云计算的虚拟技术架构分析

云计算的虚拟技术架构分析

发表时间：2012-2-28 周冠宇 来源：万方数据

关键字： 云计算 虚拟化 ESX Hyper-V XEN KVM 架构

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云计算离不开底层的虚拟化技术支持。维基百科列举的虚拟化技术有超过60种，基于X86(CISC)体系的超过50种，也有基于RISC体系的，其中有4种虚拟化技术是当前最为成熟而且应用最为广泛的，分别是：VMWARE的ESX、微软的Hyper-V、开源的XEN和KVM。云计算平台选用何种虚拟化技术将是云计算建设所要面临的问题，文章就4种主流虚拟化技术的架构层面进行了对比分析。

    XEN支持两种类型的虚拟机，一类是半虚拟化(PV，Paravirtualization)，另一类是全虚拟化(XEN称其为HVM，Hardware Virtual Machine)。半虚拟化需要特定内核的操作系统，如基于Linux paravirt_ops(Linux内核的一套编译选项)框架的Linux内核，而Windows操作系统由于其封闭性则不能被XEN的半虚拟化所支持，XEN的半虚拟化有个特别之处就是不要求CPU具备硬件辅助虚拟化，这非常适用于2007年之前的旧服务器虚拟化改造。全虚拟化支持原生的操作系统，特别是针对Windows这类操作系统，XEN的全虚拟化要求CPU具备硬件辅助虚拟化，它修改的Qemu仿真所有硬件，包括：BIOS、IDE控制器、VGA显示卡、USB控制器和网卡等。为了提升I/O性能，全虚拟化特别针对磁盘和网卡采用半虚拟化设备来代替仿真设备，这些设备驱动称之为PV on HVM，为了使PV on HVM有最佳性能。CPU应具备MMU硬件辅助虚拟化。

    XEN的Hypervisor层非常薄，少于15万行的代码量，不包含任何物理设备驱动，这一点与Hyper-V是非常类似的，物理设备的驱动均是驻留在Dom 0中，可以重用现有的Linux设备驱动程序。因此，XEN对硬件兼容性也是非常广泛的，Linux支持的，它就支持。

    (4)KVM的虚拟化架构(如图4)

 

图4  KVM的虚拟化架构示意图

    KVM的全称是Kernel-based Virtual Machine，字面意思是基于内核虚拟机。其最初是由Qumranet公司开发的一个开源项目，2007年1月首次被整合到Linux 2.6.20核心中；2008年，Qumranet被RedHat所收购，但KVM本身仍是一个开源项目，由RedHat、IBM等厂商支持。KVM作为Linux内核中的一个模块，与Linux内核一起发布，至2011年1月的最新版本是kvm-kmod 2.6.37。

    与XEN类似，KVM支持广泛的CPU架构，除了X86/X86_64 CPU架构之外，还将会支持大型机(S/390)、小型机(PowerPC、IA64)及ARM等。

    KVM充分利用了CPU的硬件辅助虚拟化能力，并重用了Linux内核的诸多功能，使得KVM本身是非常瘦小的，KVM的创始者Avi Kivity声称KVM模块仅有约10000行代码，但我们不能认为KVM的Hypervisor就是这个代码量，因为从严格意义来说，KVM本身并不是Hypervisor，它仅是Linux内核中的一个可装载模块，其功能是将Linux内核转换成一个裸金属的Hypervisor。这相对于其它裸金属架构来说，它是非常特别的，有些类似于宿主架构，业界甚至有人称其是半裸金属架构。

    通过KVM模块的加载将Linux内核转变成Hypervisor，KVM在Linux内核的用户(User)模式和内核(Kernel)模式基础上增加了客户(Guest)模式。Linux本身运行于内核模式，主机进程运行于用户模式，虚拟机则运行于客户模式，使得转变后的Linux内核可以将主机进程和虚拟机进行统一的管理和调度，这也是KVM名称的由来。

    KVM利用修改的QEMU提供BIOS、显卡、网络、磁盘控制器等的仿真，但对于I/O设备(主要指网卡和磁盘控制器)来说，则必然带来性能低下的问题。因此，KVM也引入了半虚拟化的设备驱动，通过虚拟机操作系统中的虚拟驱动与主机Linux内核中的物理驱动相配合，提供近似原生设备的性能。从此可以看出，KVM支持的物理设备也即是Linux所支持的物理设备。

    本文所讨论的4种虚拟化技术都用到了半虚拟化驱动，若要在不同虚拟化架构之间迁移虚拟机，这些半虚拟化驱动将必然带来兼容性问题。因此，RedHat和IBM联合Linux社区推出VirtIO半虚拟化驱动开发标准，基于VirtIO的半虚拟化驱动独立于Hypervisor，跨平台迁移时半虚拟化驱动仍可重用，使得不同虚拟化架构之间更容易实现互操作。

3 结束语

    目前，传统概念下的半虚拟化和全虚拟化的界线越来越模糊了，而且半虚拟化和全虚拟化得到了有机的整合，如半虚拟化的设备驱动和全虚拟化的虚拟机在上述四种虚拟化架构中得到了统一，很多虚拟化厂商也不再明确自己的虚拟化产品归类(如VMware和微软)。

    随着CPU硬件辅助虚拟化技术发展到了二代，而且新版的操作系统对虚拟化技术的原生支持(如Windows7的Natively Enlightened，Linux的paravirt_ops内核选项)，以及Hypervisor对虚拟机的CPU调度和内存管理越来越少的干预。则软件做得越少而硬件做得越多，如虚拟机之间内存管理所需用到的地址翻译由软件的影式分页(Shadow Paging)转变为由CPU硬件加速的嵌套分页(Nested Paging)，各种虚拟化技术既有全虚拟化技术对操作系统的兼容性，又有半虚拟化技术所带来的性能优势。

    从架构上来看，各种虚拟化技术没有明显的性能差距，稳定性也在逐渐逼近中，各自有着自身的优势场景和市场群体。因此，我们在进行虚拟化技术选型时，不应局限于某一种虚拟化技术，而应该有一套综合管理平台实现对各种虚拟化技术的兼容并蓄，实现不同技术架构的统一管理及跨技术架构的资源调度，最终达到云计算可运营的目标。