漫談虛擬化之一虛擬化綜述

作者：聽泉Rit 2018-03-08 16:04:19
云計(jì)算
虛擬化 前面咱比較全面的介紹了云計(jì)算，趁熱打鐵，咱們索性把云計(jì)算的基礎(chǔ)技術(shù) —“虛擬化”展開來(lái)聊一下，以便各位小伙伴對(duì)云計(jì)算有更為完整的認(rèn)識(shí)。

 前面咱比較全面的介紹了云計(jì)算，趁熱打鐵，咱們索性把云計(jì)算的基礎(chǔ)技術(shù) —“虛擬化”展開來(lái)聊一下，以便各位小伙伴對(duì)云計(jì)算有更為完整的認(rèn)識(shí)。

1. 概述

我們常說(shuō)云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式能夠快速的提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，進(jìn)入可配置的資源共享池（包括計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)），并，用戶只需投入很少的管理工作。云計(jì)算是將 IT 資源作為一種服務(wù)的業(yè)務(wù)模式，是產(chǎn)業(yè)形態(tài)，它不是一種具體的技術(shù)，云計(jì)算通常通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源，旨在降低 IT 成本并幫助用戶專注于他們的核心業(yè)務(wù)，而不是讓 IT 成為他們的阻礙。

“虛擬化”可以被認(rèn)為是云計(jì)算主要的支撐技術(shù)之一。虛擬化將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)在不同層次以不同的面貌展現(xiàn)，讓用戶能夠更加便捷的使用、開發(fā)及維護(hù)這些應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。虛擬化不但允許 IT 部門添加、減少移動(dòng)硬件和軟件到它們想要的地方。虛擬化還為組織帶來(lái)靈活性，從而改善 IT 運(yùn)維和減少成本支出。

需要注意的是，云計(jì)算和虛擬化雖然是密切相關(guān)的，但是虛擬化對(duì)于云計(jì)算來(lái)說(shuō)并不是必須的。云計(jì)算將各種 IT 資源以服務(wù)的方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)交付給用戶，然而虛擬化本身并不能給用戶提供服務(wù)。二者可以通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。云計(jì)算方案使用虛擬化技術(shù)使整個(gè) IT 基礎(chǔ)設(shè)施的資源部署更靈活。反過(guò)來(lái)，虛擬化方案也可以引入云計(jì)算的理念，為用戶提供按需使用的資源和服務(wù)。

2. 虛擬化綜述

2.1 為什么需要虛擬化

傳統(tǒng) x86 服務(wù)器的構(gòu)架是在每臺(tái)物理服務(wù)器上通過(guò)唯一的操作系統(tǒng)（例如 Windows, Linux etc.）進(jìn)行管理，大多數(shù)情況下每個(gè)操作系統(tǒng)僅有一個(gè)負(fù)載。而且，也很難在服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)主應(yīng)用程序，否則可能會(huì)產(chǎn)生沖突和性能問(wèn)題。

這么做會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器資源在大部分時(shí)間內(nèi)的利用率很低。正如前面所討論的，物理機(jī)的大部分性能都被浪費(fèi)，我們必須在浪費(fèi)硬件資源和降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)之間尋找平衡。隨著業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的成本壓力也變化，相關(guān)管理效率也會(huì)變低，需消耗的資源也會(huì)變大。

2.2 什么是虛擬化

早期虛擬化（Virtualization）技術(shù)最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 60 年代的 IBM 大型機(jī)系統(tǒng)中，并在 70 年代的 System 370 系列中逐漸流行起來(lái)，這些機(jī)器通過(guò)一種叫虛擬機(jī)監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，VMM）的程序在物理硬件之上生成許多可以運(yùn)行獨(dú)立操作系統(tǒng)軟件的虛擬機(jī)（Virtual Machine）實(shí)例。隨著近年多核系統(tǒng)、集群、網(wǎng)格以及云計(jì)算的廣泛部署，虛擬化技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)日益體現(xiàn)，不僅降低了 IT 成本，而且還增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性和可靠性，虛擬化的概念也逐漸深入到人們?nèi)粘５墓ぷ髋c生活中。

虛擬化是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，對(duì)于不同的人來(lái)說(shuō)可能意味著不同的東西，這要取決他們所處的環(huán)境。在 IT 領(lǐng)域中，虛擬化代表著對(duì)計(jì)算資源的抽象，而不僅僅局限于虛擬機(jī)的概念。例如對(duì)物理內(nèi)存的抽象，產(chǎn)生了虛擬內(nèi)存技術(shù)，使得應(yīng)用程序認(rèn)為其自身?yè)碛羞B續(xù)可用的地址空間（Address Space），而實(shí)際上，應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)可能是被分隔成多個(gè)碎片頁(yè)或段），甚至被交換到磁盤、閃存等外部存儲(chǔ)器上，即使物理內(nèi)存不足，應(yīng)用程序也能順利執(zhí)行。

這里，虛擬化 Virtualization 定義包括兩層含義：

（1）虛擬化是 IT 資源的邏輯表示，其不受物理限制的約束；

（2）虛擬化技術(shù)通過(guò)在軟件系統(tǒng)中加入虛擬化層，將下層的資源抽象成另一種形式的資源，供給上層應(yīng)用。

咱們還是通過(guò)示意圖來(lái)理解：

虛擬化的重要目標(biāo)之一就是提高管理效率，從而降低成本、提高硬件使用率，把管理變得更加輕松。虛擬化的主攻方向集中在控制實(shí)體服務(wù)器的配置數(shù)量，并將物理機(jī)上的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，無(wú)縫轉(zhuǎn)移至虛擬機(jī)上，以便集中管理這些不同平臺(tái)的虛擬環(huán)境。

2.3 虛擬化的基本原理

判定一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能否被虛擬化，或者說(shuō)一個(gè)能夠被稱為 VMM 的控制程序，需要滿足一下條件：

（1）資源控制：控制程序必須能夠管理所有的系統(tǒng)資源。

（2）等價(jià)性：在控制程序管理下運(yùn)行的程序（包括操作系統(tǒng)），除時(shí)序和資源可用性之外的行為，應(yīng)該與沒有控制程序時(shí)完全一致，且預(yù)先編寫的特權(quán)指令可以自由地執(zhí)行。

（3）效率性：絕大多數(shù)的客戶機(jī)指令應(yīng)該由主機(jī)硬件直接執(zhí)行而無(wú)需控制程序參與。

由于傳統(tǒng)的 x86 體系結(jié)構(gòu)缺乏必要的硬件支持，任何控制程序都無(wú)法直接滿足上述條件，所以 x86 不是一個(gè)可虛擬化架構(gòu)，但是我們可以使用軟件實(shí)現(xiàn)的方式構(gòu)造 VMM。

經(jīng)典的 CPU 虛擬化方法主要使用“特權(quán)解除”（Privilege deprivileging） 和“陷入－模擬”（Trap-and-Emulation） 的方式。即：將 Guest OS 運(yùn)行在非特權(quán)級(jí)（特權(quán)解除），而將 VMM 運(yùn)行于最高特權(quán)級(jí)（完全控制系統(tǒng)資源）。解除了 Guest OS 的特權(quán)后，Guest OS 的大部分指令仍可以在硬件上直接運(yùn)行，只有當(dāng)執(zhí)行到特權(quán)指令時(shí)，才會(huì)陷入到 VMM 模擬執(zhí)行（陷入－模擬）。下面我們更為詳細(xì)的解釋一下這種機(jī)制

我們知道虛擬機(jī)是對(duì)真實(shí)計(jì)算環(huán)境的抽象和模擬，VMM 需要為每個(gè)虛擬機(jī)分配一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理它們狀態(tài)，包括虛擬處理器的全套寄存器，物理內(nèi)存的使用情況，虛擬設(shè)備的狀態(tài)等等。

VMM 調(diào)度虛擬機(jī)時(shí)，將其部分狀態(tài)恢復(fù)到主機(jī)系統(tǒng)中。并非所有的狀態(tài)都需要恢復(fù)，例如主機(jī) CR3 寄存器（Control Rigister 控制寄存器，包括 CR0-CR3）中存放的是 VMM 設(shè)置的頁(yè)表物理地址，而不是 Guest OS 設(shè)置的值。主機(jī)處理器直接運(yùn)行 Guest OS 的機(jī)器指令，由于 Guest OS 運(yùn)行在低特權(quán)級(jí)別，當(dāng)訪問(wèn)主機(jī)系統(tǒng)的特權(quán)狀態(tài)（如寫 GDT 寄存器）時(shí)，權(quán)限不足導(dǎo)致主機(jī)處理器產(chǎn)生異常，將運(yùn)行權(quán)自動(dòng)交還給 VMM。此外，外部中斷的到來(lái)也會(huì)導(dǎo)致 VMM 的運(yùn)行。VMM 可能需要先將 該虛擬機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)寫回到狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，分析虛擬機(jī)被掛起的原因，然后代表 Guest OS 執(zhí)行相應(yīng)的特權(quán)操作。

最簡(jiǎn)單的情況，如 Guest OS 對(duì) CR3 寄存器的修改，只需要更新虛擬機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可。一般而言，大部分情況下，VMM 需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的流程才能完成原本簡(jiǎn)單的操作。最后 VMM 將運(yùn)行權(quán)還給 Guest OS，Guest OS 從上次被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行，或處理 VMM “塞”入的虛擬中斷和異常。這種經(jīng)典的虛擬機(jī)運(yùn)行方式就是 Trap-And-Emulate，虛擬機(jī)對(duì)于 Guest OS 完全透明，Guest OS 不需要任何修改，但是 VMM 的設(shè)計(jì)會(huì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)整體性能受到明顯的損害。

3. 虛擬化的基本特征

我們一般認(rèn)為虛擬化包括四方面的基本特征：

（1）分區(qū)：即在單一物理機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)。

分區(qū)意味著虛擬化層擁有為多個(gè)虛擬機(jī)劃分服務(wù)器資源的能力；每個(gè)虛擬機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的操作系統(tǒng)（相同或不同的操作系統(tǒng)），使得用戶能夠在一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序；每個(gè)操作系統(tǒng)只能看到虛擬化層為其提供的“虛擬硬件”（虛擬網(wǎng)卡、CPU、內(nèi)存等），使它認(rèn)為運(yùn)行在自己的專用服務(wù)器上。

（2）隔離：在同一物理機(jī)上的虛擬機(jī)之間是相互隔離的。

這意味著一個(gè)虛擬機(jī)的崩潰或故障（例如，操作系統(tǒng)故障、應(yīng)用程序崩潰、驅(qū)動(dòng)程序故障，等等）不會(huì)影響同一物理機(jī)上的其它虛擬機(jī)；

一個(gè)虛擬機(jī)中的病毒、蠕蟲等與其它虛擬機(jī)相隔離，就像每個(gè)虛擬機(jī)都位于單獨(dú)的物理機(jī)上一樣；

不但可以進(jìn)行資源控制以提供性能隔離，可以為每個(gè)虛擬機(jī)指定最小和最大資源使用量，以確保某個(gè)虛擬機(jī)不會(huì)占用所有資源而使得同一系統(tǒng)中的其它虛擬機(jī)無(wú)資源可用；

還可以在單一機(jī)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)負(fù)載/應(yīng)用程序/操作系統(tǒng)，而不會(huì)出現(xiàn)前面提到的，由于傳統(tǒng) x86 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的局限性所導(dǎo)致的那些問(wèn)題（應(yīng)用程序沖突、DLL 沖突等）。

（3）封裝：整個(gè)虛擬機(jī)都保存在文件中，可以通過(guò)移動(dòng)文件的方式來(lái)遷移該虛擬機(jī)。

也就是說(shuō)整個(gè)虛擬機(jī)（包括硬件配置、BIOS 配置、內(nèi)存狀態(tài)、磁盤狀態(tài)、CPU 狀態(tài)）都儲(chǔ)存在獨(dú)立于物理硬件的一組文件中。這樣，使用者只需復(fù)制幾個(gè)文件就可以隨時(shí)隨地根據(jù)需要復(fù)制、保存和移動(dòng)虛擬機(jī)。

（4）相對(duì)于硬件獨(dú)立：無(wú)需修改就可以在任何服務(wù)器上運(yùn)行虛擬機(jī)。

因?yàn)樘摂M機(jī)運(yùn)行在虛擬化層之上，所以操作系統(tǒng)只能看到虛擬化層提供的虛擬硬件；而且這些虛擬硬件也同樣不必考慮物理服務(wù)器的情況；這樣，虛擬機(jī)就可以在任何 x86 服務(wù)器（IBM、Dell、HP 等）上運(yùn)行而無(wú)需進(jìn)行任何修改。這打破了操作系統(tǒng)和硬件以及應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)/硬件之間的約束，也就是實(shí)現(xiàn)了解耦。

當(dāng)前名稱：漫談虛擬化之一虛擬化綜述
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