剖析系统虚拟化

 

简单而言，虚拟化（Virtulization）是表示计算机资源的抽象方法。通过虚拟化可以对包括基础设施，系统和软件等计算机资源的表示，访问和管理进行简化，并为这些资源提供标准的接口来接受输入和提供输出。

虚拟化技术有很多种，比如，网络虚拟化，内存的虚拟化，桌面虚拟化，应用虚拟化和虚拟内存等等。因为篇幅的原因，本系列将重点关注系统虚拟化，特别是X86平台。今后此系列当中提到的虚拟化皆指系统虚拟化。

系统虚拟化的目的通过使用虚拟化管理器（Virtual Machine Monitor，简称VMM）是在一台物理机上虚拟和运行一台或多台虚拟机（Virtual Machine，简称VM）。VMM主要有两种形式：

1. Hypervisor VM，它直接运行在硬件（Bare Metal）上面，提供接近于物理机的性能，并在I/O上面做了特别多的优化，主要用于服务器类的应用，也被称为“Type 1”。
2. Hosted（托管）VM，它运行在物理机的操作系统上，虽然其本身性能不如Hypervisor（因为它和硬件之间隔了一层OS），但是其安装和使用非常方便，而且功能丰富，比如支持三维加速等特性，常用于桌面应用，也被称为“Type 2”。

系统虚拟机的分类

由于采用技术的不同，可以将系统虚拟化分为五大类：

硬件仿真（Emulation）

简介：属于Hosted模式，在物理机的操作系统上创建一个模拟硬件的程序（Hardware VM）来仿真所想要的硬件，并在此程序上跑虚拟机，而且虚拟机内部的客户操作系统（Guest OS）无需修改。知名的产品有Bochs，QEMU和微软的Virtual PC（它还使用少量的全虚拟化技术）。

图1. 硬件仿真架构图

优点：Guest OS无需修改，而且非常适合用于操作系统开发，也利于进行固件和硬件的协作开发。固件开发人员可以使用目标硬件 VM 在仿真环境中对自己的实际代码进行验证，而不需要等到硬件实际可用的时候。

缺点：速度非常慢，有时速度比物理情况慢100倍以上。

未来：因为速度的问题，渐趋颓势，但是还应该有一席之地。

全虚拟化（Full Virtulization）

简介：主要是在客户操作系统和硬件之间捕捉和处理那些对虚拟化敏感的特权指令，使客户操作系统无需修改就能运行，速度会根据不同的实现而不同，但大致能满足用户的需求。这种方式是业界现今最成熟和最常见的，而且属于 Hosted 模式和 Hypervisor 模式的都有，知名的产品有IBM CP/CMS，VirtualBox，KVM，VMware Workstation和VMware ESX（它在其4.0版，被改名为VMware vSphere）。

图2. 全虚拟化架构图

优点：Guest OS无需修改，速度和功能都非常不错，更重要的是使用非常简单，不论是 VMware 的产品，还是Sun（Oracle？）的 VirtualBox。

缺点：基于Hosted模式的全虚拟产品性能方面不是特别优异，特别是I/O方面。

未来：因为使用这种模式，不仅Guest OS免于修改，而且将通过引入硬件辅助虚拟化技术来提高其性能，我个人判断，在未来全虚拟化还是主流。

半虚拟化（Parairtulization）

简介：它与完全虚拟化有一些类似，它也利用Hypervisor来实现对底层硬件的共享访问，但是由于在Hypervisor 上面运行的Guest OS已经集成与半虚拟化有关的代码，使得Guest OS能够非常好地配合Hyperivosr来实现虚拟化。通过这种方法将无需重新编译或捕获特权指令，使其性能非常接近物理机，其最经典的产品就是Xen，而且因为微软的Hyper-V所采用技术和Xen类似，所以也可以把Hyper-V归属于半虚拟化。

图3. 半虚拟化架构图

优点：这种模式和全虚拟化相比，架构更精简，而且在整体速度上有一定的优势。

缺点：需要对Guest OS进行修改，所以在用户体验方面比较麻烦。

未来：我觉得其将来应该和现在的情况比较类似，在公有云（比如Amazon EC2）平台上应该继续占有一席之地，但是很难在其他方面和类似VMware vSphere这样的全虚拟化产品竞争，同时它也将会利用硬件辅助虚拟化技术来提高速度，并简化架构。

硬件辅助虚拟化（Hardware Assisted Virtualization）

简介：Intel/AMD等硬件厂商通过对部分全虚拟化和半虚拟化使用到的软件技术进行硬件化（具体将在下文详述）来提高性能。硬件辅助虚拟化技术常用于优化全虚拟化和半虚拟化产品，而不是独创一派，最出名的例子莫过于VMware Workstation，它虽然属于全虚拟化，但是在它的6.0版本中引入了硬件辅助虚拟化技术，比如Intel的VT-x和AMD的AMD-V。现在市面上的主流全虚拟化和半虚拟化产品都支持硬件辅助虚拟化，包括VirtualBox，KVM，VMware ESX和Xen。

优点：通过引入硬件技术，将使虚拟化技术更接近物理机的速度。

缺点：现有的硬件实现不够优化，还有进一步提高的空间。

未来：因为通过使用硬件技术不仅能提高速度，而且能简化虚拟化技术的架构，所以预见硬件技术将会被大多数虚拟化产品所采用。

操作系统级虚拟化（Operating System Level Virtualization）

简介：这种技术通过对服务器操作系统进行简单地隔离来实现虚拟化，主要用于VPS。主要的技术有Parallels Virtuozzo Containers，Unix-like系统上的chroot和Solaris上的Zone等。

图4. 操作系统级架构图

优点：因为它是对操作系统进行直接的修改，所以实现成本低而且性能不错。

缺点：在资源隔离方面表现不佳，而且对Guest OS的型号和版本有限定。

未来：不明朗，我觉得除非有革命性技术诞生，否则还应该属于小众，比如VPS。

五大类之间比较

根据个人的经验，我在性能，用户体验和使用场景这三方面对这五大类进行了比较，具体请看下图：

	性能（和物理机速度之比）	用户体验	形式
硬件仿真	30%-	简单	Hosted
全虚拟化	30%-80%+	简单	Hosted/Hypervisor
半虚拟化	80%+	困难	Hypervisor
硬件辅助虚拟化	80%+	一般	Hosted/Hypervisor
操作系统级虚拟化	80%	困难	类似于Hypervisor

表1. 系统虚拟化五大类之间的比较

因为这表只是我笼统的经验之谈，仅供参考，特别在操作系统级虚拟化这块。

系统虚拟化的用处

主要有那些用处呢？

1. 软件测试，通过使用VirtualBox和VMware Workstation来配置测试环境，不仅比物理方式快捷很多，而且无需购买很多昂贵的硬件，更重要的是，通过它们自带的SnapShot/Pause功能可以非常方便地将错误发生的状态保存起来，这样将极有利于测试员和程序员之间的沟通。现在已经有很多软件都通过虚拟机的形式进行测试，最著名的例子，莫过于以VirtualBox虚拟机形式发布的Chrome OS测试版。我第一次接触到虚拟化技术强大威力就是在软件测试方面。
2. 桌面应用，通过诸如VirtualBox和VMware Workstation等桌面虚拟化软件能让用户使用其他平台的专属软件，比如使用Linux的用户能够通过VirtualBox上虚拟的Windows环境来访问使用ActiveX技术的网上银行。
3. 服务器整合，通过 VMware ESX 和 Xen 能够将多台物理机上的工作量整合到一台物理机上。现有普遍的整合率在1：8左右，也就是使用这些软件能将原本需要八台物理机的工作量整合到一台物理机上。服务器整合不仅能减低硬件，能源和场地等开支，还能极大地简化IT架构的复杂度。
4. 自动化管理，通过使用类似DRS（Distributed Resource Scheduling，分布式资源调度），Live Migration（动态迁移），DPM（Distributed Power Management，分布式电源管理）和HA（High Availability，高可用性） 等高级虚拟化管理技术，能极大地提高整个数据中心的自动化管理程度。
5. 加快应用部署，通过引入虚拟化应用发布格式OVF（Open Virtualization Format），不仅能使第三方应用供应商更方便地发布应用，而且使系统管理员非常简单地部署这个应用（大多数情况下只要轻轻一个点击就可以完成整套部署工作）。