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数据中心操作系统演变之路

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操作系统是为整个数据中心提供分布式调度与协调功能,实现数据中心级弹性伸缩能力的软件堆栈,它将所有数据中心资源当作一台服务器来调度。数据中心操作系统大概经历了三个阶段,本文就来介绍下操作系统的演变之路。

裸机时代

裸机时代的操作系统独立于每个物理服务器设备上,每台服务器上运行一个应用程序,这时单台服务器的性能限制了应用程序的部署规模,而且不同应用程序占用的资源不同,这样在数据中心里有的服务器很忙,而有的服务器却很闲,服务器部署的平均利用率仅能达到总容量的10%~15%,造成了资源的极大浪费。裸机时代的操作系统,管理成本高昂,因为服务器数量太多难以管理,新服务器和应用的部署时间长,硬件维护需要数天或数周才能完成,一旦承载应用的服务器故障,就需要手工将应用切换到其它服务器上来,往往给数据中心带来严重损失。这时的操作系统兼容性较差,系统和应用迁移到新的硬件需要和旧系统兼容的硬件系统,这是传统数据中心普遍采用的操作系统方式,虽然存在各样那样的弊端,但从数据中心诞生那日起,伴随我们走过了数十年,裸机时代的操作系统占据了数据中心发展的大半程时间。

虚拟化时代

虚拟化,原本是指资源的抽象化,也就是单一物理资源的多个逻辑表示,或者多个物理资源的单一逻辑表示。具体到服务器虚拟化,就是多个物理资源的单一逻辑表示。虚拟化技术主要用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老的旧的硬件产能过低的重组重用,透明化底层物理硬件,从而最大化的利用物理硬件。虚拟化在如今的IT技术领域火的不行,尤其是在数据中心,在任何一个系统里都强调虚拟化。实际上,虚拟化技术也在数据中心里得到了极大普及发展,最近这十年基本是虚拟化技术在数据中心逐渐发展壮大的过程。虚拟化以虚拟机为单位,将资源提供给用户。虚拟化的操作系统可以将一台高性能的服务器虚拟成多个虚拟机,在物理上虚拟机共享宿主服务器的硬件资源,而逻辑上各自独立,可在各虚拟出的服务器上运行不同的应用,各司其职,互不干扰。如此一来,可以大大提升服务器的使用率,降低数据中心的运营成本。虚拟化操作系统是对传统数据中心资源管理模式的变革,简化服务器的部署、管理和维护工作。虚拟化时代掀起了新一代数据中心改革的大幕,一时间不仅是服务器,从网络、存储、安全等也都引入了虚拟化的概念,大力发展虚拟化技术,原理与服务器虚拟化类似,目的就是提升设备工作效率,以至于后来出现了虚拟化的数据中心,将整个数据中心都虚拟化起来。在虚拟化领域,还是当属操作系统的虚拟化技术最为成熟,如今的数据中心操作系统里到处都是虚拟化的身影。核心技术有SDS、SDN、OpenStack等等,在亚马逊、VMWare、阿里云都有规模部署,现在我们正处于虚拟化的时代。

以应用为中心的时代

虚拟化构成的集群仍然难以运维,尤其是出了故障后,不好分析故障原因和位置。用户希望能够直接获取资源,快速启动,服务可以无限扩展,应用易于迁移。这时一切以应用为中心,将数据中心所有资源进行整合,进行虚拟池化,CPU、内存和I/O这些基本资源都虚拟出来,根据各个应用,按需分配。这时出现了容器集群资源管理技术,这引领了最新一代的数据中心操作系统。容器并不包含一个单独的操作系统,而是基于已有的基础设施中操作系统提供的功能来运行的,它将应用程序及所有程序的依赖环境打包到一个容器中,容器可以运行在任何一种服务器上。容器是完全使用沙箱机制,相互之间不会有任何接口,几乎没有性能开销,可以很容易地在服务器和数据中心中运行。最重要的是,他们不依赖于任何语言、框架包括系统。虚拟化时代是操作系统识别的资源隔离,到了以应用为中心时代,容器本质上是进程级的资源隔离。使用容器技术可以将数据中心所有的计算资源集中起来,对单个服务器的性能要求不高,这种整合后的资源可以形成强大的计算能力。每个具体应用根据自身使用情况,申请容器资源,按需分配,达到资源利用的最大化。基于容器的操作系统技术在2014年诞生后,迅速获得IBM、思科、微软、HP、Vmware等厂商的广泛认可,2015年2月就出现了专业版本,在京东私有云、阿里巴巴、腾讯游戏、百度开放云平台上都有应用,但是容器技术要在大部分的数据中心里普及应用,还有相当长的路要走。

以应用为中心的时代虽然很好,但是技术并不成熟,不像虚拟化技术是一项高度发展、非常成熟的技术。虚拟化软件厂商已开发出了能处理成千上万个虚拟机的管理系统,任何一个数据中心都能找到适合自己的系统。还有安全也是个大问题,以应用为中心的容器技术很少提及安全,彼此邻近的容器共享处理器、内存和磁盘等资源,这种行为难为为人们深为担忧,安全无法得到有效保证。

无论如何,如今是数据中心全面进入了虚拟化操作系统时代,先进的大型数据中心有个别的还尝试部署以应用为中心的容器技术,并尝到了甜头。不可否认,容器技术极具先进性,只是目前安全方面还有些令人担忧,后续若能从安全角度多做文章,必将获得更为广泛应用,将来的数据中心操作系统必将以应用为中心。



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