1/7虛擬化技術(shù)探討摘要本文論述了當前流行的純軟件虛擬化技術(shù)原理和具有廣闊應用前景的硬件輔助虛擬化技術(shù)原理以及虛擬化技術(shù)的應用領(lǐng)域，對于關(guān)心和有志于從事虛擬化技術(shù)運用的讀者來說無疑是有益的。關(guān)鍵詞虛擬化技術(shù)虛擬機0引言虛擬化技術(shù)最早起源于20世紀70年代IBM研究中心在實驗室中實現(xiàn)的主機鏡像，在隨后的20多年時間里，該技術(shù)主要部署在巨型、大型和中型計算機中，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡技術(shù)、計算機技術(shù)特別是基于X86CPU的微型計算機的普及和應用需求的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)正在從日趨成熟的主流的服務器虛擬化、存儲虛擬化技術(shù)蔓延到網(wǎng)絡的各個角落，作為一種高速發(fā)展的技術(shù)，虛擬化自然有著其本身非常強大的優(yōu)勢，技術(shù)發(fā)展的背后更蘊藏著一個巨大的市場所謂虛擬化技術(shù)，是指將一臺物理的計算機軟件環(huán)境分割為多個獨立分區(qū)，每個分區(qū)均可以按照需求模擬出一臺完整計算機的技術(shù)。模擬出來的計算機稱為虛擬機。虛擬化技術(shù)的實質(zhì)是通過中間層次實現(xiàn)計算機資源的管理和再分配，實現(xiàn)資源利用的最大化，虛擬化分區(qū)帶來的最大好處是使同一物理平臺能夠同時運行多個同類或不同類2/7型的操作系統(tǒng)，以分別作為不同業(yè)務和應用的支撐平臺。實現(xiàn)虛擬化的技術(shù)主要有純軟件的虛擬化技術(shù)和硬件輔助虛擬化技術(shù)兩種。前者是當前主流的虛擬化技術(shù)，具有成熟的應用，硬件輔助虛擬化技術(shù)是今后的發(fā)展方向。LOCALHOST1純軟件的虛擬化技術(shù)原理傳統(tǒng)的計算機層次結(jié)構(gòu)分為三層，即硬件層、主機操作系統(tǒng)層和應用層，在這種結(jié)構(gòu)中，主機操作系統(tǒng)統(tǒng)一控制、管理和分配整個計算機的硬件和軟件資源，這種結(jié)構(gòu)的缺點在于未能充分發(fā)揮CPU的性能，利用率較低，如單核CPU的利用率在50以下，雙核CPU的平均使用效率不到30，多核CPU的使用效率就更低了；一臺計算機無法滿足同時運行多平臺的應用需求，解決方案是增加計算機數(shù)量，這無疑將增加投資成本計算機的存儲系統(tǒng)、IO系統(tǒng)長時間處于“閑”的狀態(tài)，性能未能充分發(fā)揮出來。采用純軟件的虛擬化技術(shù)可以解決上述問題，在這種結(jié)構(gòu)模式下，硬件層之上仍然安裝被稱為HOSTOS的系統(tǒng)，在其上部署虛擬機軟件，根據(jù)實際應用需求，VMS可以將物理計算機虛擬出多個分區(qū)，每一個分區(qū)稱為一個虛擬機。一個虛擬機與一臺物理計算機的不同之處在于前者是一種技術(shù)規(guī)范，這類技術(shù)規(guī)范由一系列規(guī)則構(gòu)成，與具3/7體的計算機無關(guān)，軟件工程師可以采用任何他自已認為適當?shù)氖侄蝸韺崿F(xiàn)這些規(guī)則。虛擬機VM具有完整的計算機應用環(huán)境，包括硬件層、驅(qū)動接口層、操作系統(tǒng)及應用層，都是建立在計算機的應用環(huán)境上，屬于用戶級軟件。這種虛擬化技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于VMS，由于X86處理器在保護模式下一共有4個不同的優(yōu)先級，即RING0、RING1、RING2和RING3，其中RING0的優(yōu)先級最高，RING3最低。RING0用于操作系統(tǒng)內(nèi)核，RING1和RING2用于操作系統(tǒng)服務，RING3用于應用程序。位于RING0特權(quán)空間的操作系統(tǒng)可以優(yōu)先訪問各種硬件資源。VMS騙過HOSTOS直接調(diào)用RING0來控制和排列各個分區(qū)訪問硬件資源的優(yōu)先順序，它要求在軟件堆棧的較高層運行操作系統(tǒng)，通常是在RING1或者與系統(tǒng)應用共用RING3?；谶@一技術(shù)實現(xiàn)的主流VMS有VMWARE的WORKSTATION、MICROSOFT的VIRTUALPC和HP的XVMVIRTUALBOX等。這些軟件在近年來得到了迅速的推廣和應用。但是，純軟件方式實現(xiàn)的虛擬機在測試、驗證和管理維護方面比較費時，同時二進制碼的翻譯需要消耗處理器的很多計算資源，因此，純軟件虛擬化運行時的開銷會造成系統(tǒng)運行速度變慢，有數(shù)據(jù)表明其引起的系統(tǒng)性能下降可能達520。硬件輔助虛擬化技術(shù)原理4/7硬件輔助虛擬化技術(shù)最早起源于XX年8月INTEL公布的VANDERPOOL技術(shù)，同年11月更名為VT技術(shù)，XX年2月進入測試階段，同年3月發(fā)布了一套新的VT技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)規(guī)范應用于PC和服務器系統(tǒng)，包括處理器VT技術(shù)和IO虛擬分配技術(shù)。INTEL和AMD公司在最近幾年發(fā)布的CPU產(chǎn)品中都集成了VT技術(shù)，為進一步推動和發(fā)展虛擬化計算環(huán)境提供了硬件支持。最底層是支持VT技術(shù)的硬件層，而純軟件虛擬化的計算機層次結(jié)構(gòu)中硬件層是不支持VT技術(shù)的；最底層外面去掉HOSTOS層改用VMM層來代替，VMM是VIRTUALMACHINEMONITOR的縮寫，稱為虛擬機監(jiān)視器，它的功能是直接管理和控制諸如處理器、存儲系統(tǒng)、芯片組、IO設(shè)備等計算機硬件資源的同時為應用提供虛擬環(huán)境；VMM層外面是VM層，該層同純軟件虛擬的VM圖2中由GUESTOSLAYER和APPLICATIONS構(gòu)成一樣為用戶提供滿足應用需求的VM計算環(huán)境，用戶在VM上可以完成一臺物理計算機的全部功能。處理器VT技術(shù)由處理器生產(chǎn)商從硬件的角度來實現(xiàn)，具有設(shè)計簡單、實施效率高、可靠的特點，它對如何在不同的情形下分配給VM中的GUESTOS想要的RING特權(quán)級別做了較大的改進和優(yōu)化。該技術(shù)在處理器內(nèi)部增加了10條5/7額外的指令集VMXVMPTRLD、VMPTRST、VMCLEAR、VMREAD、VMWRITE、VMCALL、VMLAUCH、VMRESUME、VMXOFF和VMXON，VMM一方面調(diào)用這些指令使得處理器支持硬件虛擬化，另一方面則由VMM對虛擬機進行連續(xù)不間斷的監(jiān)視和管理。IO虛擬分配技術(shù)INTELVTD是指在向VM分配I/O設(shè)備時，提供硬件支持，從而提升虛擬化環(huán)境中數(shù)據(jù)移動的穩(wěn)定性，此規(guī)范補充了PCISIGI/O虛擬工作組正在推動的工作，該工作組獲得了業(yè)界的廣泛支持。硬件輔助的虛擬機工作原理如圖4所示。虛擬狀態(tài)下有兩種工作模式ROOT操作模式和非ROOT操作模式。只有VMM能夠運行在ROOT操作模式下，而VM的GUESTOS在虛擬機的頂層運行在非ROOT操作模式下。要進入虛擬模式，VMM需要執(zhí)行VMXON指令來調(diào)入VMM軟件，VMM軟件使用VMLAUNCH指令來進入每一個虛擬機，使用VMRESUME指令來退出。如果想要退出虛擬模式，可以讓VMM運行VMXOFF指令即可。只要VMM支持，在圖4中的每個VM系統(tǒng)可以安裝和運行任何類型的操作系統(tǒng)，同時運行自身的應用軟件。由于虛擬化硬件可提供全新的架構(gòu)，在硬件層和VMM之間省掉了宿主操作系統(tǒng)，直接支持操作系統(tǒng)在VMM上面運行，從而無須進行二進制轉(zhuǎn)換，減少了相關(guān)的硬件開6/7銷，極大地簡化了VMM設(shè)計，進而使VMM能夠按通用標準進行編碼，計算機性能得到了更大的提高。目前，盡管INTEL和AMD公司已經(jīng)推出支持VT技術(shù)的處理器，但基于硬件輔助的虛擬化技術(shù)的VMM軟件還在研發(fā)之中，要真正實現(xiàn)該技術(shù)，需要處理器、芯片組、BIOS、VMM軟件的同時支持?？上驳氖?，INTEL和VMWARE等廠商已經(jīng)著手在研發(fā)之中了。虛擬化技術(shù)的應用領(lǐng)域虛擬化技術(shù)的主要應用領(lǐng)域有1服務器的虛擬化。服務器虛擬化具有如下的特點減少服務器的數(shù)量，提供一種服務器整合的方法，減少初期硬件采購成本；簡化服務器的部署、管理和維護工作，降低管理費用；提高服務器資源的利用率，提高服務器計算能力；通過降低空間、散熱以及電力消耗等途徑壓縮數(shù)據(jù)中心成本，通過動態(tài)資源配置提高業(yè)務的靈活適應能力；提高可用性，具有透明負載均衡、動態(tài)遷移、故障自動隔離、系統(tǒng)自動重構(gòu)的高可靠服務器應用環(huán)境；支持異構(gòu)操作系統(tǒng)的整合，支持舊應用的持續(xù)運行；在不中斷用戶工作的情況下進行系統(tǒng)更新；快速轉(zhuǎn)移和復制虛擬服務器