裸金属和物理机是一回事吗? 细聊裸金属服务器和物理机的区别

跟一些行业内朋友聊天，大家经常提到裸金属机的概念，实际上指的是物理机。与我理解的，如AWS等云厂商提到的，裸金属（Bare Metal）机，其实不是一回事。

那什么是裸金属机？以及物理机、虚拟机及裸金属机的优势劣势、区别和联系到底是什么？今天这篇文章，我们一起探讨。（注：本文提到的物理机、虚拟机和裸金属机，均指的是公有云场景下的相应云服务器。）

一、裸金属和物理机的区别

1、概念

裸金属服务器是指一种不运行虚拟化层的物理服务器，直接暴露硬件资源给用户，但是能够提供与传统物理服务器类似的性能和功能，只是通过云服务提供商的方式进行部署和管理。

传统的物理服务器是指完全独立运行在数据中心中的硬件设备，通常由企业自行购买和维护，直接安装操作系统和应用程序，没有虚拟化的中间层。

2、架构与硬件资源

（1）裸金属服务器

• 硬件资源直通：裸金属服务器没有虚拟化的性能开销，可以直接访问物理服务器的所有硬件资源，如CPU、内存、存储和网络。
• 更接近物理服务器：与虚拟机相比，裸金属服务器更接近传统物理服务器的性能表现，适合需要高性能和低延迟的应用场景。

（2）物理机

• 完全独立性：物理机是完全独立的服务器实体，不与其他虚拟机共享硬件资源，可以获得最大的计算和存储性能。
• 适合特定需求：对于需要绝对控制和定制化配置的应用程序和工作负载，物理机提供了最大的灵活性和自主性。

3、管理与部署

（1）裸金属服务器

• 云服务提供：通常由云服务提供商管理和部署，用户可以通过控制台或API快速创建、配置和管理裸金属实例。
• 快速部署：通过云服务商提供的自动化工具和服务，可以快速部署裸金属服务器，大大简化了硬件管理和操作系统安装的流程。

（2）物理机

• 自主管理：企业通常自行购买、配置和维护物理服务器，拥有完全的管理控制权。
• 高度定制化：可以根据具体需求选择硬件配置、操作系统和网络设置，实现高度定制化的部署和管理。

4、适用场景

（1）裸金属服务器

• 高性能计算：适合需要强大计算能力和低延迟的应用，如科学计算、金融交易系统等。
• 数据密集型应用：需要大量存储和高速网络访问的大数据应用和分析任务。
• 合规性要求：特定安全和合规标准的应用，如金融行业或政府部门的数据处理。

（2）物理机

• 定制化需求：对于需要特定硬件配置或操作系统环境的应用程序和工作负载。
• 传统企业应用：传统的数据库管理系统、企业资源规划（ERP）系统等业务应用。
• 低延迟应用：对延迟极为敏感的应用，如实时交易系统或游戏服务器。

相关问题与解答：

• 1、裸金属服务器和物理机的性能比较如何？

答：裸金属服务器由于没有虚拟化层，可以直接运行在物理硬件上，因此性能较高，而物理机通过虚拟化技术划分出多个虚拟机实例，每个虚拟机都需要运行自己的操作系统和应用程序，这会带来一定的性能开销。

• 2、裸金属服务器和物理机的管理方式有何不同？

答：裸金属服务器通常需要手动配置和管理，用户可以直接访问物理硬件进行操作和维护，而物理机可以通过虚拟化管理平台进行集中管理和监控，用户可以在平台上创建、删除和调整虚拟机实例，以及监控资源的使用情况。

二、物理机的优势和劣势

物理机，顾名思义，是把物理的服务器完全交付给客户。

物理机唯一的优势在于，所有的资源完全交付给客户。算力服务提供商不占用此服务器的硬件计算资源。

物理机的劣势，主要总结如下：

• 管理运维难。整个服务器系统的运行情况完全脱离算力服务提供商的管理和监控，机器的运行情况不可知，也无法完成硬件和系统的管理和运维。
• 不支持高可用。如果服务器出现故障，运行于服务器的业务需要停止，这对于需要7x24小时保持服务畅通的互联网业务来说，是不可接受的。
• 不支持资源弹性。系统提供个资源数量由服务器硬件决定，无法更改。比如，服务器提供50个CPU核，但客户场景仅需求1个CPU核，那么其他49个CPU核的资源则是浪费的，但客户仍需要为此浪费的资源付费。
• 资源利用率低，成本高。没有资源共享，没有资源充分利用，资源浪费严重。多租户场景，需要实现租户之间的系统隔离；由于整台服务器都交付给了客户，因此隔离工作需要在外部交换机或其他主机上实现；额外的资源消耗成本较高，并且安全性较低。

三、虚拟机的优势和劣势

虚拟机，是公有云最常见的产品形态，没有之一。通过虚拟化技术，实现基于宿主机（Host）的虚拟机器，为客户提供更灵活更低成本的云主机服务。

大体上，物理机的劣势，就是虚拟机的优势；反过来，物理机的优势，也即虚拟机的劣势。

虚拟（云）机的优势主要总结如下：

• 主机可控。虚拟机在宿主机侧都有完整的管理监控，以及网络、存储等I/O后台设备模拟和工作任务处理。整个虚拟机的运行情况处于可控状态，可以实时为客户虚拟机提供可能的服务，比如硬件出现问题的时候实时热迁移。
• 支持高可用。如果服务器出现故障，运行于服务器的业务会自动热迁移到其他运行正常的服务器，业务客户对服务器硬件的故障无感。
• 支持资源弹性。客户云主机，可以支持从1-N个弹性资源的选择，并且在主机创建之后仍可以对主机资源进行扩缩容。
• 更低成本。通过虚拟化实现硬件资源的共享，通过自定义不同资源配比实现尽可能最高的资源利用率低，从而极致的均摊硬件成本，降低客户开销。此外，租户隔离不需要额外硬件配套，虚拟网络交换机在服务器本地，不额外消耗其他的硬件资源。   

而虚拟机的劣势，则主要是性能的问题。虚拟机性能的额外损耗主要来源于两点：

• 虚拟化的损耗。虚拟化分为完全软件虚拟化、类虚拟化（也称之为半虚拟化）和完全硬件虚拟化。软件虚拟化CPU资源消耗较大，类虚拟化次之，完全硬件虚拟化几乎不需要额外的CPU消耗。目前，主流的CPU芯片都支持CPU处理器和内存的完全硬件虚拟化，网络和存储等I/O仍然是CPU软件虚拟化或类虚拟化。
• 网络和存储两个主要I/O的后台工作任务的额外资源消耗。

（注：为了简化问题，这里仅涉及CPU，没有涉及GPU等业务加速处理器，下同。）

四、强强联合，物理机和虚拟机的优势合并

既然物理机和虚拟机都不完美，都存在这样或那样的问题。那么，能不能把两者的优势结合起来？使得物理机像虚拟机一样功能强大；同样的，虚拟机也能像物理机一样，没有额外的资源消耗，实现裸机级别的性能。

答案是肯定的。   

方案一：物理机实现虚拟机的强大能力，即真正的裸金属机

虚拟机的优势，如资源弹性、高可用等，主要是虚拟化系统提供的。要想物理机也实现这样的能力，则需要物理机也“支持”虚拟化。虚拟化系统主要分为两层：宿主机（Host）侧和客户机侧（Guest VM）。通过DPU，可以实现虚拟化系统宿主机侧所有任务的完全卸载。在传统虚拟机模式下，这部分工作是在CPU中完成，而在裸金属机的模式下，这部分工作卸载到了DPU中，并把性能敏感的任务进行了加速优化。   

方案二：虚拟机实现物理机般极致的性能

前面我们分析过，虚拟机的性能损耗主要来自于非硬件虚拟化的CPU资源消耗，以及网络、存储两个主要I/O的后台工作任务（网络主要是VPC处理，存储主要存储虚拟化映射）的CPU资源消耗。

通过DPU，可以实现整个宿主机侧计算任务的卸载，这样就可以实现：

• I/O的完全硬件虚拟化（也可以理解为I/O模拟任务的卸载）。虚拟出来多个逻辑的硬件设备，直通到虚拟机中。这样，VM所在的Guest主机，实现所有计算机资源，即CPU处理器、内存和I/O设备，的完全硬件虚拟化（CPU核内存的硬件虚拟化由CPU芯片支持，I/O设备的硬件虚拟化由CPU和DPU共同支持）。实现完全接近物理裸机的性能。
• 同时，网络和存储等工作负载实现从CPU到DPU的卸载和加速。在CPU中完全没有了这些“额外”的资源消耗，CPU完全交付给业务客户。

需要注意的是，在此种方案下，在CPU侧仍存在Hypervisor。这个Hypervisor比较轻量，主要是实现虚拟机的创建、销毁和迁移等操作。Hypervisor几乎不干扰虚拟机的稳定运行，也就几乎不会从Guest Mode切换到Host Mode，也就没有了额外的CPU资源消耗，从而实现虚拟机“独占”CPU。   

五、更进一步，虚拟机和裸金属机的统一

既然可以实现物理机像虚拟机一样功能强大，虚拟机像物理机一样性能极致，那么接下来就会有一个新的问题：站在客户的视角，为什么要区分虚拟机和物理机？两者不可以统一吗？

答案同样是肯定的。

系统可以自由的在虚拟机和裸金属机之间切换：

• 创建后的虚拟机，如果发现资源不够用，就可以在不改变系统环境的情况下，持续扩容，最终变成裸金属机。例如，在一台具有50核CPU的机器上，最开始申请了20个核的虚拟机。当发现资源不够用的时候，可以把此台主机扩容，扩容到30核、40核，知道50核。当达到50核的时候，就独占了此主机，也即从虚拟机形态变成了裸金属形态。但使用主机的客户，对此无感。
• 同样的，裸金属的客户，在发现此主机业务跑不满的情况下，可以缩容，变成虚拟机。用同样的例子，客户申请了50个核的主机，此时为裸金属机，客户缩容到了40核，此刻给客户呈现的主机形态仍然没有变化。而技术上的来说，已经从裸金属机变更成了虚拟机。

统一虚拟机和裸金属机，可以实现客户业务使用和技术实现之间的隔离：从技术角度，实现底层实现和上层呈现之间的隔离，便利客户使用；l对客户来说，客户需要的是一个性能强劲、功能强大的云主机，用户不需要关心到底是物理机或虚拟机。   

总结

物理机和虚拟机是两套独立的体系，独立的运维，物理机实例和虚拟机实例之间无法切换。这和我们一直讲的算力资源池化是相悖的。

因此，除了优化性能和优化功能之外，还需要统一平台，统一资源，简化运维，简化用户的使用。这样，我们可以简单划分云主机发展的三个阶段：

• 第一阶段，传统的物理机和虚拟机阶段。这个阶段，各自独立，物理机存在高可用等方面的问题，虚拟机存在性能方面的问题。
• 第二阶段，增强优化阶段。物理机具备了高可用等传统虚拟机所具备的能力，虚拟机则优化了性能，实现了极致接近硬件实际的性能。
• 第三阶段，物理机虚拟机统一形态阶段。给客户提供统一的云主机资源，在业务层次，不再区分虚拟机和物理机。

五种类型主机的特性总结如下。

裸金属服务器通常需要手动配置和管理，用户可以直接访问物理硬件进行操作和维护，而物理机可以通过虚拟化管理平台进行集中管理和监控，用户可以在平台上创建、删除和调整虚拟机实例，以及监控资源的使用情况。

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