了抽象，改變了用戶所見(jiàn)的資源組織形態(tài)，使得傳統(tǒng)的編程模型和軟件環(huán)境無(wú)法適應(yīng)用戶對(duì)虛擬化系統(tǒng)的使用要求。因此，需要研究面向虛擬化高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的新型編程模型和針對(duì)虛擬化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的配套軟件環(huán)境，如并行編譯器、鏈接器、調(diào)試優(yōu)化工具、并行函數(shù)庫(kù)等。
二、 虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算中的應(yīng)用前景
目前，虛擬化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于臺(tái)式電腦和服務(wù)器上，取得了很好的應(yīng)用效果。相比之下，在高性能計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用還非常有限。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和對(duì)虛擬化技術(shù)研究的深入，兩者之間的結(jié)合將會(huì)變得越來(lái)越緊密，虛擬化技術(shù)也將為高性能計(jì)算領(lǐng)域的諸多難題提供新的解決方法。
(一)構(gòu)建虛擬應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境。高性能計(jì)算應(yīng)用程序與運(yùn)算環(huán)境關(guān)系密切，不同規(guī)模的運(yùn)行環(huán)境下表現(xiàn)的行為也不盡相同。利用虛擬化技術(shù)，可以在小規(guī)模系統(tǒng)上構(gòu)建大規(guī)模的虛擬應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，使應(yīng)用程序可以在更為接近最終運(yùn)行環(huán)境的系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以被更快、更方便地移植到大規(guī)模系統(tǒng)上運(yùn)行。
(二)整合異構(gòu)資源。隨著應(yīng)用需求和高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)正在逐步向著異構(gòu)化的方向發(fā)展。如何高效管理和使用異構(gòu)系統(tǒng)是高性能計(jì)算系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員面臨的主要技術(shù)難題。虛擬化技術(shù)在整合異構(gòu)資源方面有其固有的優(yōu)勢(shì)。利用虛擬化技術(shù)對(duì)底層異構(gòu)硬件資源進(jìn)行抽象和管理，可以有效地隱藏硬件平臺(tái)的異構(gòu)特性，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)環(huán)境，方便用戶對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)的使用。
(三)提供定制的Appliance。不同的高性能計(jì)算應(yīng)用程序需要不同的系統(tǒng)環(huán)境，如面向應(yīng)用優(yōu)化的操作系統(tǒng)環(huán)境、特定版本的編譯器以及通信庫(kù)等，這使得應(yīng)用程序的部署費(fèi)時(shí)費(fèi)力，系統(tǒng)環(huán)境也難以做到最優(yōu)化，系統(tǒng)效能得不到充分發(fā)揮。采用虛擬化技術(shù)有助于解決上述問(wèn)題。虛擬化技術(shù)支持預(yù)先將定制的操作系統(tǒng)、經(jīng)過(guò)優(yōu)化配置的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用二進(jìn)制代碼一起打包成VM映像，這種映像被稱為Appliance。通過(guò)直接部署Appliance，可以實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算應(yīng)用程序的快速部署，并獲得較好的運(yùn)行時(shí)性能。
(四)提高系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性能。隨著高性能計(jì)算機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，部件間復(fù)雜性的不斷提高，系統(tǒng)硬件故障率也不斷增大。在虛擬化的系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)上各VM之問(wèn)相互隔離，軟件錯(cuò)誤如操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序故障只能直接影響到一個(gè)VM，甚至硬件故障如CPU、內(nèi)存、設(shè)備的故障也只影響到它們所被指定到的VM。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)VM遷移、快速重啟VM等方法可以重新恢復(fù)甚至于不中斷應(yīng)用程序的運(yùn)行。
三、結(jié)論
總之，隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，底層硬件越來(lái)越多地加入對(duì)虛擬化的支持，有效地降低了虛擬化的性能開(kāi)銷。而高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)向多層次、多粒度的異構(gòu)化方向發(fā)展的趨勢(shì)也必將進(jìn)一步推動(dòng)高性能計(jì)算機(jī)虛擬化技術(shù)的發(fā)展。
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