虚拟化技术概述

笔记内容：虚拟化技术概述
笔记日期：2018-03-05

• 28.1 了解虚拟化
• 28.2 常见虚拟化软件
• 28.3 虚拟化架构
• 28.4 KVM简介

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了解虚拟化

虚拟化简单讲，就是把一台物理计算机虚拟成多台逻辑计算机，每个逻辑计算机里面可以运行不同的操作系统，相互不受影响，每个逻辑系统都是独立的存在，这样就可以充分利用物理硬件的资源，而且还可以自由分配资源。

虚拟化是一个广义的术语，对于不同的人来说可能意味着不同的东西，这要取决他们所处的环境。在计算机科学领域中，虚拟化代表着对计算资源的抽象，而不仅仅局限于虚拟机的概念。例如对物理内存的抽象，产生了虚拟内存技术，使得应用程序认为其自身拥有连续可用的地址空间（Address Space），而实际上，应用程序的代码和数据可能是被分隔成多个碎片页或段），甚至被交换到磁盘、闪存等外部存储器上，即使物理内存不足，应用程序也能顺利执行。

虚拟化技术起源于20世纪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（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区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。

虚拟化技术主要分为以下几个大类 ：

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

我们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。

示意图：

在之前虚拟化技术分为全虚拟化和半虚拟化，因为早期的CPU硬件不支持虚拟化，虚拟机上的操作系统（Guest OS）要想使用CPU资源，需要通过VMM来翻译指令，这个过程比较耗费资源，这种虚拟化技术叫做全虚拟化（例如VMware Workstation）。半虚拟化技术通过修改Guest OS内核，让Guest OS可以直接使用CPU资源，而不需要翻译指令了，从而节省了资源，但修改内核比较鸡肋（例如XEN），因为有些操作系统的内核是不开源的。后续CPU厂商直接支持虚拟化，不需要通过VMM翻译指令了，就无所谓半虚拟化和全虚拟化了。

虚拟化技术的优点：

• 资源池——一个物理机的资源分配到了不同的虚拟机里
• 很容易扩展——增加物理机或者虚拟机即可，因为虚拟机是可以复制的
• 很容易云化——亚马孙AWS，阿里云，谷歌云等

虚拟化技术的局限性：

• 每一个虚拟机都是一个完整的操作系统，所以需要给其分配物理资源，当虚拟机数量增多时，操作系统本身消耗的资源势必增多
• 虚拟化技术没法解决运维环境和开发环境的矛盾，所以后来才出现了容器技术

关于虚拟化技术的更多内容，可参考以下文章：

• 虚拟化技术漫谈
• 全虚拟化和半虚拟化的区别 cpu的ring0 ring1又是什么概念?
• 三种虚拟化技术的技术差别图解

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常见虚拟化软件

VMware系列，商业

• VMware Workstation，适合单机使用
• VMware Vsphere（VMware esxi），适合规模更大的场景
• VMware Fusion（Mac）

Xen

• 开源，支持半虚拟化

XenServer

• 商业，Ctirx收购Xen之后研发的，基于Xen的

KVM

• 开源 ，基于Linux内核模块，目前KVM已经被红帽收购了，大多数系统都倾向于使用KVM

Hyper-V

• 商业，微软的产品，适合在windows服务器上用

Openvz

• 开源 ，轻量，基于Linux，虚拟机和宿主机共用一个内核，优点是一台物理机可以虚拟化很多台虚拟机，缺点是不稳定，物理机的内核奔溃，所有的虚拟机都会崩溃，早期vps供应商用得比较多

VirtualBox

• 开源 ，Sun公司开发 ，Oracle收购Sun之后，现在属于Oracle

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虚拟化架构

虚拟化技术有很多，不同的体系都有几十种，但是虚拟化架构主要有两种形式：宿主架构和裸金属架构：

I型：虚拟机直接运行在系统硬件上，创建硬件全仿真实例，被称为“裸机”,也称为裸金属架构。

II型：虚拟机运行在传统操作系统上，同样创建的是硬件全仿真实例，被称为“托管”hypervisor。也称为宿主架构。

Xen属于I型，KVM属于II型。

虚拟化架构是一个大话题，关于这方面的详细内容可参考以下文章：

• 云计算4种主流虚拟技术架构对比分析

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KVM简介

这里只介绍KVM而不介绍其他虚拟化软件的原因有两点，一是我们大多数的服务器系统都是Linux内核的操作系统，而KVM是基于Linux内核的。二是KVM是开源、免费的，其他的例如VMware Vsphere、XenServer等都是商业收费的，而Hyper-V 又是Windows的，Openvz 又有局限性（与宿主共用内核，就无法安装其他内核的虚拟机），稳定性也有待考究，VirtualBox又不适合大规模的虚拟化场景，所以最后就只剩下KVM了。

KVM是Kernel-based Virtual Machine的缩写，意为基于内核的虚拟机。KVM是一个完全开源的系统虚拟化模块，它所基于的是Linux内核，它把Linux内核变成了一个Hypervisor，自Linux 2.6.20之后集成在Linux的各个主要发行版本中。它使用Linux自身的调度器进行管理，所以相对于Xen，其核心源码很少。KVM目前已成为学术界的主流VMM之一。

最开始KVM是由以色列初创公司Qumranet开发，后来2008年9月RedHat公司收购了Qumranet，RedHat基于KVM的虚拟化解决方案叫做RHEV，不过RHEV是收费的。

KVM的虚拟化需要硬件支持（如Intel VT技术或者AMD V技术)。是基于硬件的完全虚拟化。而Xen早期则是基于软件模拟的Para-Virtualization，新版本则是基于硬件支持的完全虚拟化。但Xen本身有自己的进程调度器，存储管理模块等，所以代码较为庞大。广为流传的商业系统虚拟化软件VMware ESX系列是基于软件模拟的Full-Virtualization。

KVM在Linux操作系统里面以进程的形式出现，由标准的Linux调度程序进行调度，这使得KVM能够使用Linux内核的已有功能。但是只有一个KVM内核模块还不能实现虚拟化的全部功能，就好比操作系统只有内核还不能成为一个完整的操作系统一样。所以这就需要提到QEMU了，QEMU是一个开源的虚拟化软件，纯软件，可以虚拟化所有的硬件，性能不强。而KVM基于QEMU开发了一个能够运行在用户空间的工具QEMU-KVM，KVM里的磁盘、网络设备等都是通过QEMU-KVM这个工具模拟出来的，所以KVM结合QEMU-KVM工具之后才算完整，KVM和QEMU-KVM通信是通过/dev/kvm实现的。其中libvirt是用来管理KVM虚拟机的API，其命令为virsh。

KVM架构图：