周健

摘要：隨著社會發(fā)展，計算機技術(shù)不斷發(fā)展變化，在高效能計算機領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能、系統(tǒng)安全性等形成更高標(biāo)準(zhǔn)。虛擬化技術(shù)是隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展所產(chǎn)生的衍生技術(shù)，具有良好的安全性及配置靈活等特性，在計算機系統(tǒng)安全領(lǐng)域做出不菲成績，產(chǎn)生深遠影響。然而，當(dāng)下虛擬化技術(shù)是基于傳統(tǒng)計算機發(fā)展所開發(fā)的技術(shù)，對高效能計算機系統(tǒng)的適配度達不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在實用性上還略顯不足。因此，旨在研究高效能計算機系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)，以期為高效能計算機系統(tǒng)發(fā)展提供相關(guān)借鑒經(jīng)驗，推動高效能計算機更好發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高效能計算機；虛擬化技術(shù)；操作系統(tǒng)

一、前言

虛擬化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的計算機系統(tǒng)領(lǐng)域，對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。在行業(yè)發(fā)展中，虛擬化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于安全管理、服務(wù)整合等方面，極大程度上加強計算機系統(tǒng)運行效率和產(chǎn)出效率，完善傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)運行中存在的弊端，利用其共享存儲的多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來提高計算機系統(tǒng)性能，保證計算機系統(tǒng)完美運行。在高效能計算機系統(tǒng)領(lǐng)域，虛擬化技術(shù)正向高產(chǎn)出率方面覆蓋，通過計算機技術(shù)全面降低虛擬化技術(shù)的使用難度和提高服務(wù)質(zhì)量，加強計算機系統(tǒng)可靠性。當(dāng)下，高效能計算機已經(jīng)從低產(chǎn)出率向著高產(chǎn)出率轉(zhuǎn)變，依靠HPCS項目發(fā)展出高效率性、高安全性等方面內(nèi)容。傳統(tǒng)高效能計算機采取共享服務(wù)模式，用戶基數(shù)和用戶基礎(chǔ)處于同一操作環(huán)境，使得系統(tǒng)運行時資源占用率不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)運行緩慢，而虛擬化技術(shù)的應(yīng)用就是將高效能計算機系統(tǒng)進行分流，以系統(tǒng)為基礎(chǔ)，虛擬化技術(shù)為方法進行計算機操作系統(tǒng)優(yōu)化，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)性能上的提高，同時保證易用性和安全性。

二、虛擬化技術(shù)概述

（一）虛擬化技術(shù)定義

虛擬化技術(shù)是一種基于資源管理所開發(fā)出的計算機技術(shù)，運用虛擬化技術(shù)可將一臺計算機邏輯運算能力進行并聯(lián)，虛擬出多臺計算機邏輯運算能力，全面加強計算機運算效率和運算質(zhì)量，這樣能夠從技術(shù)層面打破計算機運算在物理層面的限制，提高計算機應(yīng)用效率。利用虛擬化技術(shù)能讓單一計算機系統(tǒng)操作實現(xiàn)多個操作系統(tǒng)效果，多個系統(tǒng)之間保持并聯(lián)，在運行各程序時相互獨立，互不干擾。但在計算機運行時，虛擬化技術(shù)需要專業(yè)裝置進行支撐，如果沒有相關(guān)裝置就必須利用監(jiān)管程序進行替代，以此保證虛擬化技術(shù)順利運行，利用相關(guān)操作系統(tǒng)支撐實現(xiàn)虛擬化技術(shù)，是當(dāng)下虛擬化技術(shù)在計算機系統(tǒng)中的關(guān)鍵。

（二）虛擬化技術(shù)類型

虛擬化技術(shù)主要包含四種類型，即：網(wǎng)絡(luò)虛擬化、CPU虛擬化、服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的誕生是基于用戶能更好應(yīng)用計算機的需求，對網(wǎng)絡(luò)連接實行虛擬化處理，保證用戶能夠通過遠程訪問的方式實現(xiàn)對計算機的操控。CPU虛擬化是以CPU為核心實現(xiàn)的虛擬化技術(shù)，將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于CPU運行時，可以模擬多個CPU并行的運行模式，全面加強運行效率[1]。服務(wù)器虛擬化是指對計算機運行資源進行綜合排序、合理應(yīng)用，準(zhǔn)確實現(xiàn)對計算機運行資源的分配，延長服務(wù)器使用壽命。桌面虛擬化就是將網(wǎng)絡(luò)地址和橋接運作等內(nèi)容進行虛擬化，利用虛擬服務(wù)器實現(xiàn)橋接運作，將各區(qū)域數(shù)據(jù)信息進行分離，保證數(shù)據(jù)安全性。

三、對接高效能計算機系統(tǒng)的虛擬化技術(shù)

（一）服務(wù)結(jié)點虛擬計算域技術(shù)

這一操作技術(shù)主要是利用系統(tǒng)虛擬化技術(shù)完成對多種計算機系統(tǒng)的操作，運用服務(wù)結(jié)點虛擬計算域技術(shù)能夠有效將計算機操作系統(tǒng)進行虛擬化處理，以此分離出多個虛擬操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)計算機多點操作情況，全面彌補共享技術(shù)存在的瑕疵。以虛擬化技術(shù)為核心對操作系統(tǒng)進行分離，能滿足用戶不同的使用情況，降低用戶使用壓力，合理優(yōu)化計算機系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)運行更方便、更高效。服務(wù)結(jié)點虛擬計算域技術(shù)能夠有效虛擬出滿足用戶需求的使用環(huán)境，并讓其保持獨立狀態(tài)，避免出現(xiàn)用戶間相互干擾的情況。作為服務(wù)結(jié)點虛擬計算域技術(shù)的衍生技術(shù)，雙分區(qū)單影像優(yōu)化技術(shù)可以完美適配系統(tǒng)運行情況，滿足系統(tǒng)運行需要?；诖朔N技術(shù)手段的誕生，高效能計算機系統(tǒng)在操作上實現(xiàn)全面發(fā)展，對機密數(shù)據(jù)和重要資料能夠有效保護，保證計算機操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

（二）計算節(jié)點高性能計算域

計算節(jié)點高性能計算域是對應(yīng)用戶操作所產(chǎn)生的虛擬化技術(shù)，針對用戶操作方式方法來完成系統(tǒng)任務(wù)遞交，利用計算節(jié)點實現(xiàn)對系統(tǒng)的任務(wù)處理，在處理過程中使用科學(xué)計算方法完成系統(tǒng)任務(wù)。在傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)處理方式中，需要搭建一個完善的OpenVG環(huán)境，在構(gòu)建系統(tǒng)操作環(huán)境時會大量占用系統(tǒng)應(yīng)用資源，擠占其余系統(tǒng)任務(wù)運行空間，利用計算節(jié)點高性能計算域能夠有效降低計算機系統(tǒng)資源占用，將計算資源進行虛擬化處理能夠解放計算機系統(tǒng)資源，讓系統(tǒng)任務(wù)在虛擬化網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)運行，在保證數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)運行效率，提高計算機性能。在實際應(yīng)用上，虛擬域技術(shù)可以在計算機文件路徑上進行轉(zhuǎn)換，提高虛擬化技術(shù)實踐應(yīng)用效率，依托不同使用環(huán)境完成對系統(tǒng)任務(wù)的運行后，將不同信息數(shù)據(jù)輸入到不同用戶路徑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效防控，提高計算節(jié)點高性能計算域使用效率，依靠服務(wù)結(jié)點和計算節(jié)點的對接保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

（三）面向虛擬域的作業(yè)管理

虛擬域的作業(yè)管理是對用戶作業(yè)加載過程所產(chǎn)生的虛擬化技術(shù)，能夠有效實現(xiàn)對用戶作業(yè)加載過程中的合理掌控，實現(xiàn)對用戶作業(yè)管理上的應(yīng)用。在全面推廣虛擬域作業(yè)管理技術(shù)后，用戶在任務(wù)規(guī)模建立時就能夠合理分配計算機系統(tǒng)資源，利用不同任務(wù)規(guī)模對接計算機系統(tǒng)資源運用，并將服務(wù)結(jié)點虛擬計算域和計算節(jié)點高性能計算域進行串聯(lián)，以虛擬域作業(yè)管理運行模式保證兩者之間的正向鏈接，通過合理加載路徑搭建出完成資源運行環(huán)境，充分考慮計算機系統(tǒng)資源運行中的數(shù)據(jù)變量，完成用戶系統(tǒng)作業(yè)和系統(tǒng)任務(wù)[2]。在具體運行過程中，應(yīng)利用虛擬域作業(yè)管理運行模式將數(shù)據(jù)進行節(jié)點分析，依照計算節(jié)點的便捷性來對用戶作業(yè)和任務(wù)進行有效管理，利用簡潔運算方法完成用戶系統(tǒng)作業(yè)并保證數(shù)據(jù)在傳輸和計算上具備絕對安全性，將任務(wù)運行路徑和虛擬環(huán)境變量進行充分融合，以此實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)傳輸，避免用戶作業(yè)在傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞等情況，保證虛擬域作業(yè)管理技術(shù)的可靠性。

四、高效能計算機系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

（一）提高系統(tǒng)安全性

在計算機系統(tǒng)的運行過程中，安全和穩(wěn)定是首要因素。在高效能計算機系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬化技術(shù)能夠有效保證計算機運行中的安全性。依托虛擬化技術(shù)沒有物理設(shè)備和地點方面的限制，使用虛擬化技術(shù)能將計算機系統(tǒng)進行分化處理，讓用戶在同一系統(tǒng)上實現(xiàn)不同系統(tǒng)的運行，通過模擬的方法來實現(xiàn)多系統(tǒng)并行。如此一來就能準(zhǔn)確優(yōu)化高效能計算機系統(tǒng)的運行環(huán)境，將計算機系統(tǒng)資源進行集中化管理，利用虛擬化技術(shù)提高系統(tǒng)安全性。同時，還能降低系統(tǒng)維護成本，幫助用戶簡化系統(tǒng)操作步驟，加強系統(tǒng)運行效率，全面提高系統(tǒng)安全性。

（二）降低能源消耗性

計算機系統(tǒng)在運行過程中會極大程度提高能源消耗，高效能計算機更是如此。在高效能計算機系統(tǒng)運行時使用虛擬化技術(shù)能夠有效降低傳統(tǒng)計算機物理設(shè)備的性能消耗，延長計算機設(shè)備的使用壽命，以此達成降低能源消耗的目的。在傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)運行時，需要利用大量計算機進行數(shù)據(jù)演算和分析，會消耗大量電能，大大增加運營成本。但在高效能計算機系統(tǒng)運行時使用虛擬化技術(shù)，能將能源消耗降到最低，利用虛擬化技術(shù)的便捷性實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的虛擬演算和虛擬分析，在提高整體計算機系統(tǒng)運行效率的同時降低能源消耗，這樣不僅能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定，還能優(yōu)化計算機系統(tǒng)運行路徑。

（三）保證集中管理性

在傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)運行時，只能利用單一物理設(shè)備進行數(shù)據(jù)演算和數(shù)據(jù)分析，這樣大大降低了計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力，限制計算機功能的應(yīng)用，縮減整體計算機利用空間。在高效能計算機系統(tǒng)運行中使用虛擬化技術(shù)，能夠有效加強計算機資源集中管理性，讓用戶在實際操作時通過一臺計算機系統(tǒng)模擬出多種不同系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)演算，大大提高了運行效率，在降低用戶對物理計算機設(shè)備的依賴性的同時利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)對計算機資源合理分配，消減操作任務(wù)在計算機系統(tǒng)運行時的無關(guān)程序，在滿足用戶對計算機運算速率需求的基礎(chǔ)上，完成計算機資源集中化管理[3]。

五、高效能計算機系統(tǒng)虛擬化技術(shù)應(yīng)用情況

（一）虛擬化技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在學(xué)校發(fā)展過程中發(fā)揮著不可磨滅的作用。比如：在高校發(fā)展過程中，利用虛擬化技術(shù)可以促進教學(xué)手段多元化，幫助教師將課堂教學(xué)方法進行網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)化，全面利用學(xué)校豐富的教學(xué)資源實現(xiàn)教學(xué)目的，營造出良好教學(xué)環(huán)境，推動學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)展。深入挖掘虛擬化技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用還能有效培養(yǎng)學(xué)生對虛擬化技術(shù)的應(yīng)用能力，利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)設(shè)備更新。比如：學(xué)?？梢岳靡蕴摂M化技術(shù)為核心打造校園平臺，讓學(xué)生隨時隨地能夠進行學(xué)習(xí)資料下載和瀏覽，打破時間和空間限制，讓學(xué)生能夠保持學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，推動學(xué)校教學(xué)任務(wù)發(fā)展。虛擬化技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用可以分為桌面虛擬現(xiàn)實和分布式虛擬現(xiàn)實，是現(xiàn)代教育體系發(fā)展的重要推手?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)課件制作、開設(shè)網(wǎng)絡(luò)實驗課與構(gòu)建虛擬教室。三維網(wǎng)絡(luò)課件制作是基于HTML網(wǎng)絡(luò)課件進行優(yōu)化創(chuàng)新，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成技術(shù)突破，實現(xiàn)二維教學(xué)課件向三維課件的轉(zhuǎn)變。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將文字、聲音和視頻等教學(xué)相關(guān)內(nèi)容進行整合，全面補足二維課件的短板與不足，激發(fā)學(xué)生主觀能動性，提高整體學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。網(wǎng)絡(luò)實驗課程是依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗，真正做到打破時間與空間的桎梏，引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)中完成各種實驗操作，在降低整體實驗危險的基礎(chǔ)上加強學(xué)生操作性。虛擬教室是以分布式虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬真實教學(xué)環(huán)境，保證學(xué)生按時完成不同知識的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)不同空間的答疑活動，加強師生互動性。

（二）虛擬化技術(shù)在云存儲中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的全面發(fā)展，云存儲技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下各行各業(yè)發(fā)展所必不可少的應(yīng)用手段。由于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，數(shù)據(jù)增長呈爆炸性趨勢，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲手段雖然能保證數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性，但對于日常數(shù)據(jù)的應(yīng)用不具備便捷性，數(shù)據(jù)存儲成本較高。因此，云存儲技術(shù)的誕生完美解決了這一問題，利用云存儲技術(shù)，用戶可以快速實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用，將文件數(shù)據(jù)進行分門別類地上傳，同時利用相關(guān)電子設(shè)備就能完成下載，大大加強數(shù)據(jù)應(yīng)用的便捷性。將虛擬化技術(shù)全面應(yīng)用于云存儲中，全面提高數(shù)據(jù)資源利用效率，以虛擬化技術(shù)為核心框架搭建云存儲功能，可以保證數(shù)據(jù)資源的軟件化和服務(wù)化發(fā)展，加強工作效率。云存儲技術(shù)的本質(zhì)可以看作云計算系統(tǒng)的重要組成部分，主要以數(shù)據(jù)存儲功能完成對虛擬化技術(shù)的融合，保證用戶可以在最短時間內(nèi)完成對數(shù)據(jù)的獲取與應(yīng)用，提高整體數(shù)據(jù)使用效率。在進行云存儲應(yīng)用時，用戶通?？梢圆扇∥募?、對象和分布式數(shù)據(jù)存儲的方式加強數(shù)據(jù)安全性，為后續(xù)業(yè)務(wù)開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，加強業(yè)務(wù)部署速度，優(yōu)化存儲成本。虛擬化技術(shù)在云存儲中的應(yīng)用就是構(gòu)建出一個共享數(shù)據(jù)存儲池，以標(biāo)準(zhǔn)化管理形式推動數(shù)據(jù)整合，預(yù)留出不同規(guī)制的接口以滿足不同品牌的存儲設(shè)備，最大限度地降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對底層存儲功能的依賴性。同時要積極優(yōu)化虛擬化技術(shù)在云存儲中的功能，保證核心技術(shù)架構(gòu)具備動態(tài)更新能力，以適應(yīng)不同版本的云存儲效果，滿足對數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理的軟件化、服務(wù)化發(fā)展。深度引導(dǎo)傳統(tǒng)存儲技術(shù)進行虛擬化轉(zhuǎn)變，加強整體業(yè)務(wù)調(diào)度性，搭建高性能云存儲系統(tǒng)。

（三）虛擬化技術(shù)在API服務(wù)的應(yīng)用

在虛擬化技術(shù)的實際應(yīng)用中，應(yīng)注重其實用性，而不應(yīng)將其看成戰(zhàn)術(shù)性技術(shù)工具。因此，要注重虛擬化技術(shù)在API服務(wù)中的應(yīng)用情況，實現(xiàn)虛擬化技術(shù)與API服務(wù)的全面對接，保證虛擬化技術(shù)下沉。比如：在打車系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬化技術(shù)，首先要構(gòu)建出完善的開放應(yīng)用平臺，以客戶端軟件和虛擬號碼為輔助手段實現(xiàn)虛擬化技術(shù)應(yīng)用?？蛻敉ㄟ^客戶端完成叫車服務(wù)，平臺根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生地點和運行路徑建立訂單并進行分派，為客戶或司機提供虛擬號碼，讓雙方實現(xiàn)交流，以此來保證客戶數(shù)據(jù)信息安全。在整條服務(wù)鏈上，依托虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)服務(wù)者和被服務(wù)者間的對接，提高數(shù)據(jù)利用效率的同時保障信息安全，全面提高用戶使用效率。以上海貝爾的NC API為例，主要通過運營商構(gòu)架開放平臺實現(xiàn)對虛擬化技術(shù)的全面使用，將其應(yīng)用于打車軟件中可以實現(xiàn)客戶隱私保護，確?？蛻粼谶M行叫車時利用虛擬號碼與司機進行實際聯(lián)系，最大限度減少客戶號碼泄露的情況發(fā)生。由于該虛擬號碼是虛擬化技術(shù)臨時開通的權(quán)限，在服務(wù)結(jié)束后就會對相關(guān)虛擬資源進行回收銷毀。將虛擬化技術(shù)應(yīng)用于API服務(wù)中，可以有效實現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)鏈上游與下游的串聯(lián)，實現(xiàn)多方共贏局面，既為服務(wù)提供商打開業(yè)務(wù)局面，也為運營商帶來一定效益，還能為使用者提供便利，可謂一舉多得。同時虛擬化技術(shù)在API服務(wù)中應(yīng)用還能降低整體服務(wù)資源投入，達成以小博大的發(fā)展方針，減少整體資源應(yīng)用，以技術(shù)手段取代資源使用效果，為傳統(tǒng)計算機架構(gòu)提供技術(shù)支撐。同時能夠充分開發(fā)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用范圍，全面引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。

（四）虛擬化技術(shù)在高效能計算中的應(yīng)用

高效能計算是高效能計算機的核心功能，主要應(yīng)用于HPC開發(fā)、Botnet研究等綜合實驗環(huán)境。因此，要重視高效能計算機的核心功能使用，將虛擬化技術(shù)融入高效能計算過程中，引導(dǎo)計算規(guī)模日益擴大。比如：在開發(fā)HPC過程中，可以依托虛擬化技術(shù)構(gòu)建符合系統(tǒng)軟件調(diào)試的計算環(huán)境，確保HPC硬件開發(fā)到應(yīng)用的流程掌控，既構(gòu)建支撐系統(tǒng)運行的硬件系統(tǒng)，又完成符合應(yīng)用需求的軟件體系。由于高效能計算需要結(jié)合多核處理器、并行管理系統(tǒng)等，所以將虛擬化技術(shù)融入其中可以有效降低整體使用條件，以模擬技術(shù)實現(xiàn)對高效能計算的創(chuàng)新優(yōu)化[4]。同時，虛擬化技術(shù)還能為虛擬制造提供技術(shù)支持，保證虛擬制造的相關(guān)數(shù)據(jù)與實際產(chǎn)品數(shù)據(jù)相吻合，以計算機技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計演練，優(yōu)化整體設(shè)計效率?；诟咝苡嬎阍谔摂M制造領(lǐng)域的關(guān)鍵性作用，在使用虛擬化技術(shù)時要重視應(yīng)用框架搭建，保證虛擬化技術(shù)在高效能計算中的整體性與專業(yè)性（見圖1）。

六、結(jié)語

綜上所述，隨著虛擬化技術(shù)越發(fā)成熟、完善，其對各行各業(yè)的影響也越加深遠，能夠全面輔助高效能計算機系統(tǒng)良好運行。在保證計算機系統(tǒng)資源合理利用和分配基礎(chǔ)上，全面加強計算機系統(tǒng)適配程度和運行效率。使高效能計算機系統(tǒng)在動態(tài)遷移領(lǐng)域和數(shù)據(jù)運算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面突破，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

參考文獻

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基金項目：2020年度首批國家級職業(yè)教育教師教學(xué)創(chuàng)新團隊重點課題“新時代高等職業(yè)院?！甒eb前端開發(fā)專業(yè)領(lǐng)域團隊教師教育教學(xué)改革創(chuàng)新與實踐”（課題編號：ZD2020030101）