云计算虚拟化技术解读2.docx
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云计算虚拟化技术解读2.docx
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云计算虚拟化技术解读2
云计算虚拟化技术解读
(2)
Yuanzi16
本文作者的话
本文是根据有关文献和资料编写的《漫话云计算》系列文稿之一。
现作为云计算学习笔录,奉献给云计算业外读者,作为进一步学习和研究的参考。
希望能够得到大家的指教和喜欢!
下面是正文
虚拟化的出现,对IT的管理方式产生了巨大的影响。
通过这几年的发展,虚拟化技术也越来越成熟;虚拟化技术的使用也越来越普及。
可以说,云计算虚拟化技术的应用是大势所趋。
一、虚拟化技术及其若干应用
1、虚拟化的定义
虚拟化技术,产生于20世纪60年代。
最早应用于IBM大型机硬件的分区。
虚拟化,是指通过向资源客户屏蔽这些资源的物理性质和边界的方式,将IT资源合并。
简而言之,虚拟化就是将各类计算机资源进行逻辑抽象、分配和管理的过程。
虚拟化改变了传统计算机资源的应用模式。
将实际应用,运行在虚拟的基础上;并且用户体验丝毫不会下降。
2、虚拟化技术的价值
经过多年的发展,虚拟化技术日趋成熟。
数据中心通过应用虚拟化技术,可以将各类计算机资源有机整合,集中管理,提高资源利用率;进而减少企业大量的采购成本、电力成本、制冷成本和管理成本。
当然,这也就为实现绿色数据中心开辟了一条重要的技术通道。
服务器虚拟化技术的价值,已在许多环境中得到验证。
越来越多的用户,开始借助服务器虚拟化技术,提高数据中心的业务处理效率。
3、服务器虚拟化方法
服务器虚拟化,是现代数据中心比较成熟的技术,就是将服务器物理资源抽象成为逻辑资源;将一台服务器抽象成为多台虚拟服务器,或者将多台服务器抽象成为一台虚拟服务器来使用。
这样,我们就不受服务器物理上的限制,精简服务器的基础架构,实现服务器整合,提高IT资源的利用率。
这是目前各大数据中心最主要的虚拟化方法。
借助介于虚拟服务器和底层硬件之间的VMM中间层,来管理包括CPU、内存和磁盘等在内的所有物理设备。
在完全虚拟化环境下,VMM运行在硬件上,将原有物理设备虚拟化成为不同属性的虚拟设备,供上层多个客户操作系统访问。
链接:
VMM
VMM(VMM,VirtualMachineMonitor,虚拟机监视器),它包括规划、部署、管理和优化虚拟基础结构等端到端功能。
4、存储虚拟化
存储虚拟化,可以通过以下三个层面来实现:
首先,通过特有的虚拟化设备,或在网络交换机上安装虚拟化软件,来控制存储资源的分配和管理。
其次,通过具有虚拟化功能的存储控制器,统一管理存储系统,并向服务器提供存储资源。
最后,通过管理软件,对分配给主机的逻辑卷,实现进一步虚拟化。
5、网络虚拟化及其应用
随着企业IT业务的快速增长,运行模式不断变化,基础网络不断变化、扩展,形成了冗余复杂的网状网结构。
这使得数据中心基础网络的运维管理难度较高。
网络虚拟化技术的出现,简化了这种管理难题。
网络虚拟化与服务器虚拟化的思路相似,也是将物理网络设备,抽象成为多个具有相同功能的虚拟设备;而且,每台虚拟出来的设备上,也可以进行不同功能的配置。
目前,广泛应用在防火墙、路由器、交换机以及负载均衡设备上。
网络虚拟化,可以防止来自Internet的威胁,使用户快速、安全地访问应用程序和数据。
6、虚拟专用网络
另外,虚拟专用网络(VPN),也是网络虚拟化的一种实现技术。
VPN已经是各个企业数据中心应用多年的技术了。
它是一种在公用网络上,建立专用网络的技术。
VPN对网络连接进行了抽象,允许远程用户访问组织的内部网络,就像物理上连接到该网络一样。
7、总结
虚拟化技术的这种内涵,决定了它在云计算中的核心支撑地位。
对于“云”,首先是虚拟资源池;无池就无集成。
服务器虚拟化技术,是重中之重,是将系统进行虚拟化,应用于服务器之上的技术;物理服务器被虚拟成为多个服务器,面向应用集中化处理;多台服务器处理的程序或数据,通过虚拟技术放置到1台服务器进行处理;能跨越物理平台而不受物理平台的限制。
事实上,对于虚拟化的定义很多,总的可归纳总结为逻辑技术,以集成抽象方式访问;基于物理机制,但不受物理限制;也可以对软件环境进行虚拟。
云计算,是将IT资源进行全部虚拟化;服务器虚拟化技术与此目的一致。
二、虚拟化技术分类
虚拟化技术,分为硬件虚拟化和软件虚拟化。
从数据中心的角度看,大家谈论的往往都是指硬件虚拟化。
硬件虚拟化,是相对于软件虚拟化来讲的。
1、软件虚拟化
软件虚拟化,是将虚拟化软件安装在操作系统之上,所有虚拟机的运行都要经过虚拟化软件翻译,进而由操作系统来调用硬件完成操作;效率非常低下。
2、硬件虚拟化
硬件虚拟化,克服了软件虚拟化的弊病,将虚拟化软件(Hypervisor,虚拟机监控程序)安装在硬件和操作系统之间。
这样可以由Hypervisor直接调用硬件,为所有的虚拟机提供服务;效率问题得以解决。
三、芯片组在虚拟化道路上发展的三个阶段
芯片组是一组共同工作的集成电路——芯片,并作为一个产品销售。
它负责将电脑的核心——微处理器和电脑的其它部分相连接,是决定主板级别的重要部件。
以往,芯片组由多颗芯片组成,慢慢地简化为两颗芯片。
在计算机领域,“芯片组”这一术语通常是特指计算机主板或扩展卡上的芯片。
当讨论基于英特尔的奔腾级处理器的个人电脑时,芯片组一词通常是指两个主要的主板芯片组:
北桥和南桥。
芯片组在虚拟化道路上发展的三个阶段如下:
第一阶段:
芯片虚拟化
操作系统,在默认情况下,都是安装在CPU的Ring0这一个特权层上;而虚拟化软件(Hypervisor,虚拟机监控程序)要想直接调用硬件,也需要安装在这一层。
这就会产生很多问题。
芯片厂商通过重新设计CPU,增加了一个Ring1的层,来存放虚拟化软件(Hypervisor,虚拟机监控程序),管理和调度虚拟机操作系统。
代表性的技术为AMD的AMD-V,和Intel的Intel-VT。
链接:
Intel的CPU特权级别
Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的。
Intel的CPU将特权级别分为4层:
Ring0,Ring1,Ring2,Ring3。
Windows只使用其中的两个级别Ring0和Ring3。
Ring0层拥有最高的权限,Ring3层拥有最低的权限。
按照Intel原有的构想,应用程序工作在Ring3层,只能访问Ring3层的数据;操作系统工作在Ring0层,可以访问所有层的数据;而其它驱动程序位于Ring1、Ring2层。
每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。
如果普通应用程序企图执行Ring0指令,那么Windows会显示“非法指令”错误信息。
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AMD-V技术
AMD-V技术(AMD虚拟化技术)是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术。
它可以简化纯软件的虚拟化解决方案,改进VMM(虚拟机监视器)的设计,更充分地利用硬件资源,提高服务器和数据中心的虚拟化效率。
目前AMD提供的所有处理器均具备AMD-V虚拟化功能;不论是笔记本电脑还是刀片服务器,均可为其提供强大的虚拟化性能、安全性及可靠性。
链接:
IntelVT
IntelVT。
为解决纯软件虚拟化解决方案在可靠性、安全性和性能上的不足,Intel在它的硬件产品上引入了IntelVT(IntelVirtualizationTechnology,Intel公司的虚拟化技术)。
被Acer和联想应用在其基于IntelPentium4的PC上。
IntelVT可以让一个CPU工作起来像多个CPU在并行运行,从而使得在一部电脑内同时运行多个操作系统成为可能。
这种VT技术并不是一个新鲜事物,市面上已经有一些软件可以达到虚拟多系统的目的,比如VMwareworkstation、VirtualPC等。
使用这种技术就可以单CPU模拟多CPU并行,可以实现单机同时运行多个操作系统。
第二阶段:
内存虚拟化
随着虚拟化技术的不断发展,内存的效率成为关注点。
芯片厂商随之设计了通过硬件支持来解决繁重的内存映射,AMD称之为NPT,而Intel称之为EPT。
第三阶段:
IO虚拟化
现阶段,IO虚拟化,可以让虚拟机直接调用物理服务器上的硬件,起到安全和隔离的作用,也保障了部分场景中虚拟机的性能。
AMD的IOMMU和Intel的VT-D,就是负责从硬件层面来优化这项技术的。
四、虚拟化技术的优势
1、降低成本,节能减排
虚拟化可以大大降低企业在IT方面的硬件投入、维护成本,提高服务器利用率,降低数据中心能耗,减少温室气体排放。
2、提高IT管理水平
虚拟化技术的不断创新,让一些传统管理方式无法实现的任务,如在线迁移,快速批量部署,快照回滚等,得到实现。
从而,提高了企业IT的管理水平和用户满意度。
五、为虚拟化环境购买服务器
⑴、服务器是否能够正常运行虚拟化软件,也就是说它是否在虚拟化软件的兼容列表之内。
⑵、尽量选择各厂商中最主流的服务器。
因为,主流服务器往往是销量最大,出问题概率最低的服务器。
⑶、根据未来的需求和预算情况,选择服务器的配置。
虚拟化技术有个特点,需要很强的并发处理能力。
这样才能托管更多的虚拟机。
反映到服务器上,就是CPU的核心数量;CPU的核心越多,并发处理能力越强。
在选择服务器的CPU时,应尽量选择多核的CPU,如4核,8核,10核,甚至AMD最新的16核的处理器。
这样,既可以节省软件许可数量,也可以提高整合比,减少物理服务器的数量,节省企业的成本。
六、虚拟化项目规划
很多用户在谈到虚拟化时,都会说他要使用某某厂家的虚拟化技术,它有一些多么先进的功能等等。
但是,虚拟化项目,不是一个简单的购买软件、安装软件的过程。
它需要进行详细的规划:
1、虚拟化产品选择
建议的原则是,不求最贵,只求最适合自己。
预算和功能之间永远是矛盾的。
每个IT人员都非常了解自己的环境。
只有跟自己环境结合得最好的技术,才是最适合自己的。
2、将虚拟化技术更好地应用到IT环境中
根据以往的经验,主要分为两个阶段:
第一阶段:
获得肯定的阶段
在这一阶段,先从非关键应用上手,取得不错的成本效应,得到上层领导的肯定和支持。
同时,更要对存在的问题不断总结,为下一阶段积累经验。
第二阶段:
显示实力的阶段
这是整个项目的关键阶段。
根据上一阶段的经验,逐步迁移关键应用,到虚拟化环境中。
监控,调优,排错,将是这一阶段的主旋律。
未来,将借助于虚拟化技术,进入真正的云时代。
到时,高性能与低功耗的芯片,将会托管更多数量的虚拟机。
另外,虚拟机在不同芯片平台之间的可迁移性,会受到人们的关注。
对于桌面云而言,GPU虚拟化,将是用户完美体验的关键。
让我们翘首以盼!
链接:
GPU
GPU(GraphicProcessingUnit,图形处理器(图像处理单元)),是相对于CPU的一个概念。
由于在现代的计算机中(特别是家用系统,游戏的发烧友)图形处理变得越来越重要,需要一个专门的图形的核心处理器。
GPU是显卡的“心脏”,也就相当于CPU在电脑中的作用。
它决定了该显卡的档次和大部分性能,同时也是2D显示卡和3D显示卡的区别依据。
NVIDIA公司在1999年发布GeForce256图形处理芯片时,首先提出GPU的概念。
GPU能够从硬件上支持T&L(TransformandLighting,多边形转换与光源处理)的显示芯片.因为,T&L是3D渲染中的一个重要部分,其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果,也可以称为“几何处理”。
即使CPU的工作频率超过3GHz或更高,对它的帮助也不大,由于这是PC本身设计造成的问题,与CPU的速度无太大关系。
七、虚拟化如何在云计算中提供优势
1、虚拟化技术重大突破
虚拟机管理程序是一种商品,那么我们该何去何从?
虚拟化物理计算机,是公有云和私有云的中坚力量,使企业能够优化硬件利用率、增强安全性、支持多租户等。
早期的虚拟化方法,主要基于模拟CPU。
例如,在基于PowerPC的Mac上的x86,使用户能够运行DOS和Windows。
不仅需要模拟CPU,而且还要模拟硬件环境中的其他组件,包括图形适配器、硬盘、网络适配器、内存和接口。
在90年代末期时,VMware在虚拟化技术中有了重大突破。
他们推出的技术,可以让大部分代码直接在CPU上执行,而不需要被转译或模拟。
在VMware之前,运行在相同硬件的两个或两个以上的操作系统,会互相干扰。
因为,他们会争夺资源,并试图执行特权指令。
VMware智能地拦截这些类型的指令,动态地重写代码,并存储新的转译用于重复使用和快速执行。
总之,这些技术,比以前的模拟器运行得更快,帮助定义了我们现在所知道的x86虚拟化,包括旧的“管理程序”大型机概念。
这是让IT创建和运行虚拟机的平台。
链接:
VMware
VMware 虚拟机软件,是全球从桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商。
全球不同规模的客户,依靠VMware来降低成本和运营费用,确保业务持续性,加强安全性并走向绿色。
2008年,VMware年收入达到19亿美元;拥有逾150000用户和接近22000多家合作伙伴;是增长最快的上市软件公司之一。
VMware总部设在美国加利福尼亚州的帕罗奥多市(PaloAlto)。
VMware在虚拟化和云计算基础架构领域,处于全球领先地位。
它所提供的经客户验证的解决方案,可通过降低复杂性以及更灵活、敏捷地交付服务,来提高IT效率。
VMware使企业可以采用能够解决其独有业务难题的云计算模式。
VMware提供的方法,可在保留现有投资并提高安全性和控制力的同时,加快向云计算的过度。
VMware拥有400000多家客户和55000多家合作伙伴。
它的解决方案,可帮助各种规模的组织降低成本、提高业务灵活性并确保选择自由。
下图中:
SharedStorage:
共享存储
VirtualMachines:
虚拟机
ESXServer:
ESX服务器
链接:
ESXServer
ESX=ElasticSkyX是开发代号的缩写。
ESX是一个类似于Windows的Linux操作系统,其作用是将一台服务器虚拟成多台,实现资源共享的目的,配合Vcenter以及存储可以实现迁移、容错、模板等等功能。
ESXServer 是VMWare 虚拟化解决方案中企业级的软件产品,实际上是一个精简的Linux底层加上VMWare服务。
从VMWare公司的网站下载ESXServer3.5,最新版本4.2,下载60天试用版,但是只要输入正版序列号,就可以变成正式版。
VMFS:
VMware虚拟机文件系统
链接:
VMFS
VMFS(VMwareVirtualMachineFileSystem,VMware虚拟机文件系统),是一种高性能的群集文件系统。
它使虚拟化技术的应用超出了单个系统的限制。
VMFS的设计、构建和优化针对虚拟服务器环境,可让多个虚拟机共同访问一个整合的群集式存储池,从而显著提高了资源利用率。
VMFS是跨越多个服务器实现虚拟化的基础。
它可启用VMwareVmotionTM、DistributedResourceScheduler和VMwareHighAvailability等各种服务。
VMFS还能显著减少管理开销。
它提供了一种高效的虚拟化管理层,特别适合大型企业数据中心。
采用VMFS可实现资源共享,使管理员轻松地从更高效率和存储利用率中直接获益。
2、关键变化
多年来,VMware及其专利,统治着虚拟化领域。
在服务器端,VMware的ESX在裸机上运行;它成为领先的第一类(或本机)管理程序。
在客户端,VMwareWorkstation(VMware工作站)在现有桌面操作系统内运行;它是第二类(或托管)管理程序。
虚拟化技术,不只是针对开发人员或跨平台软件使用的技术;虚拟化是一个强大的技术。
它通过将服务器放在可替代的虚拟化容器中,提高效率和可管理性。
多年来,涌现出一些有趣的开源项目,包括Xen和QEMU(快速模拟器)。
这些都不像VMware那么快速和灵活;但是它们为我们指明了一条发展道路,并且奠定了基础。
大约在2005年,AMD和英特尔公司,开发了新的处理器扩展到x86架构,为特权指令提供了硬件辅助。
AMD和英特尔公司,分别将其称之为AMD-V和VT-x。
这些扩展改变了格局,最终将服务器虚拟化带到更多供应商。
不久后,Xen利用这些新的扩展,创建了硬件虚拟机(HVM)。
这种虚拟机使用QEMU的设备模拟,以及来自VT-x和AMD-V扩展的硬件辅助,来支持专有操作系统,例如微软Windows。
一家名为Qumranet的公司,也开始将虚拟化基础设施,增加到Linux内核,被称为基于内核的虚拟机(KVM);并开始使用QEMU设施来托管虚拟机。
微软最终也加入了这个领域,在2008年推出了Hyper-V。
链接:
裸机
裸机(Thebare),是指没有配置操作系统和其他软件的电子计算机,又指没有加入通讯网的手机、寻呼机。
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Xen
Xen是一个开放源代码虚拟机监视器,由剑桥大学开发。
它打算在单个计算机上运行多达100个满特征的操作系统。
操作系统必须进行显式地修改(“移植”)以在Xen上运行(但是提供对用户应用的兼容性)。
这使得Xen无需特殊硬件支持,就能达到高性能的虚拟化。
链接:
QEMU
QEMU是虚拟操作系统模拟器,用于模拟操作系统。
QEMU是一套由法布里斯·贝拉(FabriceBellard)所编写的以GPL许可证分发源码的模拟处理器,是一套由FabriceBellard所编写的模拟处理器的自由软件。
链接:
KVM
KVM是Keyboard、Video、Mouse(键盘、视频、鼠标)的缩写。
KVM交换机通过直接连接键盘、视频和鼠标(KVM)端口,让您能够访问和控制计算机。
KVM技术无需目标服务器修改软件。
这就意味着可以在Windows的BIOS环境下,随时访问目标计算机。
KVM提供真正的主板级别访问,并支持多平台服务器和串行设备。
KVM技术已经从最初的基础SOHO办公型,发展成为企业IT基础机房设施管理系统。
可以从KVM客户端管理软件轻松直接访问位于多个远程位置的服务器和设备。
KVMoverIP解决方案具备完善的多地点故障转移功能、符合新服务器管理标准(IPMI)的直接界面,以及将本地存储媒体映射至远程位置的功能。
链接:
BIOS
BIOS(BasicInputOutputSystem,基本输入输出系统),其实,它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序。
它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序;它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。
其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
当今,此系统已成为一些病毒木马的目标。
一旦此系统被破坏,其后果不堪设想。
链接:
Hyper-V
Hyper-V是微软的一款虚拟化产品,是微软第一个采用类似Vmware和Citrix开源Xen一样的基于Hypervisor(虚拟机监控程序)的技术。
这也意味着微软会更加直接地与市场先行者VMware展开竞争,但竞争的方式会有所不同。
Hyper-V是微软提出的一种系统管理程序虚拟化技术,能够实现桌面虚拟化。
3、一个新行业诞生
当虚拟化最终变得“自由”,或者至少不需要昂贵的许可费用就可以访问,我们开始看到新用例的出现。
具体来说,亚马逊开始使用Xen平台,来出租其多余的计算能力给第三方客户。
通过其API,他们拉开了弹性云计算革命的序幕。
这意味着,应用程序自身,可以自我配置资源来满足你的工作负载。
现在,开源虚拟机管理程序已经日趋成熟,并且在云计算中普及。
除了VMware之外,企业开始尝试使用KVM或Xen管理程序的架构。
这些尝试,并不是关于控制成本,更多地是关于利用云计算的弹性本质,以及这些开源替代品正在构建的标准。
4、未来:
高性能弹性基础设施
通过虚拟机管理程序的商品化,创新现在正专注于私有/公共云硬件架构以及围绕它们的软件生态系统:
存储架构、软件定义网络、智能化和自主编排,以及应用程序API。
传统服务器,已经慢慢让位给弹性的自定义云计算应用程序。
这些程序,才是计算的未来,虽然在一段时间内这两者会共存。
5、IT部门对虚拟化商品化的反应
展望未来,IT部门对虚拟化商品化作出的反应可以分为以下几类:
⑴、现状
现状,改变是很难的。
一些企业会习惯于他们已经使用多年的解决方案。
这意味着,他们需要面对已经使用20~25年之久的存储和管理架构。
这还意味着,继续支付管理程序许可费用,锁定在专门针对传统应用程序的虚拟化平台;并且无法支持企业内部的弹性云计算应用程序。
⑵、公共云
公共云,移除了管理你自己的基础设施的负担。
然而,公共云可能不是运行传统服务器应用程序的最佳位置。
因为,这些程序需要专门的资源和增强的安全性。
此外,虽然公共云资源最初具有成本效益,但扩展规模的成本会让内部资本投资看起来更具吸引力。
⑶、云框架
①、超级融合基础设施
云框架,包括工具包选项,例如OpenStack。
这是针对云计算的优秀的开源框架。
Rackspace等公司,让它可以扩展。
然而,很少有IT公司能够真正构建和管理OpenStack部署。
超级融合基础设施:
Nimboxx等公司,正在提供交钥匙解决方案。
这些方案提供与框架和工作流程相同的弹性云优势,以在单一模块化设备中支持传统应用程序。
这些数据中心一体机,允许公司从小规模开始,并逐渐向外扩展。
它们还可以作为传统应用程序和弹性云应用程序之间的桥梁。
②、堆栈所有者和堆栈依赖者的重要区别
当考虑超级融合基础设施解决方案时,企业必须弄清楚“堆栈所有者”和“堆栈依赖者”之间的重要区别。
堆栈依赖者,是指在虚拟机中运行以及位于另一个供应商的管理程序之上的解决方案。
堆栈所有者,是指在裸机中运行并自己构建整个堆栈的供应商。
链接:
堆栈
在计算机领域,堆栈(Stack)是一个不容忽视的概念,堆栈是两种数据结构。
堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构,只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
在单片机应用中,堆栈是个特殊的存储区,主要功能是暂时存放数据和地址,通常用来保护断点和现场。
要点:
堆,队列优先,先进先出。
栈,先进后出(First-In/Last-Out)。
③、这些差异带来的影响:
A、许可费用
堆栈所有者,使用主要云服务提供商相同的开源管理程序(KVM或者Xen),企业无需支付昂贵的软件许可费用。
而堆栈依赖者,通常为多个管理程序提供支持,而对开源版本只有有限的支持。
B、性能
堆栈所有者,在裸机上运行;让他们能够对存储和计算的硬件资源进行直接控制。
堆栈依赖者,在虚拟机中运行;这意味着每个I/O操作遵循低效率路径。
堆栈依赖者宣称,从三个节点提供16000IOPS。
而堆栈所有者,可以从单个节点提供18万IOPS。
C、简单性
堆栈所有者,从单一窗格管理整个终端到终端基础设施,在私有企业内部解决方案中提供公共云的体验。
而堆栈依赖者,减轻了一些存储管理复杂性;但总体而言,系统和虚拟机管理仍然需要从多个界面的多个应用程序进行管理。
D、安全性
堆栈所有者,对硬件的各个方面有着直接控制权;并可以支持静态数据加密等技术。
堆栈依赖者,缺乏这种控制,因为它们运行在虚拟机内。
其设计中的固有因素,是在堆栈启动前需要其他东西,例如管理程序。
这阻碍了它们包含数据集敏感部分的能力。
E、软件定义
堆栈所有者,拥有一切。
这意味着,软件定义任何事物都是可能的,包括实时自我学习系统;可以根据需求提高或减少资源,以及重新分配工作负载。
堆栈依赖者,只是拥有存储池。
真正的突破在于,让这些复杂的技术可供企业使用,以及小型企业。
下一代类似VMware的公司,将会是在简单的、易于部署、易于扩展和高性能产品中,提供真正弹性私有云的优势;同时支持传统
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