虚拟化技术与原理简介

Posted 2021-05-02 IT外包

随着云计算技术的发展及其应用的普及和深入，云平台资源的高效利用成为越来越重要的问题，而服务器虚拟化技术是云计算实现资源有效利用的关键技术。云计算的云端系统， 其实质上就是一个大型的分布式系统。虚拟化通过在一个物理平台上虚拟出更多的虚拟平台， 而其中的每一个虚拟平台则可以作为独立的终端加入云端的分布式系统。比起直接使用物理平台， 虚拟化在资源的有效利用、 动态调配和高可靠性方面有着巨大的优势。

一、虚拟化技术

服务器拟化技术是指能够在一台物理服务器上运行多台虚拟服务器的技术，并且上述虚拟服务器在用户、应用软件甚至操作系统看来，几乎与物理服务器没有区别，用户可以在虚拟服务器上灵活地安装任何软件。除此以外，服务器虚拟化技术还应该确保上述多个虚拟服务器之间的数据隔离，资源占用可控。

在X86平台虚拟化技术中，新引入的虚拟化层通常称为虚拟机监控器（Virtual MachineMonitor, VMM）， 也叫做Hypervisor。虚拟机监控器运行的环境，也就是真实的物理平台，称之为宿主机（host machine）。而虚拟出来的平台通常称为客户机（guest machine），里面运行的系统对应地也称为客户机操作系统，如下图：

1974年，Popek和Goldberg在一篇论文中定义了"经典虚拟化(Classical virtualization)"的基本需求，他们认为，一款真正意义上的VMM至少要符合三个方面的标准：

等价执行（Equivalient execution）：除了资源的可用性及时间上的不同之外，程序在虚拟化 环境中及真实环境中的执行是完全相同的。

性能（Performance）：指令集中的大部分指令要能够直接运行于CPU上。

安全（Safety）：VMM要能够完全控制系统资源。

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二、 CPU虚拟化技术实现

软件虚拟化和硬件虚拟化

1）软件虚拟化

纯软件虚拟化，顾名思义，就是用纯软件的方法在现有的物理平台上（往往并不支持硬件虚拟化） 实现对物理平台访问的截获和模拟。常见的软件虚拟机例如QEMU，它是通过纯软件来仿真X86平台处理器的取值、解码和执行，客户机的指令并不在物理平台上直接执行。由于所有的指令都是软件模拟的，因此性能往往比较差，但是可以在同一平台上模拟不同架构平台的虚拟机。

VMWare的软件虚拟化则使用了动态二进制翻译（BT）的技术，与QEMU这种模拟的方式不同，BT是一种加速虚拟化的方案之一，另一种常见的虚拟化加速方案就是硬件辅助虚拟化技术。BT就是在虚拟机监控机可控制的范围内，允许客户机的指令在物理平台上直接运行。但是，客户机指令在运行前会被虚拟机监控机扫描，其中突破虚拟机监控机限制的指令会被动态替换为可以在物理平台上直接运行的安全指令，或者替换为对虚拟机监控器的软件调用。这样做的好处是比纯软件模拟性能有大幅的提升（模拟其根本就是通过一个软件做出一个假的，可以是不存在的；而虚拟是把这个设备通过某种切割或其他方式虚拟出去提供一定程度的服务）， 但是也同时失去了跨平台虚拟化的能力。

有了BT技术后，Guest的用户空间运行在CPU ring 3上，而Guest的内核空间运行在了CPU ring 1上，Host的内核空间运行在CPU ring 0上。BT就监控在CPU ring 1上，随时将Guest内核的调用给转换为特权指令调用。当然CPU ring 1并没有被使用，BT这种技术让虚拟化性能得到了大大的提升。但是BT有一个大大的缺点就是无法跨平台，使用QEMU这种模拟器不管底层硬件是什么，能模拟各种CPU架构平台，如PowerPC、ARM等；但是BT却无法做到这点，BT强烈依赖底层架构，比如底层是X86的那么只能创建X86 CPU的虚拟机。

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， 这种转换必然会增加系统的复杂性。软件堆栈的复杂性增加意味着，这些环境难于管理，因而会加大确保系统可靠性和安全性的困难。

2）硬件辅助虚拟化

硬件辅助虚拟化（HVM），简而言之，就是物理平台本身提供了对特殊指令的截获和重定向的硬件支持，甚至，新的硬件会提供额外的资源来帮助软件实现对关键硬件资源的虚拟化，从而提升性能。可以理解为CPU额外增加了一个ring -1环专门提供给虚拟机运行的。以X86平台的虚拟化为例，支持虚拟技术的X86 CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易将客户机置于一种受限制的模式下运行，一旦客户机试图访问物理资源，硬件会暂停客户机的运行，将控制权交回给VMM处理。VMM还可以利用硬件的虚拟化增强机制，将客户机在受限模式下对一些特定资源的访问，完全由硬件重定向到VMM指定的虚拟资源，整个过程不需要暂停客户机的运行和VMM软件的参与。

由于虚拟化硬件可提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM 设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写， 性能更加强大。

需要说明的是， 硬件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软件的情况下，也会比完全不支持虚拟化技术的系统有更好的性能。鉴于虚拟化的巨大需求和硬件虚拟化产品的广阔前景，Intel一直都在努力完善和加强自己的硬件虚拟化产品线。自2005年末，Intel便开始在其处理器产品线中推广应用Intel Virtualization Technology（IntelVT）虚拟化技术，发布了具有IntelVT虚拟化技术的一系列处理器产品，包括桌面的Pentium和Core系列，还有服务器的Xeon至强和Itanium安腾。Intel一直保持在每一代新的处理器架构中优化硬件虚拟化的性能和增加新的虚拟化技术。现在市面上，从桌面的Core i3/5/7，到服务器端的E3/5/7/9，几乎全部都支持Intel VT技术。可以说， 在不远的将来， Intel VT很可能会成为所有Intel处理器的标准配置。当然AMD的CPU也都支持虚拟化技术。

3）总结

硬件辅助虚拟化貌似比BT技术更好，如果BT技术能够让虚拟机性能达到物理机80%的性能的话，那么硬件辅助虚拟化（HVM）就能够让虚拟机性能达到物理机85%左右。当然这中间的转换还是需要的，只不过是由硬件直接完成了，仅此而已。

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全虚拟化和半虚拟化

1）Full-virtualization（全虚拟化)

全虚拟化为客户机提供了完整的虚拟X86平台， 包括处理器、 内存和外设， 支持运行任何理论上可在真实物理平台上运行的操作系统， 为虚拟机的配置提供了最大程度的灵活性。不需要对客户机操作系统做任何修改即可正常运行任何非虚拟化环境中已存在基于X86平台的操作系统和软件，这也是全虚拟化无可比拟的优势。

在全虚拟化情况下，虚拟机并不知道自己运行在虚拟化环境下，是无感知的，安装使用时跟在物理机上没有什么区别。但是这种完全虚拟化中间需要软件做支撑的，需要软件去模拟提供所有的硬件资源，至少是这个CPU的特权指令需要用软件去模拟的，因为你要让各Guest并不知道自己运行在虚拟环境中，那么你就必须要提供一个带有特权指令的CPU。

在虚拟化环境中，通常虚拟跟模拟是两个概念，VMWare的动态二进制翻译技术（BT）是虚拟的而QEMU软件技术是模拟的。最大的区别在于，模拟通过软件实现时需要模拟CPU ring 0-3，也就是需要转换CPU ring 0-3所有的指令，而虚拟只需要转换CPU ring 0特权指令即可。

当然不管上面说到的BT技术还是QEMU还是硬件辅助虚拟化技术都属于完全虚拟化技术，都是需要指令转换的，都是需要复杂的步骤才能完成的，如果我们能够精简这其中的步骤那么虚拟机的性能一定会有提升的。那么怎么精简呢？这就是下面说的半虚拟化技术。

另外，在全虚拟化模式下：

CPU如果不支持硬件虚拟化技术：那么所有指令都是通过VMM虚拟的，通过VMM内的BT动态翻译技术把虚拟机要运行的特权指令转换为物理指令集，然后到CPU上运行。

CPU如果支持硬件虚拟化技术：VMM运行ring -1，而GuestOS运行在ring 0。

2）Para-virtualization（半虚拟化）

软件虚拟化可以在缺乏硬件虚拟化支持的平台上完全通过VMM软件来实现对各个虚拟机的监控，以保证它们之间彼此独立和隔离。但是付出的代价是软件复杂度的增加，和性能上的损失。减轻这种负担的一种方法就是，改动客户操作系统，使它知道自己运行在虚拟环境下，能够与虚拟机监控机协同工作。这种方法就叫半虚拟化（para-virtualization）。虚拟机内核明确知道自己是运行在虚拟化之上的，对于硬件资源的使用不再需要BT而是自己向VMM申请使用，如对于内存或CPU的使用是直接向VMM申请使用，直接调用而非翻译。就算对于I/O设备的使用它也可以通过Hyper Call（Hypervisor提供的系统调用）直接可以跟硬件打交道，减少了中间的翻译步骤自然性能就好了，据说这种半虚拟化方式能够让虚拟化达到物理机90%的性能。本质上，半虚拟化弱化了对虚拟机特殊指令的被动截获要求，将其转化成客户机操作系统的主动通知。但是，半虚拟化需要修改客户机操作系统的源代码来实现主动通知。

Xen是开源准虚拟化技术的一个例子，操作系统作为虚拟服务器在Xen Hypervisor上运行之前，它必须在内核层面进行某些改变。因此，Xen适用于BSD、Linux、Solaris及其他开源操作系统，但不适合对像Windows这些专有的操作系统进行虚拟化处理，因为它们不公开源代码，所以无法修改其内核。

3）总结

由于硬件辅助虚拟化的出现，使得完全虚拟化在性能上也得到了提升。并且相比半虚拟化而言，完全虚拟化使用上更加简化，虚拟过程对于Guest而言是透明的。所以完全虚拟化更加符合市场需求，比如后面说的KVM虚拟机。

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三、虚拟化的运行模式

Type-I：直接运行在操作系统之上的虚拟化，模式如下图：

如：Vmware workstations、Kvm等。

Type-II：直接运行在硬件之上的（提供各种硬件驱动），模式如下图：

如：Vmware EXSI、Xen等。

但是Xen有点特别，虽然也是直接安装在硬件之上，提供Hypervisor，但是只负责CPU、内存、中断，不提供I/O驱动，需要额外安装一个虚拟机再安装一个Linux系统用来管理I/O设备，如下图：

四、其他类型

当然，除了上面提到的基于操作系统或直接基于硬件的虚拟化外，还有如下常见的类型。

容器虚拟化

基于内核的虚拟化，所有的虚拟机都是一个独立的容器，但共同运行硬件之上，使用着同一个内核。优点就是速度快，部署容易，缺点就是相互间的资源相互隔离比较麻烦，但现在市场也都有了相对成熟的解决方案。如，如今大火的Docker，网上都有人说Docker具有取代虚拟化的势头。

模拟器虚拟化

通过模拟器模拟所有的硬件，如QEMU，KVM就是使用QEMU。

库虚拟化

通过在操作系统之上模拟出不同系统的库，如Linux上运行Wine就可以支持Windows上的软件运行，Windows上运行Cywin就可以支持Linux上的软件运行。因为现在操作系统都是遵循POSIX标准，所以各自提供的库接口都是同一个标准，只需要在对应的平台上运行一个可以提供对方库的软件，然后在此软件之上运行针对对方系统编译好的软件即可。为什么要运行针对对方平台编译好的软件，因为虽然库统一了，但是各自的ABI（应用二进制接口）接口还是不同的。

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