什么是服务器虚拟化？

服务器虚拟化是现代企业 IT 的一项关键功能。例如，当您预订机票、观看现场音乐活动或远程访问公司应用程序时，这些体验背后所运行的应用程序通常托管在虚拟服务器上。该基础设施允许组织运行数千个工作负载，同时减少物理硬件的使用。

在传统的服务器环境中，组织会将一台物理服务器专门用于一个应用程序，从而导致服务器的利用率严重不足。服务器虚拟化可改变此状况。多个虚拟机 (VM) 共享一台物理服务器，而每台虚拟机都有自己的专用资源并与其他虚拟机相互隔离。如此，该基础设施的运行成本便更低、扩展速度更快、管理效率更高。

如今，服务器虚拟化已成为云计算与现代数据中心运营的基础。SkyQuest 的一项研究估计，到 2024 年，全球服务器虚拟化市场规模将达到 90 亿美元。该报告预计，到 2033 年，该数字将达到 139.6 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 则为 5.0%。¹

随着组织整合数据中心和管理混合多云环境，对虚拟化基础设施的需求也在不断增长。此外，虚拟化还可让组织灵活支持 人工智能 (AI) 工作负载，并满足跨区域管理基础设施的数据主权要求。

要理解服务器虚拟化，回顾用于支撑现代 IT 基础设施的几项相关技术会有所帮助：

• 虚拟化
• 容器
• Kubernetes
• 基于云的服务

虚拟化利用软件在物理硬件上创建抽象层，从而将单个服务器的资源（例如 CPU、内存、存储和网络）划分为多个虚拟机 (VM)。

每个虚拟机运行独立的操作系统，且表现得如同一台独立的服务器（尽管它们会共享相同的底层硬件）。

随着组织基础设施的现代化，容器与虚拟机一道出现并成为团队构建和部署应用程序的关键组成部分。

VM 可将硬件虚拟化，而容器则可将操作系统虚拟化，且仅打包应用程序及其依赖项，从而使其更轻量化、部署速度更快。

Kubernetes 已成为大规模编排容器、自动运行部署、扩展和管理的标准平台，且涵盖混合云与多云环境。

Kubernetes 通常会与微服务一起使用，而微服务允许组织将应用程序分解为更易于部署和管理的较小独立服务。

Amazon Web Services (AWS)、Google Cloud、Microsoft Azure 和 IBM Cloud 等云服务提供商通过基于虚拟化服务器构建的三种主要模型来提供基础设施和软件服务：

• 基础设施即服务 (IaaS) 提供虚拟化的计算、存储与网络资源，而组织可在自助服务的基础上配置和调配这些资源。例如，虚拟专用服务器 (VPS) 是一种常见的 IaaS 产品，它可为企业提供专用资源，而无需支付拥有物理硬件的成本。

• 平台即服务 (PaaS) 提供完整的按需云平台（例如，硬件、软件、基础设施），以用于开发、运行和管理应用程序。

• 软件即服务 (SaaS) 是应用最广泛的模式，它提供完全在云端运行的应用程序（例如 Zoom、Google Workspace）。

服务器虚拟化依赖各种组件协同工作来创建和管理虚拟环境：

• 裸机服务器：底层物理服务器硬件也称为裸机服务器，它提供所有虚拟服务器共享的资源。

• 虚拟机监控程序：虚拟机监控程序是直接安装在裸机服务器上的软件层，它负责管理资源分配并使每个虚拟机保持相互隔离。主流虚拟化平台包括 VMware vSphere (Broadcom)、Microsoft Hyper-V、IBM PowerVM、Red Hat KVM 和 Citrix。

• 虚拟机 (VM)：虚拟机是独立的虚拟环境，且能运行自己的操作系统和应用程序，就像在专用硬件上一样。

• 访客操作系统：同一物理主机上的虚拟机可运行不同的操作系统。例如，一台虚拟机可能会在同一裸机上运行 Windows Server，而另一台则运行 Linux。

• 虚拟网络接口：软件定义的网络 (SDN) 允许虚拟机相互通信，以及与外部网络进行通信。例如，某一零售公司可在同一台物理机上的不同虚拟机上运行其 Web 服务器、数据库和支付处理，且每个虚拟机都有自己的网络连接和安全策略。

在服务器虚拟化领域，没有单一的通用方法。正确的方法取决于工作负载要求、性能需求以及所需的隔离与资源管理级别。服务器虚拟化的部分主要类型如下：

• 完全虚拟化
• 半虚拟化
• OS 级虚拟化
• 硬件辅助虚拟化

完全虚拟化完全模拟底层硬件，从而允许来宾操作系统像在专用物理机上一样运行。虚拟机管理程序会处理来宾 OS 与硬件之间的所有交互。

在此情况下，几乎任何操作系统均能以来宾身份运行。此功能使得完全虚拟化成为企业环境中使用最广泛的方法。

通过半虚拟化，来宾 OS 被修改为直接与虚拟机管理程序通信，而非使用完整硬件仿真。此方法可降低资源使用率并提高性能，尤其是针对 I/O 密集型工作负载。

OS 级虚拟化并非创建单独的虚拟机，而是将单个操作系统分区为多个容器。这些容器可作为共享主机内核的隔离用户实例来运行，因此更为轻量化且调配速度快。

Docker 是此类服务器虚拟化最受欢迎的工具，它常用于微服务和 DevOps 环境中；而在此类场景中，应用程序会通过应用程序编程接口 (API) 进行通信。

硬件辅助虚拟化使用处理器扩展（例如 Intel VT-x 和 AMD-V）在硬件层面处理虚拟化任务，从而减少虚拟机管理程序的工作负载并提高整体性能。

此硬件整合方法使得现代处理器能更高效地支持虚拟化工作负载，尤其是针对 AI 和机器学习 (ML) 等计算密集型应用程序。企业平台（如 IBM PowerVM 和 VMware ESXi）采用硬件整合来为需要高可用性和性能的工作负载提供更快的虚拟化。

服务器虚拟化有时会与容器化相混淆。虽然这两种技术互有关联，但它们会采用不同方法来运行高效的工作负载。

• 服务器虚拟化 通过软件来重现整台计算机，而每个虚拟机均会在共享的物理硬件上运行独立的操作系统。

• 各容器会共享底层 OS 内核，并仅打包应用程序及其依赖项，因此体积更小、部署速度更快。

大多数组织会同时使用这两种技术，并使用在其中用于编排容器的 Kubernetes。

服务器虚拟化可同时提供运营与财务优点，具体包括以下主要优点：

• 资源优化：服务器虚拟化支持在单台机器上运行多个工作负载，以便组织充分利用其现有硬件。

• 成本效益：通过将工作负载整合到更少的物理服务器上，可节省硬件、能源、冷却和数据中心空间等方面的成本，从而减少资本支出和运营成本。

• 可扩展性：服务器虚拟化允许组织根据实际需求调整资源使用量，从而避免为偶尔激增的工作负载过度配置硬件所产生的成本。

• 提高工作效率：配置一台新的物理服务器可能需要几天或几周，而配置一个 VM 只需几分钟。虚拟环境的集中管理有助于 IT 团队更快地响应变化、按需启动环境并自动执行任务，从而更快地提供结果。

• 业务弹性：服务器虚拟化通过允许企业在物理主机间复制和迁移虚拟机且干扰最小，从而支持实现业务弹性。如果一台物理主机出现故障，VM 便会自动切换到另一台主机，而实时迁移功能则会在计划维护或意外故障期间保持应用程序的连续运行。

• 可持续发展：服务器整合可减少硬件制造需求，并降低散热需求。对于做出可持续发展承诺或有环境、社会和治理报告要求的组织，此转变可减少数据中心的能耗和环境影响。

• 增强安全性：服务器虚拟化可在工作负载之间实现隔离。例如，一个 VM 中出现的安全事件不会自动影响同一主机上的其他 VM。组织可在 VM 层面应用数据安全策略，并通过监控在网络中标记异常活动。

服务器虚拟化提供广泛的企业用例，其范围涵盖从日常 IT 运营到更复杂的基础设施战略：

• 备份与灾难恢复 (BDR)
• DevOps 与测试环境
• 桌面虚拟化
• 云迁移
• 高性能计算
• 数字主权

AI 正在改变组织对服务器虚拟化的依赖方式。随着企业从 AI 试点转向全面生产，虚拟化服务器面临更高的需求，而此类需求涉及更多的工作负载、更高的资源使用量与处理能力需求，以及更低的停机时间容忍度。

现代虚拟化数据中心越来越多地使用 AI 来更有效地管理服务器资源。组织无需依赖手动配置，便可实时监控 CPU 使用率、内存消耗、存储瓶颈和 VM 蔓延，以便随着条件变化重新平衡工作负载。预测性容量规划则使此方法更进一步，它可在需求达到峰值之前预测需求，而不是事后做出反应。

AI 还影响着服务器虚拟化的安全性。通过持续监控 VM 之间的流量并分析行为模式，组织可比传统基于规则的工具更早识别威胁并更快做出响应。

对于管理敏感 AI 工作负载 的组织，服务器虚拟化可通过将工作负载保留在组织控制的基础设施上，来支持实现 AI 主权。