【弹性计算】虚拟机云服务器

“计算” 位居弹性计算的三大件之首，也是弹性计算的主题词。在公共云上，计算产品不仅有既基础又重要的 虚拟机云服务器，而且包含了近年来为了满足用户的多样化需求而开发出来的 裸金属服务器、异构计算云服务器、超级计算集群、容器服务、函数计算 等丰富的产品。这些产品面向不同的用户场景，在功能上各有千秋，但 本质上都是对计算力的包装。

支持这些计算产品背后的基础技术是 计算虚拟化。它把物理设备的能力转变为可灵活切分的逻辑分片，使得云服务提供商能够把大规模的物理机计算资源池进行整合和切割，虚拟出彼此隔离的计算实例，保证一个用户的计算资源不会被另一个用户干扰，一个用户的数据不能被另一个用户访问。针对不同设备、处于不同抽象级别的虚拟化技术，可以实现不同的产品形态。但只有 虚拟化技术 不足以构建一款完整的计算产品，通常还需要搭配 调度技术，以实现计算资源的动态分配和高效利用，并通过计算实例的 迁移技术 进一步优化资源利用率、提高实例的可运维性，给用户提供弹性、高性能、高可靠的计算服务。

1.云计算技术概述

虚拟化技术诞生于 1974 年，当时就清楚地定义出 Hypervisor 的功能，以及高效的虚拟化计算体系架构的设计原则。随后在 Intel 等芯片和系统厂商的产品中，虚拟化技术快速发展并不断演进。1998 年成立的 VMWare 公司在 20 多年的发展中成为赢利最好的以虚拟化技术为核心的公司。

但是虚拟化技术成为云计算基础技术，还是在 2008 年之后的事。其根本原因是包括 AWS 和阿里云在内的多个云服务提供商证明了云计算是可行并且赢利丰厚的业务。商业模式的成功反过来推动了虚拟化技术的快速发展，再加上要做到弹性资源管理、多租户弹性部署和安全隔离。软件虚拟化方案 Xen 和 KVM 相继成熟；近年更有神龙（阿里云）和 Nitro（AWS）等硬件虚拟化技术快速发展；在云原生计算方面基于 Kubernetes 的容器服务则成为主流。

这里需要强调的是，弹性 对于云计算非常重要。在云计算兴起之前，硬件的自行采购和 IDC 机房租用是主流的 IT 基础设施构建方式。网络、服务器、IDC 硬件和基础软件、应用软件相关的采购和适配，以及后期的运维都是用户的极大负担。一旦IT 基础设施部署投入生产，就很难改动和升级。而基于虚拟化的云计算可以提供用户需要的弹性：支持按需付费、弹性扩容、动态快速升级和迁移、智能可靠性保障。用户可以专注于业务，从弹性计算中得到巨大的实质收益。

虚拟化技术对计算资源进行了封装和管理。在基于通用 CPU 计算平台的物理机上，常见的形态有虚拟机和容器，我们一般称之为实例。云计算的核心是解决 CPU、内存和 I/O 的高效虚拟化方法、容器的隔离和编排，以及升级、迁移等问题。随着人工智能的发展，GPU、FPGA 等资源也逐渐可以被这些实例高效访问，甚至这些资源本身也能够被虚拟化，成为可以提供给多租户使用的实例。由于 GPU、FPGA 等异构计算资源使用的场景比较有针对性，所以软件、硬件支持的虚拟化技术相对于通用 CPU 更多地体现了业务和用户的需求。

在对硬件虚拟化时，为了给用户提供更多样、更方便、更高效、更安全的计算服务，有两个重要方向。

• 其一，在用户一侧，云服务提供商提供垂直型的计算服务或者某种辅助，比如函数计算服务（用户不必管理复杂的虚拟化实例）、超算服务（针对用户的超算型业务，从架构到软件提供高效的框架并优化）、异构计算开发和部署优化等增值服务（比如给开发者提供基于云的 FPGA，或者提供面向用户人工智能应用的优化服务）。
• 其二，在云服务提供商一侧，通过软件和硬件协同设计优化整体性能，并且提供物理 IT 资源无法提供的服务（比如弹性裸金属，兼具物理机的性能和虚拟机的弹性），同时通过把不同功能的计算组件解耦（比如计算和存储分离、OverLay 和 UnderLay 网络分离）来实现更高的资源使用效率，并且提高独立演进和优化的效率。

近年，云进入繁荣期，计算作为 IaaS 层的基础服务，其本身非常重要，同时是很多其他业务的入口（如存储和 VPC 等 IaaS 业务，以及 PaaS、SaaS 业务），因此，计算技术是很好的突破点。

2.虚拟机云服务器

虚拟机云服务器是弹性计算家族中最早出现的一款产品，时至今日，市场占有率仍然很高，适用面广、形态灵活、管理方便、技术成熟，是当今云计算的基础。

2.1 功能特点

虚拟机云服务器相比传统物理服务器最大的特点，就是用户不必再运维和管理底层的，如服务器、交换机、路由器、BGP、专线、机房、电力、制冷等物理基础设备、设施、环境，而可以将所有精力聚焦在上层的应用环境和虚拟设备的配置、管理和使用上。除此之外，“虚拟化”带来的一系列的新功能，更能给用户带来无与伦比的全新体验。

• 首先，虚拟机云服务器具备分钟级的交付效率，不仅可以按需交付，而且极大地缩短了应用上线周期，还有多种适合短周期业务和长周期业务的购买方式，兼顾业务灵活性和成本经济性。

• 第二，虚拟机云服务器的配置规格极其丰富，不仅可以瞬间完成升配或者降配，并且配置的可调整范围大。比如可以从 1 个 vCPU 的配置，瞬间调整为 104 个 vCPU；也可以将普通的云服务器升级为异构计算云服务器，增加一块或多块 GPU 计算卡或者 FPGA 计算卡；可灵活快速地在线热完成增减磁盘和网卡数量，以及调整带宽这样的操作，实现了极大的成本节约和业务可扩展。

• 第三，虚拟机云服务器支持热迁移，可以在用户系统几乎无感知的情况下将一台虚拟机从一台物理服务器迁移到另外一台物理服务器。云服务提供商在做硬件升级、软件迭代、硬件故障处理等运维操作时，都可以对虚拟机云服务器进行热迁移，不需要用户停机配合维护。这在传统 IDC 的服务器托管模式下是无法实现的。热迁移是虚拟机云服务器的核心优势之一，阿里云也在这方面做了很多的优化，并持续给用户提供更好的热迁移体验。

• 第四，日新月异的产品服务。我们都记得当苹果公司的第 1 款 iPhone 手机上市时，人们惊奇地发现原来手机买回来后其功能可以持续扩展；特斯拉公司的 Model 系列电动轿车上市后，车辆购买者也首次发现原来可以随着时间推移而不停更新升级一辆轿车的功能。每一次升级都给用户带来了惊喜。云计算相对于传统 IT 基础设施的一个巨大提升就是它的可扩展性和新功能的持续迭代，用户使用云服务器后可轻松地融合集成弹性块存储、RDS、EMR、E-HPC 等基础和 PaaS 类产品，来持续地提升系统和数据能力。另外，用户今天看到的可用服务与 12 个月之前看到的迥异。即便是云服务器这一服务本身的新功能发布也在以天为单位持续进行着。以阿里云为例，每天研发团队都会发布新版本来持续增强产品的功能、易用性、健壮性。而这在传统的 IT 基础设施用户眼里是不可思议的，传统的一次性购买交付后的系统，每一次更新的复杂度和挑战都极其巨大，并且伴随着不菲的费用。

• 第五，全 API 管理。通过 Open API 可以完全操控云服务器，包括开机、关机、设备热插拔、资源配置属性修改等。对于有开发能力的用户来说，重新定义一套适合自身业务的更高效的管理控制台是十分容易的；对于 DevOps 用户来说，全链路地融合企业内部的产品开发、测试、发布流程，云计算资源的创建使用也十分方便。企业效率的提升就是竞争力的提升。

• 最后，稳定 “质” 的飞跃。鉴于虚拟云服务器的产品服务交付特性，其底层资源的大规模运维交给了云服务厂商，云服务厂商和用户之间以 SLA 的方式保障服务稳定性。以阿里云为例，单 ECS 实例的服务可用性保障已经提升到 $99.975\%$，以单地域多可用区部署的 ECS 实例的服务可用性保障更是高达 $99.995\%$。这种稳定性的保障能力相比传统 IT 的资源部署使用方式，是另外一个巨大的提升。

2.2 适用场景

虚拟机云服务器是一款普适产品，能做绝大多数 x86 物理服务器能做的事情。正如物理服务器针对不同的需求会有不同的配置，虚拟机也为不同的主流场景提供了各类专门优化的实例规格族，这些场景包括：

• 通用计算场景：面向日常的需求，例如应用服务器、中小型数据库、Web 服务器、开发环境等；
• 计算密集场景：科学计算、高性能前端机、对战类游戏、机器学习、视频编解码等；
• 内存 “饥渴” 场景：缓存、内存数据库、SAP HANA 等；
• 高 I/O 场景：关系型数据库、NoSQL 数据库、数据仓库等；
• 大数据分析场景：MapReduce 分布式计算如 Hadoop、Spark 等，还有分布式文件系统、日志和数据处理等。

阿里云的虚拟机云服务器既可以作为 Web 服务器或者应用服务器单独使用，又可以与其他服务器一起工作，提供更丰富的解决方案，举例如下。

• 企业官网或轻量的 Web 应用：当网站初始阶段访问量小时，一台低配置的入门级 ECS T 规格族虚拟机即可运行 Apache 或 Nginx 等 Web 应用程序、数据库，以及存储文件。
• 访问量波动剧烈的应用或网站：某些应用（如抢红包应用、优惠券发放应用）、电商网站和票务网站等的访问量可能会在短时间内产生巨大的波动。在这些场景中，独享型的 C 规格族或者 G 规格族虚拟机，配合负载均衡 SLB 和弹性伸缩，可自动化实现在访问量高峰来临前增加 ECS 实例，在进入访问量低谷时减少 ECS 实例，满足了访问量达到峰值时对资源的需求，同时能降低成本，并提升应用的可用性。
• 多媒体应用或网站：搭配使用独享型的虚拟机与对象存储 OSS，OSS 承载静态图片、视频或者下载包，进而降低存储费用，同时配合内容分发网络 CDN 和负载均衡 SLB，可大幅减少用户访问等待时间、降低网络带宽费用和提高可用性。
• 高并发游戏服务器：很多华丽精彩的大型在线游戏需要在服务端进行大量密集的计算，此时可以使用高主频型的 HFC 或 HFG 规格族虚拟机。它们配备了高主频的 CPU，能为游戏引擎提供强大的计算力。
• 高 I/O 要求数据库：为支持承载高 I/O 要求数据库，如 OLTP 类型数据库和 NoSQL 类型数据库，可以使用较高配置的 G 规格族或者 R 规格族虚拟机，并配合高性能的 ESSD 云盘，或者使用带本地 SSD 盘的 I 规格族虚拟机，实现高 I/O 并发响应。云盘有更好的可靠性和灵活性，本地盘则有更低的时延，两个方案各有优劣。
• 大数据实时在线或离线分析：对于 Hadoop 分布式计算、日志处理和大型数据仓库等业务场景，可以使用大数据 D 规格族虚拟机。它采用了本地 HDD 硬盘，可以提供海量的存储空间和优异的存储性能。