虚拟化技术

虚拟化技术：计算机资源的重新分配

一、概念

定义

在计算机技术中，虚拟化（技术）或虚拟技术（Virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，予以抽象、转换后呈现出来并可供分割、组合为一个或多个电脑配置环境。

传统的虚拟技术：虚拟机（VMs）:

有两个对象：

1. Hypervisor：用来创建、运行、管理虚拟机
2. VM（Virtual Machine）

Hypervisor

补充两个概念

1. Host Machine：通常指的是虚拟化平台，如果是 type 2 Hypervisor，则会有一个 Host OS
2. Guest Machine：通常指的是在虚拟化平台（Hypervisor）上运行的虚拟机（Linux VM）

block-beta
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	block:type1:1
		columns 3
		VM1
		VM2
		VM3
		B["Hypervisor"]:3
		A["Hardware"]:3
	end

Type1 架构图

block-beta
	block:type2:1
		columns 3
		VM1
		VM2
		VM3
		C["Hypervisor"]:3
		B["Host OS"]:3
		A["Hardware"]:3
	end

Type2 架构图

二、历史

虚拟技术起源于20世界60年代末，美国IBM公司当时开发了一套被称作虚拟机监视器 VMM（Virtual Machine Monitor）的软件，该软件作为计算机硬件层上面的一层软件抽象层，将计算机硬件虚拟分割成一个或多个虚拟机，并提供多用户对大型计算机的同时、交互访问。

有关容器化（Containerization or OS Level Virtualization）的历史：

2008 年 Linux 内核引进了 cgroups （control-groups）, " paved the way for all the different container technologies we see today "

三、分类

按照抽象程度分类（递增）

• 硬件抽象层等级的虚拟化（Hardware Abstruction Level）：VMware ESXi、Hyper-V

  这个等级的虚拟化靠Hypervisor，运行平台的叫 Host Machine，平台上运行的叫 Guest Machine

  type 1 hypervisor ，不经操作系统，直接运行在硬件上；type 2 hypervisor 运行在操作系统上

• 指令集架构等级的虚拟化（Instruction Set Architecture Level）：Bochs、QEMU

• 操作系统等级的虚拟化或容器化（Operating System Level or Containerization）：Docker、LXC

  将操作系统内核虚拟化，这个等级的虚拟机共享实体主机的硬件以及操作系统，呈现彼此独立且隔离的虚拟机环境。

  补充概念：应用软件的环境是由操作系统、函数库、相依性软件、特定的文件系统以及其他环境设置所组成。

• 编程语言等级的虚拟化（Programming Language Level）：Java、.NET

  将高级语言转换成字节码，通过虚拟机转译成可以直接执行的指令

• 函数库等级的虚拟化（Library Level）：Wine、WSL

按虚拟对象分类

• 硬件虚拟化

• 虚拟机

  • 平台虚拟化
    • 完全虚拟化：敏感指令在操作系统和硬件之间被捕捉处理，客户操作系统无需更改，所有软件都能在虚拟机中运行。
    • 硬件辅助虚拟化：利用硬件（主要是CPU）辅助处理敏感指令，以实现完全虚拟化的功能。如 KVM, Hyper-V
    • 部分虚拟化
    • 准虚拟化
    • 操作系统级虚拟化：使操作系统内核支持多用户空间实例。如 LXC, chroot
  • 应用程序虚拟化

• 虚拟内存

• 存储虚拟化

• 网络虚拟化

QEMU的架构

QEMU（Quick Emulator）和 Bochs 类似

QEMU的架构由纯软件实现，并在Guest与Host中间，来处理Guest的硬件请求，并由其转译给真正的硬件。

然而因为QEMU是纯软件实现的，所有的指令都要经过QEMU，使得性能很差，而配合KVM则可以解决这一问题。

QEMU虚拟化的思路是：提取Guest代码，翻译为TCG中间代码，而后翻译为Host代码。相当于实现了一个“中间人”的角色。

四、虚拟技术的发展

下面是云服务厂商虚拟化技术的一个迭代。基本上都是基于硬件虚拟化

（1）VMware-ESXi

是一个 type-1 Hypervisor，直接运行在硬件上

（2）Xen

是一个 type-1 Hypervisor，直接运行在硬件上

（3）KVM（Kernal Based Virtual Machine）

是一个 type-2 Hypervisor，依赖于操作系统（Linux内核）来管理虚拟化，本身是一个内核模块，基于硬件虚拟化来虚拟化功能。

将 Linux 内核转化为 Hypervisor。

KVM被合并入Linux内核版本2.6.20的主流分支，于2007年2月5日发布。