云兴霞蔚系列之云基础软件：虚拟化与容器“谁

在虚拟化技术的底层，存在一个典型的组合——KVM-QEMU。KVM是Linux内核中的一个模块，能够将Linux内核转变为Hypervisor，实现虚拟化。而QEMU则是一套可以模拟处理器的开源软件，能够模拟出CPU、IO设备等整台计算机。由于KVM位于内核空间，用户无法直接控制，因此开发者选择了成熟的QEMU技术，通过用户空间的管理工具与其进行交互。KVM和QEMU相互辅助，共同构成了虚拟化技术的核心。KVM主要负责提供内核接口，以实现对CPU、内存的虚拟化支持；而QEMU则负责模拟IO设备，管理各种虚拟设备的创建和调用。

在虚拟化技术的探索中，出现了多种不同的技术路线，其中全虚拟化与半虚拟化是两种主要的技术路线。虚拟化技术的核心是解决客户操作系统（Guest OS）发出的特权指令执行和对宿主机硬件资源的调用问题。全虚拟化与半虚拟化的主要区别在于是否需要对Guest OS的内核进行修改。全虚拟化无需对Guest OS进行特殊配置，具有较好的兼容性和部署灵活性；而半虚拟化则通过修改客户机操作系统内核来共享宿主底层硬件，以实现更高的性能。这两种技术都面临着各自的挑战和限制。为了进一步提升虚机的性能，硬件辅助虚拟化技术应运而生。通过硬件技术的辅助，虚机性能可以接近物理机的性能。主要的硬件辅助虚拟化技术包括Intel的VT-x和AMD的AMD-V等。这些技术广泛应用于全虚拟化和半虚拟化产品，包括KVM、VMware vSphere、Xen以及Oracle VirtualBox等。

除了上述的虚拟机技术外，容器技术也是操作系统虚拟化的一种重要实现方式。容器技术旨在提供一个独立的运行环境给应用程序运行，包含应用和其所有的依赖包（类/库）。容器与虚拟机类似，都能为用户创建隔离环境，但隔离级别不同。容器本质上是一个被隔离、资源受限的进程，与宿主机的操作系统共享硬件资源。这使得容器具有轻量级、快速部署和高度可移植性的优点。通过使用容器，开发者可以方便地打包应用程序的代码、配置和依赖关系，实现应用程序的快速、可靠和一致性部署。

虚拟化技术通过不同的方式实现了操作系统和硬件资源的共享与隔离，为云计算、数据中心等领域提供了强大的支持。而容器技术则在应用层面提供了轻量级的虚拟化解决方案，推动了云计算和DevOps等领域的快速发展。在操作系统层面，虚拟机实现了隔离，而容器则在进程级别进行资源隔离。相较于虚拟机，容器因其更小更轻量的特性，展现出更为灵活的优势。

参考腾讯云和中金公司研究部的图表数据，我们可以清晰地看到基于Hypervisor的虚拟化过程与容器架构的对比。为了更好地理解容器技术，我们需要深入了解其底层技术，包括容器运行时、容器镜像、容器引擎等。

容器可以被形象地理解为Cgroup（资源控制）+ Namespace（访问隔离）+ rootfs（文件系统隔离）+ 容器引擎（用户态工具）的集合体。其中，Cgroups与Namespace是Linux内核的关键特性，为容器技术提供了强大的支撑。Namespace主要负责实现进程的隔离，而Cgroups则负责限制分配给进程的硬件资源。由Namespace和Cgroups构成的隔离环境被称为“容器运行时”。

在此基础上，rootfs作为Linux根文件管理系统，为容器进程提供隔离后的执行环境的文件系统，也就是所谓的“容器镜像”。而容器引擎则负责准备运行容器所需要的资源，对容器生命周期进行管理。容器引擎负责与内核的Namespace和CGroup等功能直接交互，并提供相应的API使得外部能够与之进行集成。

目前市场上应用最为广泛的容器引擎是Docker。Docker项目主要包括三大核心组件：镜像、容器与仓库。其中，镜像是运行容器的独立文件系统，可以用来创建新的容器；容器则是通过镜像创建，是一个独立于宿主机的隔离进程；仓库则负责镜像的集中存储。

除了Docker，市场上还有其他活跃的容器引擎，如强调安全性的rkt、从Docker中演化而来的Containerd，以及为k8s CRI接口而设计的Cri-o等。这些容器引擎各有特色，为不同需求提供了多样化的选择。

在容器的上层建筑，我们看到了容器编排管理系统的重要性。在实际应用中，大量容器构建成集群以支撑复杂的应用程序体系结构，此时需要系统对容器集群进行统一的编排、管理、调度。以Kuberes为代表的容器编排管理系统为容器化的应用提供了一系列完整功能，如部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等，极大地提高了大规模容器集群管理的便捷性。从单一的容器到庞大的容器集群，再到容器云，容器技术实现了质的飞跃。

Kuberes（简称k8s）作为由Google发起的开源项目，在容器编排领域已经成为事实上的标准。其轻量级、高便携、可扩展、自修复等优势使其在2015年开始迅速拉开与竞争对手之间的差距。容器的技术和应用正在不断发展，其在云计算和数字化转型领域的重要性不容忽视。当前，K8s已经稳固地成为容器编排领域的行业标准，被各大公有云厂商如AWS、Azure、Google、阿里云和腾讯云广泛采纳，提供基于K8s的容器服务。与此Red Hat、Rancher、IBM和Mirantis等厂商也在积极推广Kuberes容器产品。在全球范围内，Docker/Containerd与K8s的结合路线已经成为容器技术的核心方向。

图表显示，Kuberes已成为容器编排领域的事实标准。这一数据的来源来自各公司官网及中金公司研究部。

在云原生时代，Kuberes扮演着一个新的“操作系统”角色。K8s集群由Master节点和Node节点构成，其中Master节点负责管理和控制，包括API Server、Scheduler和Controller Manager；而Node节点是工作负载节点，包含Pod、Docker和Kubulet。这使得K8s能实现对容器集群的自动化部署、自动扩缩容以及高效灵活的管理，使其成为云原生时代的基石和新一代的云操作系统。

云原生生态的繁荣离不开CNCF的贡献。在2015年，Google与RedHat牵头成立了以Kuberes项目为基础的CNCF社区。此后，CNCF逐渐壮大，成为全球容器生态的核心。在Docker因现实问题逐步放弃开源社区后，其在2017年将Containerd捐赠给CNCF，并在Docker企业版中内置K8s。截至2020年，CNCF囊括了全球1,381个项目，构建了宏大的云原生世界。

在容器与虚拟机的对比中，容器以其敏捷性和高性能成为众多用户的首选。虚拟机的隔离性和运维简单性也是其优势所在。在实际应用中，用户可以根据自身的需求和偏好选择适合的云资源管理方案。注重安全性、稳定性的用户可能更倾向于使用Hypervisor作为主要的“云操作系统”，而追求云原生、更高资源利用率和更灵活便捷架构的用户则更倾向于选择Docker/Containerd+K8s的容器方案。目前，容器在互联网行业已经得到广泛应用，传统行业也在积极对应用进行容器化改造。

如今，容器技术已成为云计算领域的一大热门。大部分的容器应用都是基于虚拟机运行的，常见的做法是在一批虚拟机上建立容器节点，然后在这些虚拟机的Guest OS上创建容器应用。这就像是在高速公路上建立了一系列的交通信号灯，以确保交通的顺畅运行。

在公有云多租户场景中，这种方案却面临挑战。相同的主机上需要运行不同租户的应用，而容器的隔离级别仍然采用共内核机制，这使得其攻击面广泛。这时，安全容器应运而生。它们通过硬件虚拟化等技术，实现了对容器内核层面的隔离。每一个安全容器都像是一个轻量级的虚拟机（Micro-VM），拥有独立的内核实例。这就像是在繁忙的城市里，为每个行人搭建一个独立的“安全屋”，确保每个人的安全。

安全容器在容器的高效便捷与虚拟机的稳定安全之间找到了平衡点。它们兼容容器的操作方法，在启动速度、内存开销等性能指标上也高度接近容器；通过引入虚拟机级别的隔离，显著提升了容器的隔离层级和安全性。这就像是一把既能快速挥舞，又能保持锋利的剑。目前，Kata-containers是市场上具有较佳兼容性的安全容器方案，得到了广泛的应用。

云基础软件的市场现状也呈现出虚拟化技术成熟、容器应用蓬勃发展的态势。据Statista数据显示，全球虚拟化市场规模已经接近饱和，预计将从2018年的57亿美元增长至2025年的90亿美元。与此容器应用市场却正在快速增长。据Gartner预测，全球容器编排系统市场规模将持续扩大，到2024年达到9.4亿美元。

虚拟化市场的主要参与者可以分为开源和闭源两大阵营。闭源虚拟化的代表是VMWare的ESXi及微软的Hyper-V，它们分别基于全虚拟化技术和半虚拟化技术。开源虚拟化的代表则是KVM和Xen，它们内嵌于Linux内核中，为全球众多云厂商如AWS、阿里云、华为云等提供基于KVM的虚拟化服务。

在这个云基础软件的演变历程中，我们可以看到技术的不断进步和市场的不断扩大。未来，随着安全容器的进一步发展和其他新兴技术的崛起，我们期待更多的创新和突破。云基础软件的市场正处于一个充满机遇和挑战的时代，让我们一起期待更多的精彩故事在这里上演。探究企业级虚拟化技术和开源云计算管理的现状与未来趋势

随着科技的不断发展，企业级虚拟化技术和开源云计算管理已经成为了企业信息化建设的核心领域。近日，相关研究和数据展示了这些领域的现状和未来发展的趋势。

从图表中可以看出，各大厂商的虚拟化产品在不同类型企业中的渗透率情况存在差异。其中，VMWare依然是企业级应用的首选，其在商用虚拟化软件市场的龙头地位依然稳固。而KVM作为OpenStack主流的Hypervisor选择，其市场影响力正在快速提升，特别是在云厂商中的应用非常广泛。Hyper-V和vSphere仍然在企业级市场占据主导地位。这些数据揭示了虚拟化技术领域的竞争格局以及不同技术路线的发展态势。

接下来，我们聚焦于开源云计算管理项目OpenStack。OpenStack已经成为仅次于Linux的全球第二大开源社区，提供了一个部署云的操作平台或工具集。OpenStack的生态系统已经囊括了超过850家企业及机构，显示了其强大的影响力和广泛的应用场景。OpenStack本身并不具备虚拟化的能力，KVM是其主流的Hypervisor选择。这一特点使得OpenStack与KVM彼此成就，相互辉映。

容器技术正如我们在上一章节中讨论的一样，目前Docker/Containerd+k8s已经成为了全球容器技术的事实标准。随着容器技术的普及，各厂商也在积极推动收购及合作。这表明，容器技术正在引起业界的广泛关注，并成为未来的重要发展方向之一。

我们注意到OpenStack用户容器的使用情况以及全球Docker容器编排管理工具的使用分布。这些数据为我们提供了关于容器技术在云计算领域的应用现状和趋势。随着全球容器市场的快速发展，未来容器技术与云计算的深度融合将为企业带来更大的价值。

全球容器技术与云操作系统的发展历程

随着科技的飞速发展，全球容器技术和云操作系统成为了引领数字化转型的关键力量。从各大公司官网及中金公司研究部的数据资料中，我们可以一窥其发展历程及未来展望。

一、容器技术的崛起

全球领先的容器编排管理软件如红帽、Mirantis和VMare都在积极拥抱容器技术。VMare推出的vSphere，Mirantis将OpenStack平台与K8S融合形成的新云平台，都是典型的虚拟化与容器技术结合的产物。全球云厂商如华为云也推出了支持K8S的Fusion Container容器模块，致力于提供系统化的解决方案。

二、云操作系统的发展历程

云基础软件的发展史实际上是一部云操作系统的变迁史。从服务器虚拟化到容器虚拟化，云操作系统不断演进。传统操作系统管理计算机硬件和软件资源，而在云计算时代，云操作系统则管理虚拟化硬件资源，如Hypervisor、OpenStack或Kuberes。

在虚拟化时代，VMWare和OpenStack扮演了主要的“云操作系统”角色。VMware以其产品成熟度和稳定性在企业级市场占据主导地位。而OpenStack作为开源系统，具有多元化的发展路线和广阔的发展空间，得到了众多云计算产业巨头的支持。近年来，其在功能完整性、稳定性和易用性方面也在迅速提升。

三、容器虚拟化时代的“云操作系统”

进入容器虚拟化时代，Kuberes成为了新的“云操作系统”。随着应用进程容器化部署的普及，Kuberes负责容器的调度、编排和监控，成为容器应用时代的重要角色。值得注意的是，Kuberes和OpenStack之间互补大于竞争，共同为企业云和数据中心应用提供支持。

四、全球容器应用发展史

据IDC和中金公司研究部的资料显示，全球容器应用发展迅猛。基于Kuberes的云基础软件架构目前主要有三条路线：基于虚拟机(VM)的Kuberes、基于安全容器的部署方案以及裸金属部署方案。其中，基于虚拟机的方式虽然常见，但安全性和稳定性问题是这一方案面临的主要挑战，未来可能会被安全容器所取代。

五、云原生时代的展望

进入云原生时代，容器将成为最基础的进程单位。而Kuberes作为容器编排管理系统，向上调度编排应用进程，向下调配管理底层资源，是云原生时代“操作系统”的有力竞争者。如果Kuberes能够解决现有问题并进一步成熟发展，我们有理由相信其将成为云原生时代唯一的“操作系统”。

随着技术的不断进步和市场的需求演变，全球容器技术和云操作系统将持续发展，为企业数字化转型提供强有力的支持。基于微虚机（Micro-VM）的Kubernetes：一种安全容器技术的探索与实践

当我们谈论容器技术时，我们不得不提及一种折衷方案——基于微虚机（Micro-VM）的Kubernetes。这种技术融合了容器与虚拟机的优势，在性能与安全性之间找到了平衡点。传统虚拟化厂商如VMware正在积极推广此类安全容器方案，预示着中期维度内，安全容器可能成为行业的主流。

另一种引人瞩目的技术趋势是直接在裸金属上部署Kubernetes以运行容器应用。这种方案的优势在于最大化资源利用，只需在硬件资源上搭建Kubernetes这一层抽象层级，即可轻松构建私有云或混合云架构。尽管这种技术路线仍处于探索发展阶段，但其在摆脱对虚拟化的依赖、提升资源利用率方面的优势使其成为了未来值得关注的方向。

让我们深入了解中国在云基础软件领域的新机遇。随着软件信息技术的国产化进程加速，单机国产化已取得阶段性成果。在新的国际局势下，政企机关、金融机构等领域的国产化工作正在稳步推进。值得注意的是，云端国产化是未来的必然趋势。与单机国产化不同，云端国产化更多地是由下游用户基于自身数字化升级的需求推动的。其推进周期较长，实施进度各异，并且不仅局限于领域，还涉及金融、运营商等各大行业。

云端国产化的启动标志着未来可能与行业国产化并行发展。、金融、运营商等领域已经开始云端国产化的进程，其推广路径与行业国产化的路线基本一致。例如，银行、证券行业随着金融国产化的推进，对云基础软件国产化的需求持续提升，正在逐步替代VMWare、RedHat等海外云基础软件。国内云基础软件厂商也在积极参与底层国产硬件的兼容适配工作，投身国产信息技术创新的行业浪潮。

关于国产云基础软件的五条主干赛道，私有/混合云是其中重要的一部分。私有云因其数据安全及存算资源自主的考量在、金融等领域受到青睐。混合云作为一种较为普遍的“折衷”之选在这些行业也较为普遍。目前活跃的云厂商仍以华为云的阿里云的巨头为主。这些巨头提供的私有云/混合云解决方案包括云计算/存储资源以及虚拟化软件、容器管理平台等一揽子产品。一些专注于虚拟化、容器领域的创业公司也在细分市场中崭露头角。

探索中国私有云市场的蓬勃发展及超融合技术的崛起

图表揭示了中国私有云市场的强劲增长趋势，数据来源于赛迪智库和中金公司研究部。华为、新华三和深信服在超融合市场中占据前三的位置。超融合技术，基于虚拟化或容器技术，为用户提供在本地部署云式基础架构的便捷方案，可轻松建立私有云并扩展至公有云，实现混合云架构。创业公司SmartX近年来也展现出强劲的发展势头，占据了近4%的市场份额。

随着技术的不断进步，细分云基础软件市场也涌现出一批优秀的创业公司。虽然阿里云、华为云等巨头在市场份额上依然领先，但新生公司在技术层面已经走在行业前沿。例如虚拟化领域的云宏、ZStack云轴，以及容器领域的DaoCloud道客云、BoCloud博云等。这些巨头与创业公司经常合作，共同为客户提供解决方案。

桌面云是基于虚拟化技术的终端操作系统交付与管理方案，为用户提供数据安全保护、高效的桌面管理和灵活的用户访问服务。目前主流桌面云方案以VDI和IDV架构为主，教育、医疗、金融、能源和等行业需求非常旺盛。这部分客户更倾向于私有化部署方式，自主采购VDI硬件（瘦客户机）和相应的软件设施。华为和深信服等公司在桌面云软件市场中占据领先地位。

随着国内政企越来越多地采用混合云架构和多云部署，第三方云管理平台市场也维持了高速增长。这些平台可以管理多个开源或异构的云计算资源及产品，如华为云、阿里云、AWS等公有云或私有云资源。第三方中立性对于云管理平台而言至关重要。神州数码（云角）、IBM和中软国际等公司在国内云管理平台市场占据领先地位。这些平台不仅满足了企业对云计算资源管理的需求，也推动了整个行业的快速发展。

中国私有云市场、超融合技术、细分云基础软件市场以及桌面云和云管理平台都呈现出蓬勃的发展态势。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，这些领域将继续吸引更多的关注和投资，推动整个行业的快速发展。中国云管理平台与云基础软件市场的深度洞察

以中国云管理平台市场规模的增长趋势来看，从2018年至2023E，其发展前景极为可观，这一信息来源于CCW Research和中金公司研究部的数据。根据IDC和中金公司研究部的报告，中国云管理平台市场的竞争格局在2019年呈现出多元化的态势。值得一提的是，神州数码的云管业务由旗下子公司云角Yungoal积极推进。

当我们谈论国产云基础软件时，不得不提及三大主要力量：云基础设施巨头、传统国产IT基础设施厂商以及云基础软件创业公司。以华为云和阿里云为代表的云基础设施巨头，不仅为政企市场提供整体化的私有云/混合云解决方案，而且其服务涵盖从底层计算资源到上层数据库、PaaS平台及部分政企级SaaS应用的全栈服务。深信服在私有云超融合领域也有出色的表现，为客户提供多种云解决方案。

传统国产IT基础设施厂商如新华三、浪潮等，拥有从底层基础设施到智慧应用的全栈式私有云/混合云构建能力。这些国资背景厂商在国产云基础软件市场中占有重要一席。中国电子云和中国电科云在以及央企国企市场也占据一定的市场份额。

而在更为细分的云基础软件领域，如虚拟化、容器、云管平台等，一些优质的创业公司正在崛起。这些公司的创始团队具有创新性的技术路线和海外公司的背景，追赶国际技术前沿，成为国内云基础软件市场快速崛起的“新势力”。

从市场格局的角度看，国内目前还未诞生出纯粹的云基础软件巨头。华为云、阿里云等公有云IaaS巨头以及传统IT基础设施厂商在中国云基础软件市场中仍占据较高的份额。值得注意的是，基于开源技术路线的自主开发仍是目前主流的技术路线。无论是大型云企业还是初创的云基础软件公司，都在积极利用开源技术框架进行研发。中国大陆地区的本土开发团队在全球开源社区中的活跃度正逐渐提高，追赶国际技术前沿。

中国的云管理平台与云基础软件市场呈现出蓬勃的发展态势，各类企业都在积极寻找和抓住市场机遇，以期在未来的竞争中占据优势地位。随着技术的不断进步和市场的深入发展，我们期待这一领域能涌现出更多的领军企业和创新产品。