計算機虛擬化技術及應用前景分析
虛擬化技術已被廣泛應用于臺式電腦和服務器上，取得了很好的應用效果，下面是小編搜集整理的一篇探究虛擬化技術應用的論文范文，供大家閱讀借鑒。
【摘 要】虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環境。本文分析了虛擬化技術高性能計算機的應用，對虛擬化技術在高性能計算中的應用前景進行了展望。
【關鍵詞】虛擬化技術 應用 高效協同
隨著高性能計算機性價比性能的提高，其規模不斷擴大，各部件之間的關系日益復雜，對系統的管理和使用也變得越來越困難。為了獲得較高的性能和效率，高性能計算機系統軟件必須根據體系結構的特點進行定制，高性能計算應用程序也需要根據特定體系結構進行優化。虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環境。虛擬化技術用于支持高層軟件共用底層硬件資源，為用戶提供多個應用軟件運行環境。本文分析了虛擬化技術高性能計算機的應用，對虛擬化技術在高性能計算中的應用前景進行了展望。
一、虛擬化技術在高性能計算中的應用
從目前的研究可以看出，虛擬化技術尚未被廣泛應用于高性能計算領域，其主要原因包括以下幾個方面：
(一)虛擬化帶來的性能開銷問題。傳統的服務器虛擬化技術帶來額外的系統性能開銷。在一個虛擬化系統中，VMMM運行在最高特權級上，VM和Guest 0S作為VMM上的用戶級程序運行。這就導致Guest OS運行過程中遇到特權級操作時，必須內陷到VMM中。由VMM執行。這種執行方式需進行上下文切換，且會導致更長的設備訪問延遲，對于對系統性能敏感的高性能計算應用來說是難以接受的。因此，需要研究面向高性能計算機系統的虛擬化技術，針對應用對高性能的需求，進行VMM優化設計。
(二)多VMM高效協同問題。面向高性能計算機系統的虛擬化技術不同于傳統的服務器虛擬化技術。傳統的服務器虛擬化只需要單個VMM對服務器底層硬件設備進行抽象。而在多維異構的高性能計算機系統中，每個節點都需要運行一個獨立的VMM，該VMM只對單個節點進行虛擬化。整個系統中運行了大量相互關聯的VMM。VMM之間協同工作，構成統一的大規模系統級虛擬化環境。因此，需要研究高效的VMM協同機制，其中包括大量VMM之間的協同管理、協同部署、VM跨物理節點的高效通信、VM遷移以及系統級容錯等技術問題。
(三)大量VM的管理問題。為了支持高性能計算應用程序的運行。可能需要一次部署運行上千個乃至上萬個的VM。傳統的服務器虛擬化技術只涉及少量VM的部署問題和運行時管理問題。如何支持大量VM的動態部署、根據應用需求快速分配所需的硬件資源、以較低的系統開銷快速啟動VM、對大量VM進行運行時管理等，都是實現高性能計算機系統虛擬化時需要解決的重要技術問題。
(四)編程模型和軟件環境的支持問題。傳統的編程模型和支持應用開發和運行的軟件環境都是直接針對非虛擬化系統設計的，而虛擬化技術對硬件系統進行了抽象，改變了用戶所見的資源組織形態，使得傳統的編程模型和軟件環境無法適應用戶對虛擬化系統的使用要求。因此，需要研究面向虛擬化高性能計算機系統的新型編程模型和針對虛擬化系統進行優化設計的配套軟件環境，如并行編譯器、鏈接器、調試優化工具、并行函數庫等。
二、 虛擬化技術在高性能計算中的應用前景
目前，虛擬化技術已被廣泛應用于臺式電腦和服務器上，取得了很好的應用效果。相比之下，在高性能計算領域的應用還非常有限。隨著高性能計算技術的發展和對虛擬化技術研究的深入，兩者之間的結合將會變得越來越緊密，虛擬化技術也將為高性能計算領域的諸多難題提供新的解決方法。
(一)構建虛擬應用開發環境。高性能計算應用程序與運算環境關系密切，不同規模的運行環境下表現的行為也不盡相同。利用虛擬化技術，可以在小規模系統上構建大規模的虛擬應用開發環境，使應用程序可以在更為接近最終運行環境的系統環境下進行開發和優化，開發的應用程序可以被更快、更方便地移植到大規模系統上運行。
(二)整合異構資源。隨著應用需求和高性能計算技術的發展，高性能計算機體系結構正在逐步向著異構化的方向發展。如何高效管理和使用異構系統是高性能計算系統軟件和應用程序開發人員面臨的主要技術難題。虛擬化技術在整合異構資源方面有其固有的優勢。利用虛擬化技術對底層異構硬件資源進行抽象和管理，可以有效地隱藏硬件平臺的異構特性，為用戶提供一個統一的系統環境，方便用戶對異構系統的使用。
(三)提供定制的Appliance。不同的`高性能計算應用程序需要不同的系統環境，如面向應用優化的操作系統環境、特定版本的編譯器以及通信庫等，這使得應用程序的部署費時費力，系統環境也難以做到最優化，系統效能得不到充分發揮。采用虛擬化技術有助于解決上述問題。虛擬化技術支持預先將定制的操作系統、經過優化配置的應用運行環境和應用二進制代碼一起打包成VM映像，這種映像被稱為Appliance。通過直接部署Appliance，可以實現高性能計算應用程序的快速部署，并獲得較好的運行時性能。
(四)提高系統可靠性和容錯性能。隨著高性能計算機規模的不斷擴大，部件間復雜性的不斷提高，系統硬件故障率也不斷增大。在虛擬化的系統中，由于節點上各VM之問相互隔離，軟件錯誤如操作系統或應用程序故障只能直接影響到一個VM，甚至硬件故障如CPU、內存、設備的故障也只影響到它們所被指定到的VM。當出現故障時，通過VM遷移、快速重啟VM等方法可以重新恢復甚至于不中斷應用程序的運行。
三、結論
總之，隨著虛擬化技術的不斷發展，底層硬件越來越多地加入對虛擬化的支持，有效地降低了虛擬化的性能開銷。而高性能計算機體系結構向多層次、多粒度的異構化方向發展的趨勢也必將進一步推動高性能計算機虛擬化技術的發展。
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