虚拟化技术总览

发布时间:2021-10-25 17:26:24


本文首发于我的公众号 aCloudDeveloper,专注于云计算,但不止于云计算,努力打造干货*台,欢迎大家关注,二维码文末可以扫。



虚拟化本质上是软/硬件层的抽象

说起虚拟化,相信大家应该都不陌生,像虚拟内存、Java 虚拟机、Android 模拟器这些都是虚拟化技术的体现,为什么这样说,这个就要回到虚拟化技术的本质上??虚拟化就是由位于下层的软件模块,根据上层的软件模块的期待,抽象(虚拟)出一个虚拟的软件或硬件模块,使上一层软件直接运行在这个与自己期待完全一致的虚拟环境上。从这个意义上来看,虚拟化既可以是软件层的抽象,又可以是硬件层的抽象。



所以说,像虚拟内存、Java 虚拟机、Android 模拟器这些都属于是软件虚拟化技术,而硬件虚拟化技术更多的应用就是在云计算领域。从提出至今,虚拟化技术已经出现了多种实现方式,这些不同的方式其实就是软件和硬件的不同组合。本文主要就是对这些实现方式进行一个总览,形成一个总体认识,方便后面的学*。


VMM

VMM 全称是 Virtual Machine Monitor,虚拟机监控系统,也叫 Hypervisor,是虚拟化层的具体实现。主要是以软件的方式,实现一套和物理主机环境完全一样的虚拟环境,物理主机有的所有资源,包括 CPU、内存、网络 IO、设备 IO等等,它都有。这样的方式相当于 VMM 对物理主机的资源进行划分和隔离,使其可以充分利用资源供上层使用。虚拟出的资源以虚拟机的形式提供服务,一个虚拟机本质上和一台物理机没有什么区别,可以跑各种操作系统,在之上再跑各种应用。这种方式无疑是计算机历史上非常里程碑的一步,你想想,以前可能要买多台服务器才能解决的事,现在只用一台就解决了。


虚拟机通常叫做客户机(guest),物理机叫宿主机(host),VMM 处在中间层,既要负责对虚拟资源的管理,包括虚拟环境的调度,虚拟机之间的通信以及虚拟机的管理等,又要负责物理资源的管理,包括处理器、中断、内存、设备等的管理,此外,还要提供一些附加功能,包括定时器、安全机制、电源管理等。



VMM 分类

VMM 根据*台类型和实现结构有两种不同的分类,按*台类型可以分为完全虚拟化类虚拟化,完全虚拟化就是 VMM 完全模拟出一个跟物理主机完全一样的环境。但是这个是非常困难的,首先,这需要硬件的支持,而硬件在初期设计的时候,没有那么远的前瞻性,可以预想到为虚拟化提供支持,前次,指令的复杂性,即使通过模拟的方式也很难做到全部指令都模拟。所以,就需要借助其他的一些技术来辅助虚拟化。



软件辅助虚拟化是通过优先级压缩(Ring Compression)和二进制代码翻译(Binary Translation)这两个技术来完成的。简单讲,RC 基于 CPU 特权级的原理,也就是 guest、VMM 和 host 分别处于不同的特权级上(这个后面讲 CPU 虚拟化的时候会详述),guest 要访问 host 就属于越级访问,会抛异常,这时 VMM 会截获这个异常,并模拟出其可能的行为,从而进行相应处理。但这个问题很明显,就是由于硬件设计的缺陷,有些指令并不能截获,从而导致“漏洞”。


BT 可以弥补这个缺陷,它通过去扫描 guest 的二进制的代码,将难以虚拟化的指令转为支持虚拟化的指令,从而可以配合 VMM 完成虚拟化功能。这两种方式都是通过「打补丁」的方式来辅助虚拟化,很难再架构上保证完整性。


所以,后期的硬件厂商就在硬件上对虚拟化提供了支持,有了硬件辅助的虚拟化。通过对硬件本身加入更多的虚拟化功能,就可以截获更多的敏感指令,填补上漏洞。在这一块,Intel 的 VT-x/d 技术和 AMD 的 AMD-V 技术是其中的代表。


而类虚拟化则是另外一种通过软件来避免漏洞的方式,就是通过修改 guest 操作系统内核代码(API 级)来避免漏洞,这种方式好处就是可以自定义内核的执行行为,某种程度上对性能进行优化。


上面这种分类仅供了解即可,重点掌握下面这种分类,就是根据 VMM 的实现结构分类,主要分类** Hypervisor 模型(1 型)宿主模型(2 型)**。


Hypervisor 模型中 VMM 既是操作系统,也是虚拟化软件,也就是集成了虚拟化功能的操作系统,对上为 guest 提供虚拟化功能,对下管理着所有物理资源,它的优点就是效率高,虚拟机的安全性只依赖于 VMM,缺点就是管理所有的物理资源,意味着 VMM 要承担很多的开发工作,特别是驱动层面的开发,我们知道硬件的 I/O 设备是很多的,这些设备都要有对应的驱动来设配才能为虚拟机提供功能。



宿主模型剥离了管理功能和虚拟化功能,虚拟化功能只是作为内核的一个模块来加载,比如 KVM 技术就是其中的佼佼者,KVM 技术可以说是云计算最核心的技术了,后面会经常用到。一般 KVM 只负责 CPU 和内存的虚拟化,I/O 的虚拟化则由另外一个技术来完成,即 Qemu。这些技术都是后面的重点,在这里只是提一下。



典型虚拟化产品
VMware

VMware 可以说是虚拟化的鼻祖,现在很多公司都是在模仿 VMware 的产品,相应用过 VMware 虚拟机的朋友应该不陌生了,VMware 提供了很多的虚拟化产品,从服务器到桌面都有很多应用。主要有面向企业级应用的 ESX Server,面向服务端的入门级产品 VMware Server,面向桌面的主打产品 VMware Workstation(这个相信大家经常用),面向苹果系统的桌面产品 VMware Fusion,还有提供整套虚拟应用产品的 VMware vSphere,细分的话还有 VMware vStorage(虚拟存储),VMware vNet(虚拟网络)等。


Xen

Xen 是一款开源虚拟机软件,Xen 结合了 Hypervisor 模型和宿主模型,属于一种混合的虚拟化模型,基于 Xen 的虚拟化产品也有很多,比如 Ctrix、VirtualIron、RedHat 和 Novell 等都有相应的产品。这个一般是研究机构用得多一些,生产环境中大部分用的是 KVM。


KVM

KVM 也是一款开源软件,于 2007 年 2 月被集成到了 Linux 2.6.20 内核中,成为了内核的一部分。KVM 采用的是基于 Intel VT 的硬件辅助虚拟化技术,以及结合 Qemu 来提供设备虚拟化,从实现上看,属于宿主模型。使用 KVM 的厂商很多啊,像我们比较熟悉 VMware Workstation 和 VirtualBox 都在使用,在此就不一一列举了。




我的公众号 aCloudDeveloper 分享的内容包括但不限于云计算虚拟化、容器、OpenStack、K8S、雾计算、SDN、OVS、DPDK、Linux、Python、C/C++编程技术等内容,欢迎大家关注。



相关文档

  • 六年级美术教学反思随笔
  • 怎么治疗婴儿湿疹
  • 荣耀30属于高端机吗
  • 报错:org.apache.jasper.JasperException: /jsp/head.jsp (line: 1, column: 2) Page directive: illegal to
  • 灰光和彩光_《致我们暖暖的小时光》纯爱向比狗血向更加吃香
  • 关于军训生活的心得体会精选
  • 去动物园周记
  • 温暖的心
  • 爱宝宝的话语心情说说_形容对宝宝的爱的祝福语
  • 商务谈判策划方案范文_值得收藏
  • 手机一直电量1%,为什么
  • 每天靠墙抬脚有什么好处?6大好处让你想象不到
  • 简短的祝福语妇女节给妈妈
  • 小本做生意的项目
  • 广东高考分数线2020年广东历年高考分数线已公布广东2020年今年高考分数线
  • 中国哪个动物园最大野生动物最多
  • 一个人经历了一些事情才会明悟的人生哲理说说
  • 两个qml之间通信_电池管理系统菊花链通信技术介绍
  • 云安全,到底是怎么一回事?
  • 考研英语请求信作文怎么写
  • 《狼图腾》观后感800字
  • ke易支付怎么样
  • 关于小学二年级的日记范文
  • 电子通信类投稿期刊介绍
  • 高考英语常用的好短语
  • 烤蘑菇的做法 蘑菇炒菜心的做法
  • 孕妈妈练习瑜伽注意事项
  • 北美精算师考试注意事项2017
  • 白领怎样改变亚健康有哪些方法
  • 爱情心语句子85句
  • 猜你喜欢

    电脑版