姓名：張玉軍 ?17021210876
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【嵌牛導(dǎo)讀】云計(jì)算的核心技術(shù)之一就是虛擬化技術(shù)。
【嵌牛鼻子】虛擬化
【嵌牛提問】什么是虛擬化？
【嵌牛正文】引言
在講虛擬化技術(shù)前，我們先來學(xué)習(xí)幾個(gè)概念：
（1）物理平臺(tái)----實(shí)現(xiàn)虛擬技術(shù)的真實(shí)物理硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)。
（2）虛擬平臺(tái)----在物理平臺(tái)上，虛擬出來的運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的各種虛擬機(jī)。
（3）VMM----虛擬機(jī)監(jiān)視器，一種監(jiān)控和管理虛擬機(jī)運(yùn)行的核心軟件層，也叫Hypervisor。
（4）宿主機(jī)----真實(shí)的物理服務(wù)器，上面可以運(yùn)行虛擬出來的虛擬機(jī)。
（5）客戶機(jī)----就是指從宿主機(jī)上虛擬出來的虛擬機(jī)。
1 什么是虛擬化？
云計(jì)算的核心技術(shù)之一就是虛擬化技術(shù)。所謂虛擬化，是指通過虛擬化技術(shù)將一臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)。在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)邏輯計(jì)算機(jī)，每個(gè)邏輯計(jì)算機(jī)可運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。
虛擬化的核心軟件VMM，是一種運(yùn)行在物理服務(wù)器和操作系統(tǒng)之間的中間層軟件。VMM是一種在虛擬環(huán)境中的“元”操作系統(tǒng)。他們可以訪問服務(wù)器上包括CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)卡在內(nèi)的所有物理設(shè)備。VMM不但協(xié)調(diào)著這些硬件資源的訪問，也同時(shí)在各個(gè)虛擬機(jī)之間施加防護(hù)。當(dāng)服務(wù)器啟動(dòng)并執(zhí)行VMM時(shí)，它會(huì)加載所有虛擬機(jī)客戶端的操作系統(tǒng)同時(shí)會(huì)分配給每一臺(tái)虛擬機(jī)適量的內(nèi)存，CPU，網(wǎng)絡(luò)和磁盤。
2 虛擬化方式
虛擬化技術(shù)有很多實(shí)現(xiàn)方式，比如根據(jù)虛擬化的程度和級(jí)別，有軟件虛擬化和硬件虛擬化，全虛擬化和半虛擬化。
2.1軟件虛擬化
軟件虛擬化，顧名思義，就是采用純軟件的方法在在現(xiàn)有的物理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)物理平臺(tái)訪問的截獲和模擬，該物理平臺(tái)往往不支持硬件虛擬化。
常見的軟件虛擬化技術(shù)QEMU，是通過純軟件來仿真X86平臺(tái)處理器的指令，然后解碼和執(zhí)行，該過程并不在物理平臺(tái)上直接執(zhí)行，而是通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)，因此往往性能比較差，但是可以在同一平臺(tái)上模擬出不同架構(gòu)平臺(tái)的虛擬機(jī)。
VMware則采用了動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)。VMM在可控的范圍內(nèi)，允許客戶機(jī)的指令在可控的范圍內(nèi)直接運(yùn)行?？蛻魴C(jī)指令在運(yùn)行前會(huì)被VMM掃描，其中突破VMM限制的指令被動(dòng)態(tài)替換為可以在物理平臺(tái)上直接運(yùn)行的安全指令，或者替換為對(duì)VMM的軟件調(diào)用。因此其性能上比QEMU有大幅提升，但是其失去了跨平臺(tái)虛擬化的能力。
2.2硬件虛擬化
硬件虛擬化，簡單來說，就是物理平臺(tái)本身提供了對(duì)特殊指令的截獲和重定向的硬件支持，新的硬件會(huì)提供額外的資源來幫助軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵硬件資源的虛擬化，從而提升性能。
比如X86平臺(tái)，CPU帶有特別優(yōu)化過的指令集來控制虛擬過程，通過這些指令集，VMM會(huì)將客戶機(jī)置于一種受限模式下運(yùn)行，一旦客戶機(jī)試圖訪問硬件資源，硬件會(huì)暫?？蛻魴C(jī)的運(yùn)行，將控制權(quán)交回給VMM處理。同時(shí)，VMM還可以利用硬件的虛擬化增強(qiáng)技術(shù)，將客戶機(jī)對(duì)硬件資源的訪問，完全由硬件重定向到VMM指定的虛擬資源。
由于硬件虛擬化可提供全新的架構(gòu)，支持操作系統(tǒng)直接在上面運(yùn)行，無需進(jìn)行二進(jìn)制翻譯轉(zhuǎn)換，減少的性能開銷，極大地簡化了VMM的設(shè)計(jì)，從而使VMM可以按標(biāo)準(zhǔn)編寫，通用性更好，性能更強(qiáng)。
需要說明的是，硬件虛擬化技術(shù)是一套解決方案，完整的情況需要CPU、主板芯片組、BIOS和軟件的支持。Intel在其處理器產(chǎn)品線中實(shí)現(xiàn)了Intel VT虛擬化技術(shù)（包括Intel VT-x/d/c）。AMD也同樣實(shí)現(xiàn)了其芯片級(jí)的虛擬化技術(shù)AMD-V。
2.3全虛擬化
完全虛擬化技術(shù)又叫硬件輔助虛擬化技術(shù)，最初所使用的虛擬化技術(shù)就是全虛擬化（Full Virtualization)技術(shù)，它在虛擬機(jī)（VM）和硬件之間加了一個(gè)軟件層Hypervisor，或者叫做虛擬機(jī)管理程序或虛擬機(jī)監(jiān)視器（VMM）。
完全虛擬化技術(shù)幾乎能讓任何一款操作系統(tǒng)不用改動(dòng)就能安裝到虛擬服務(wù)器上，而它們不知道自己運(yùn)行在虛擬化環(huán)境下。主要缺點(diǎn)是，性能方面不如裸機(jī)，因?yàn)閂MM需要占用一些資源，給處理器帶來開銷。
2.4半虛擬化
半虛擬化技術(shù)是后來才出現(xiàn)的技術(shù)，也叫做準(zhǔn)虛擬化技術(shù)，現(xiàn)在比較熱門，它就是在全虛擬化的基礎(chǔ)上，把客戶操作系統(tǒng)進(jìn)行了修改，增加了一個(gè)專門的API，這個(gè)API可以將客戶操作系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行最優(yōu)化，即不需要VMM耗費(fèi)一定的資源進(jìn)行翻譯操作。因此VMM的工作負(fù)擔(dān)變得非常的小，因此整體的性能也有很大的提高。不過缺點(diǎn)就是，要修改包含該API的操作系統(tǒng)，但是對(duì)于某些不含該API的操作系統(tǒng)（主要是Windows）來說，就不行能用這種方法。
半虛擬化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是性能高。經(jīng)過半虛擬化處理的服務(wù)器可與VMM協(xié)同工作，其響應(yīng)能力幾乎不亞于未經(jīng)過虛擬化處理的服務(wù)器。它的客戶操作系統(tǒng)(Guest OS)集成了虛擬化方面的代碼。該方法無需重新編譯或引起陷阱，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)自身能夠與虛擬進(jìn)程進(jìn)行很好的協(xié)作。
3 虛擬化實(shí)現(xiàn)
虛擬化技術(shù)指的是軟件層面的實(shí)現(xiàn)虛擬化的技術(shù)，整體上分為開源虛擬化和商業(yè)虛擬化兩大陣營。典型的代表有：Xen，KVM，WMware，Hyper-V、Docker容器等。
這里介紹一下開源的KVM和Xen以及微軟的Hyper-V技術(shù)。
3.1 KVM
KVM（Kernel-based Virtual Machine）是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)，KVM是集成到Linux內(nèi)核的VMM，是X86架構(gòu)且硬件支持虛擬化技術(shù)(Intel VT或AMD-V)的Linux的全虛擬化解決方案。它是Linux的一個(gè)很小的模塊，利用Linux做大量的事，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理與硬件設(shè)備交互等。
KVM本身不執(zhí)行任何模擬，需要用戶控件程序通過/dev/kvm接口設(shè)置一個(gè)客戶機(jī)的虛擬虛擬地址空間，向它提供模擬的I/O，并將其視頻顯示映射回宿主機(jī)的顯示屏。
KVM繼承了Linux系統(tǒng)管理內(nèi)存的諸多特性，比如，分配給虛擬使用的內(nèi)存可以被交換至交換空間、能夠使用大內(nèi)存頁以實(shí)現(xiàn)更好的性能，以及對(duì)NUMA的支持能夠讓虛擬機(jī)高效訪問更大的內(nèi)存空間等。
KVM基于Intel的EPT（ExtendedPage Table）或AMD的RVI（Rapid Virtualization Indexing）技術(shù)可以支持更新的內(nèi)存虛擬功能，這可以降低CPU的占用率，并提供較好的吞吐量。此外，KVM還借助于KSM（Kernel Same-pageMerging）這個(gè)內(nèi)核特性實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存頁面共享。KSM通過掃描每個(gè)虛擬機(jī)的內(nèi)存查找各虛擬機(jī)間相同的內(nèi)存頁，并將這些內(nèi)存頁合并為一個(gè)被各相關(guān)虛擬機(jī)共享的單獨(dú)頁面。在某虛擬機(jī)試圖修改此頁面中的數(shù)據(jù)時(shí)，KSM會(huì)重新為其提供一個(gè)新的頁面副本。實(shí)踐中，運(yùn)行于同一臺(tái)物理主機(jī)上的具有相同GuestOS的虛擬機(jī)之間出現(xiàn)相同內(nèi)存頁面的概率是很的，比如共享庫、內(nèi)核或其它內(nèi)存對(duì)象等都有可能表現(xiàn)為相同的內(nèi)存頁，因此，KSM技術(shù)可以降低內(nèi)存占用進(jìn)而提高整體性能。
