• 28.1 了解虛擬化
• 28.2 常見虛擬化軟件
• 28.3 虛擬化架構
• 28.4 KVM簡介

了解虛擬化

虛擬化簡單講，就是把一臺物理計算機虛擬成多臺邏輯計算機，每個邏輯計算機裏面可以運行不同的操作系統，相互不受影響，每個邏輯系統都是獨立的存在，這樣就可以充分利用物理硬件的資源，而且還可以自由分配資源。

虛擬化是一個廣義的術語，對於不同的人來說可能意味著不同的東西，這要取決他們所處的環境。在計算機科學領域中，虛擬化代表著對計算資源的抽象，而不僅僅局限於虛擬機的概念。例如對物理內存的抽象，產生了虛擬內存技術，使得應用程序認為其自身擁有連續可用的地址空間（Address Space），而實際上，應用程序的代碼和數據可能是被分隔成多個碎片頁或段），甚至被交換到磁盤、閃存等外部存儲器上，即使物理內存不足，應用程序也能順利執行。

虛擬化技術起源於20世紀60年代末，美國IBM公司當時開發了一套被稱作虛擬機監視器（Virtual Machine Monitor）的軟件，該軟件作為計算機硬件層上面的一層軟件抽象層，將計算機硬件虛擬分區成一個或多個虛擬機，並提供多用戶對大型計算機的同時、交互訪問。

虛擬化技術主要分為以下幾個大類 ：

• 平臺虛擬化（Platform Virtualization），針對計算機和操作系統的虛擬化。
• 資源虛擬化（Resource Virtualization），針對特定的系統資源的虛擬化，比如內存、存儲、網絡資源等。
• 應用程序虛擬化（Application Virtualization），包括仿真、模擬、解釋技術等。

我們通常所說的虛擬化主要是指平臺虛擬化技術，通過使用控制程序（Control Program，也被稱為 Virtual Machine Monitor 或 Hypervisor），隱藏特定計算平臺的實際物理特性，為用戶提供抽象的、統一的、模擬的計算環境（稱為虛擬機）。虛擬機中運行的操作系統被稱為客戶機操作系統（Guest OS），運行虛擬機監控器的操作系統被稱為主機操作系統（Host OS），當然某些虛擬機監控器可以脫離操作系統直接運行在硬件之上（如 VMWARE 的 ESX 產品）。運行虛擬機的真實系統我們稱之為主機系統。

示意圖：

在之前虛擬化技術分為全虛擬化和半虛擬化，因為早期的CPU硬件不支持虛擬化，虛擬機上的操作系統（Guest OS）要想使用CPU資源，需要通過VMM來翻譯指令，這個過程比較耗費資源，這種虛擬化技術叫做全虛擬化（例如VMware Workstation）。半虛擬化技術通過修改Guest OS內核，讓Guest OS可以直接使用CPU資源，而不需要翻譯指令了，從而節省了資源，但修改內核比較雞肋（例如XEN），因為有些操作系統的內核是不開源的。後續CPU廠商直接支持虛擬化，不需要通過VMM翻譯指令了，就無所謂半虛擬化和全虛擬化了。

虛擬化技術的優點：

• 資源池——一個物理機的資源分配到了不同的虛擬機裏
• 很容易擴展——增加物理機或者虛擬機即可，因為虛擬機是可以復制的
• 很容易雲化——亞馬孫AWS，阿裏雲，谷歌雲等

虛擬化技術的局限性：

• 每一個虛擬機都是一個完整的操作系統，所以需要給其分配物理資源，當虛擬機數量增多時，操作系統本身消耗的資源勢必增多
• 虛擬化技術沒法解決運維環境和開發環境的矛盾，所以後來才出現了容器技術

關於虛擬化技術的更多內容，可參考以下文章：

• 虛擬化技術漫談
• 全虛擬化和半虛擬化的區別 cpu的ring0 ring1又是什麽概念?
• 三種虛擬化技術的技術差別圖解

常見虛擬化軟件

VMware系列，商業

• VMware Workstation，適合單機使用
• VMware Vsphere（VMware esxi），適合規模更大的場景
• VMware Fusion（Mac）

Xen

• 開源，支持半虛擬化

XenServer

• 商業，Ctirx收購Xen之後研發的，基於Xen的

KVM

• 開源 ，基於Linux內核模塊，目前KVM已經被紅帽收購了，大多數系統都傾向於使用KVM

Hyper-V

• 商業，微軟的產品，適合在windows服務器上用

Openvz

• 開源 ，輕量，基於Linux，虛擬機和宿主機共用一個內核，優點是一臺物理機可以虛擬化很多臺虛擬機，缺點是不穩定，物理機的內核奔潰，所有的虛擬機都會崩潰，早期vps供應商用得比較多

VirtualBox

• 開源 ，Sun公司開發 ，Oracle收購Sun之後，現在屬於Oracle

虛擬化架構

虛擬化技術有很多，不同的體系都有幾十種，但是虛擬化架構主要有兩種形式：宿主架構和裸金屬架構：

I型：虛擬機直接運行在系統硬件上，創建硬件全仿真實例，被稱為“裸機”,也稱為裸金屬架構。

II型：虛擬機運行在傳統操作系統上，同樣創建的是硬件全仿真實例，被稱為“托管”hypervisor。也稱為宿主架構。

Xen屬於I型，KVM屬於II型。

虛擬化架構是一個大話題，關於這方面的詳細內容可參考以下文章：

• 雲計算4種主流虛擬技術架構對比分析

KVM簡介

這裏只介紹KVM而不介紹其他虛擬化軟件的原因有兩點，一是我們大多數的服務器系統都是Linux內核的操作系統，而KVM是基於Linux內核的。二是KVM是開源、免費的，其他的例如VMware Vsphere、XenServer等都是商業收費的，而Hyper-V 又是Windows的，Openvz 又有局限性（與宿主共用內核，就無法安裝其他內核的虛擬機），穩定性也有待考究，VirtualBox又不適合大規模的虛擬化場景，所以最後就只剩下KVM了。

KVM是Kernel-based Virtual Machine的縮寫，意為基於內核的虛擬機。KVM是一個完全開源的系統虛擬化模塊，它所基於的是Linux內核，它把Linux內核變成了一個Hypervisor，自Linux 2.6.20之後集成在Linux的各個主要發行版本中。它使用Linux自身的調度器進行管理，所以相對於Xen，其核心源碼很少。KVM目前已成為學術界的主流VMM之一。

最開始KVM是由以色列初創公司Qumranet開發，後來2008年9月RedHat公司收購了Qumranet，RedHat基於KVM的虛擬化解決方案叫做RHEV，不過RHEV是收費的。

KVM的虛擬化需要硬件支持（如Intel VT技術或者AMD V技術)。是基於硬件的完全虛擬化。而Xen早期則是基於軟件模擬的Para-Virtualization，新版本則是基於硬件支持的完全虛擬化。但Xen本身有自己的進程調度器，存儲管理模塊等，所以代碼較為龐大。廣為流傳的商業系統虛擬化軟件VMware ESX系列是基於軟件模擬的Full-Virtualization。

KVM在Linux操作系統裏面以進程的形式出現，由標準的Linux調度程序進行調度，這使得KVM能夠使用Linux內核的已有功能。但是只有一個KVM內核模塊還不能實現虛擬化的全部功能，就好比操作系統只有內核還不能成為一個完整的操作系統一樣。所以這就需要提到QEMU了，QEMU是一個開源的虛擬化軟件，純軟件，可以虛擬化所有的硬件，性能不強。而KVM基於QEMU開發了一個能夠運行在用戶空間的工具QEMU-KVM，KVM裏的磁盤、網絡設備等都是通過QEMU-KVM這個工具模擬出來的，所以KVM結合QEMU-KVM工具之後才算完整，KVM和QEMU-KVM通信是通過/dev/kvm實現的。其中libvirt是用來管理KVM虛擬機的API，其命令為virsh。

KVM架構圖：

虛擬化技術概述