虚拟化技术

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什么是虚拟化技术

  虚拟化技术是指实现虚拟化的具体的技术性手段和方法的集合性概念。虚拟化技术可以扩大硬件的容量,简化软件的重新配置过程。

虚拟化技术的内容

  虚拟化技术最早出现在20世纪60年代的IBM大型机系统,在70年代的System 370系列中逐渐流行起来,这些机器通过一种叫虚拟机监控器的程序在物理硬件之上生成许多可以运行独立操作系统软件的虚拟机(Virtual Machine)实例。随着多核系统、集群网格甚至云计算的广泛部署,虚拟化技术在商业应用上的优势日益体现,不仅降低了IT成本,而且还增强了系统安全性和可靠性,虚拟化的概念也逐渐深入到人们日常的工作与生活中。虚拟化是一个广义的术语,在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。它可以扩大硬件的容量,简化软件的重新配置过程,减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。虚拟化技术可以同时运行多个操作系统,而且每一个操作系统中都有多个程序运行,每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上;可以在相互独立的空间内运行而互不影响,从而显著提高计算机的工作效率

  虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时一起运行,而在虚拟化技术中,则可以同时运行多个操作系统,而且每一个操作系统中都有多个程序运行,每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上;而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能,这两个模拟出来的CPU是不能分离的,只能协同工作。

  虚拟化技术也与VMwareWorkstation等同样能达到虚拟效果的软件不同,是一个巨大的技术进步,具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。

  纯软件虚拟化解决方案存在很多限制。“客户”操作系统很多情况下是通过VMM(VirtualMachineMonitor,虚拟机监视器)来与硬件进行通信,由VMM来决定其对系统上所有虚拟机的访问。(注意,大多数处理器和内存访问独立于VMM,只在发生特定事件时才会涉及VMM,如页面错误。)在纯软件虚拟化解决方案中,VMM在软件套件中的位置是传统意义上操作系统所处的位置,而操作系统的位置是传统意义上应用程序所处的位置。

  虚拟化技术是一套解决方案。完整的情况需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持,例如VMM软件或者某些操作系统本身。即使只是CPU支持虚拟化技术,在配合VMM的软件情况下,也会比完全不支持虚拟化技术的系统有更好的性能。

虚拟化技术的分类

  通常所说的虚拟化主要是指平台虚拟化技术,通过使用控制程序(Control Program,也被称为Virtual Machine Monitor 或 Hypervisor),隐藏特定计算平台的实际物理特性,为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境(称为虚拟机)。虚拟机中运行的操作系统被称为客户机操作系统(Guest OS),运行虚拟机监控器的操作系统被称为主机操作系统(Host OS),当然某些虚拟机监控器可以脱离操作系统直接运行在硬件之上(如 VMWARE 的 ESX 产品)。运行虚拟机的真实系统我们称之为主机系统。虚拟化技术根据对象可以分成存储虚拟化、计算虚拟化、 网络虚拟化等。

  1. 平台虚拟化,针对计算机和操作系统的虚拟化。
  2. 资源虚拟化,针对特定的系统资源的虚拟化,比如内存、存储、网络资源等。
  3. 应用程序虚拟化,包括仿真、模拟、解释技术等。

  平台虚拟化又包括:

  • 全虚拟化

  全虚拟化是指虚拟机模拟了完整的底层硬件,包括处理器、物理内存、时钟、外设等,使得为原始硬件设计的操作系统或其它系统软件完全不做任何修改就可以在虚拟机中运行。操作系统与真实硬件之间的交互可以看成是通过一个预先规定的硬件接口进行的。全虚拟化 VMM 以完整模拟硬件的方式提供全部接口(同时还必须模拟特权指令的执行过程)。

  • 超虚拟化

  这是一种修改Guest OS部分访问特权状态的代码以便直接与VMM交互的技术。在超虚拟化虚拟机中,部分硬件接口以软件的形式提供给客户机操作系统,这可以通过 Hypercall(VMM提供给Guest OS的直接调用,与系统调用类似)的方式来提供。

  • 硬件辅助虚拟化

  硬件辅助虚拟化是指借助硬件(主要是主机处理器)的支持来实现高效的全虚拟化。

  • 部分虚拟化

  VMM只模拟部分底层硬件,因此客户机操作系统不做修改是无法在虚拟机中运行的,其它程序可能也需要进行修改。

  • 操作系统级虚拟化

  在传统操作系统中,所有用户的进程本质上是在同一个操作系统的实例中运行,因此内核或应用程序的缺陷可能影响到其它进程。操作系统级虚拟化是一种在服务器操作系统中使用的轻量级的虚拟化技术,内核通过创建多个虚拟的操作系统实例(内核和库)来隔离不同的进程,不同实例中的进程完全不了解对方的存在。

虚拟化技术的原理

  1974年,Popek和Goldberg在《Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures》 论文中提出了一组称为虚拟化准则的充分条件,满足这些条件的控制程序可以被称为虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor,简称VMM):

  1. 资源控制。控制程序必须能够管理所有的系统资源。
  2. 等价性。在控制程序管理下运行的程序(包括操作系统),除时序和资源可用性之外的行为应该与没有控制程序时的完全一致,且预先编写的特权指令可以自由地执行。
  3. 效率性。绝大多数的客户机指令应该由主机硬件直接执行而无需控制程序的参与。

  尽管基于简化的假设,但上述条件仍为评判一个计算机体系结构是否能够有效支持虚拟化提供了一个便利方法,也为设计可虚拟化计算机架构给出了指导原则。

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