虛擬化技術深入了解虛擬化技術的原理與應用01云計算的技術基礎虛擬化技術簡介核心思想云計算創(chuàng)新顯著提高計算機的工作效率，使得資源能夠得到更充分的利用，降低了企業(yè)的運營成本。效率提升進入21世紀，計算機領域最大的創(chuàng)新之一就是“云計算”，它改變了傳統(tǒng)的計算模式，為企業(yè)和個人提供了更靈活、高效的計算資源使用方式。虛擬化技術是云計算的技術基礎，通過軟件策略將一臺物理計算機虛擬為多臺邏輯計算機，提高了計算機的工作效率。核心思想是將物理計算機虛擬為多臺邏輯計算機，每臺邏輯計算機可獨立運行不同操作系統(tǒng)，應用程序在獨立空間運行互不影響。虛擬化基礎云計算與虛擬化傳統(tǒng)架構一臺宿主機上可運行多臺虛擬機，共享CPU、內(nèi)存等資源，邏輯上相互隔離。虛擬機內(nèi)部可獨立運行操作系統(tǒng)和應用程序，互不干擾。資源共享傳統(tǒng)架構容易造成資源浪費，如個人計算機的CPU、存儲、網(wǎng)絡等資源利用率低。以CPU為例，用戶實際有效使用的價值可能僅占購買價值的一小部分。一套硬件設備由一個操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，如個人計算機、數(shù)據(jù)中心小型服務器。這種架構在計算機技術發(fā)展初期發(fā)揮了重要作用，但隨著技術的進步，其資源利用率低的問題逐漸凸顯。打破操作系統(tǒng)和硬件的強綁定，多操作系統(tǒng)共享底層資源，且相互隔離。通過虛擬化管理程序將宿主機資源抽象成虛擬機，提高了資源的利用率。資源浪費傳統(tǒng)架構與虛擬化架構對比虛擬化架構01030204將宿主機的物理資源抽象成邏輯資源，如CPU、內(nèi)存、磁盤等，為虛擬機提供統(tǒng)一的資源接口。通過抽象，虛擬機可以獨立于物理硬件，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。關鍵作用技術定義VMM是保障虛擬化系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關鍵，對下層調(diào)度宿主機物理資源，對上層分割邏輯資源供虛擬機使用。它負責管理和分配宿主機的各種資源，確保虛擬機的正常運行。資源抽象高效調(diào)度和管理宿主機資源，滿足虛擬機的不同需求。根據(jù)虛擬機的資源需求和使用情況，動態(tài)分配資源，提高資源的利用率。資源調(diào)度本書所講虛擬化技術主要指VMM層對宿主機資源的調(diào)度和虛擬機管理技術。VMM的功能和性能直接影響著虛擬化系統(tǒng)的整體性能。虛擬化管理程序VMM受限推廣20世紀60年代前后，虛擬化技術用于IBM大型機，通過VMM劃分計算資源實例。當時的虛擬化技術主要是為了滿足大型企業(yè)對計算資源的高效利用需求。起源商用方案技術回歸2001年，VMware推出第一代商用服務器虛擬化解決方案VMwareESX。這標志著虛擬化技術開始走向商業(yè)化應用，為企業(yè)提供了更高效的計算資源管理方式。21世紀，計算機計算能力提升，傳統(tǒng)模式不能充分發(fā)揮算力，虛擬化技術重新受到關注。隨著芯片制作工藝的提升和多核技術、集群計算技術的引入，計算機的計算能力有了很大的提高，為虛擬化技術的發(fā)展提供了條件。受限于普通計算機硬件算力，未大范圍推廣，僅用于IBM大型機等少數(shù)場景。由于當時計算機硬件的性能有限，無法支持虛擬化技術在更廣泛的場景中應用。早期發(fā)展Xen方案2006年，Qumranet公布KVM，融入Linux內(nèi)核，紅帽收購后用于RHEL6及后續(xù)版本。KVM作為Linux內(nèi)核的一部分，具有良好的兼容性和性能，成為了企業(yè)級虛擬化的主流選擇之一。開源方案發(fā)展開源方案促進了虛擬化技術發(fā)展與生態(tài)繁榮，眾多企業(yè)基于開源推出商用方案。開源方案的出現(xiàn)降低了虛擬化技術的使用門檻，吸引了更多的企業(yè)和開發(fā)者參與到虛擬化技術的研究和應用中。生態(tài)繁榮2003年，劍橋大學開源Xen1.0，后被Citrix收購，加入Linux基金會，支持ARM架構。Xen虛擬化解決方案在開源社區(qū)的推動下不斷發(fā)展和完善，為不同架構的計算機提供了虛擬化支持。開源推動KVM方案如華為基于Xen推出CNA虛擬化解決方案，豐富了虛擬化技術的應用場景。不同企業(yè)基于開源方案開發(fā)的商用解決方案，進一步推動了虛擬化技術在各個領域的應用和發(fā)展。傳統(tǒng)架構不能充分利用算力，虛擬化技術可提高資源利用率，適應芯片發(fā)展。虛擬化技術通過對資源的抽象和管理，使得計算機能夠更高效地利用有限的硬件資源，滿足了芯片技術發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。技術趨勢物理極限虛擬化需求1965年戈登·摩爾提出，芯片晶體管數(shù)量每18個月翻番，成本降低。摩爾定律描述了計算機芯片技術的發(fā)展趨勢，對計算機行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。摩爾定律2011年后，晶體管數(shù)量接近原子等級，達到物理極限，有摩爾定律失效說法。隨著芯片集成度的不斷提高，物理極限成為了制約芯片技術發(fā)展的重要因素。摩爾定律與虛擬化虛擬化技術是應對芯片發(fā)展和資源利用問題的重要技術趨勢，將在未來的計算機領域發(fā)揮更加重要的作用。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬化技術將不斷創(chuàng)新和完善，為企業(yè)和個人提供更高效、更靈活的計算資源使用方式。分區(qū)、隔離、封裝與硬件無關虛擬化特點虛擬化技術可對物理機進行邏輯分割，實現(xiàn)一臺物理機運行多臺不同規(guī)格虛擬機。通過邏輯分割，物理機的資源可以被更靈活地分配和使用，滿足不同用戶的需求。可根據(jù)業(yè)務需求靈活增加或減少虛擬機數(shù)量，適應業(yè)務變化。企業(yè)可以根據(jù)業(yè)務的發(fā)展情況，隨時調(diào)整虛擬機的數(shù)量和配置，提高了企業(yè)的運營效率和靈活性。邏輯分割資源分配靈活擴展獨立運行根據(jù)虛擬機的需求，合理分配計算、存儲等資源，提高資源利用率。通過對資源的精細分配，虛擬機可以獲得足夠的資源來運行應用程序，同時避免了資源的浪費。每臺虛擬機可獨立運行操作系統(tǒng)和應用程序，互不干擾。虛擬機之間的獨立性保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，即使一臺虛擬機出現(xiàn)故障，也不會影響其他虛擬機的正常運行。分區(qū)特性避免一臺虛擬機的資源占用影響其他虛擬機性能。通過資源隔離，每個虛擬機都可以獲得穩(wěn)定的資源供應，保證了應用程序的正常運行。模擬硬件環(huán)境，為虛擬機運行完整操作系統(tǒng)提供條件。通過模擬硬件環(huán)境，虛擬機可以像物理機一樣運行操作系統(tǒng)和應用程序，提高了系統(tǒng)的兼容性和可移植性。安全隔離資源保護硬件模擬不同虛擬機上的操作系統(tǒng)獨立運行，互不影響。即使一臺虛擬機出現(xiàn)故障，也不會影響其他虛擬機的正常運行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。獨立運行虛擬機之間在邏輯上相互隔離，防止數(shù)據(jù)泄露和惡意攻擊。隔離特性為虛擬機提供了安全的運行環(huán)境，保護了用戶的數(shù)據(jù)和隱私。隔離特性虛擬化的分類硬件輔助虛擬化不同方案各有優(yōu)缺點，企業(yè)可根據(jù)需求選擇合適的虛擬化方案。企業(yè)在選擇虛擬化方案時，需要考慮自身的業(yè)務需求、硬件資源、成本等因素，選擇最適合自己的方案。全虛擬化修改虛擬機操作系統(tǒng)，請求VMM訪問硬件，開銷小、性能好，如Xen。半虛擬化通過修改虛擬機操作系統(tǒng)，使得虛擬機可以直接與VMM進行交互，減少了系統(tǒng)開銷，提高了性能。借助CPU虛擬化模塊，性能優(yōu)異，需專有CPU，如KVM。硬件輔助虛擬化利用CPU的虛擬化功能，減少了軟件模擬的開銷，提高了系統(tǒng)的性能，但需要特定的CPU支持。方案對比VMM模擬硬件環(huán)境，指令解碼執(zhí)行，兼容性好但開銷大，如QEMU。全虛擬化通過軟件模擬硬件環(huán)境，使得虛擬機可以運行不同的操作系統(tǒng)，但由于模擬過程需要消耗大量的計算資源，因此系統(tǒng)開銷較大。半虛擬化按實現(xiàn)過程分類04030102物理資源由宿主機操作系統(tǒng)管理，VMM作為驅動或軟件運行，如VirtualBox。宿主機虛擬化在宿主機操作系統(tǒng)的基礎上運行VMM，通過調(diào)用宿主機操作系統(tǒng)的服務來實現(xiàn)虛擬化功能，降低了系統(tǒng)的復雜度。裸金屬虛擬化兩種結構在資源管理和性能上存在差異，企業(yè)可根據(jù)實際情況選擇。裸金屬虛擬化的性能較高，但對硬件的要求也較高；宿主機虛擬化的靈活性較好，但性能相對較低。宿主機虛擬化結構差異按VMM實現(xiàn)結構分類VMM看作操作系統(tǒng)，直接管理物理資源，如KVM。裸金屬虛擬化將VMM作為一個獨立的操作系統(tǒng)，直接管理物理資源，提高了系統(tǒng)的性能和效率。應用場景不同的應用場景對虛擬化結構有不同的要求，如企業(yè)級應用可能更適合裸金屬虛擬化。企業(yè)需要根據(jù)自身的應用場景和需求，選擇合適的虛擬化結構。按虛擬化對象分類CPU虛擬化綜合應用隔離虛擬機內(nèi)存空間，保證獨立地址空間，提高內(nèi)存管理效率。內(nèi)存虛擬化通過對內(nèi)存資源的管理和分配，使得每個虛擬機都有獨立的內(nèi)存地址空間，提高了內(nèi)存的利用率和管理效率。內(nèi)存虛擬化實現(xiàn)多虛擬機共享CPU，模擬CPU指令，提高CPU利用率。CPU虛擬化通過對CPU資源的管理和調(diào)度，使得多個虛擬機可以共享有限的CPU資源，提高了CPU的利用率。三種虛擬化對象相互配合，共同實現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)的高效運行。在實際應用中，CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和輸入輸出虛擬化需要相互配合，才能實現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)的高效運行。復用外部設備資源，截獲訪問請求，軟件模擬硬件。輸入輸出虛擬化通過對外部設備資源的管理和調(diào)度，使得多個虛擬機可以共享有限的外部設備資源，提高了外部設備的利用率。輸入輸出虛擬化openEuler的虛擬化解決方案ARM架構支持的主流虛擬化技術ARMv8引入VHE，不修改虛擬機操作系統(tǒng)實現(xiàn)高效虛擬化，打破早期限制。VHE技術的引入使得ARM架構能夠更好地支持虛擬化技術，提高了系統(tǒng)的性能和效率。VMM運行在Hypervisor級別，保證虛擬機隔離和資源控制。VMM在Hypervisor級別運行，能夠有效地控制宿主機的所有資源，保證了虛擬機之間的隔離和系統(tǒng)的安全性。特權級別避免VMM與虛擬機操作系統(tǒng)指令級別沖突，引入Hypervisor特權級別。為了避免VMM和虛擬機操作系統(tǒng)之間的指令級別沖突，ARM架構引入了Hypervisor特權級別，實現(xiàn)了對指令級別的統(tǒng)一管理。VHE技術技術突破指令沖突隔離保障操作系統(tǒng)用特權級別限制資源調(diào)用，VMM需最高特權級別控制資源。特權級別是操作系統(tǒng)管理資源的重要手段，VMM需要具備最高的特權級別才能有效地控制宿主機的所有資源。02030104可在單個平臺實現(xiàn)異構架構操作系統(tǒng)部署，如x86部署ARM版openEuler。QEMU作為仿真器，可以在不同的硬件平臺上運行不同架構的操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的兼容性和可移植性。虛擬機功能動態(tài)翻譯技術模擬物理設備，轉換二進制代碼。QEMU的動態(tài)翻譯技術可以將已編譯成虛擬機架構下的二進制代碼動態(tài)翻譯成物理機架構下的代碼，實現(xiàn)了對物理設備的模擬。資源消耗資源消耗隨虛擬機數(shù)量和負載增加，大型數(shù)據(jù)中心較少直接使用。由于QEMU的資源消耗較大，在大型數(shù)據(jù)中心的建設中，很少直接使用QEMU方案來實現(xiàn)對資源的虛擬化。動態(tài)翻譯仿真器功能純軟件模擬底層硬件，虛擬機操作系統(tǒng)可直接運行，提供統(tǒng)一接口。QEMU作為虛擬機，可以通過純軟件的方式模擬底層硬件資源，為虛擬機操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，使得虛擬機操作系統(tǒng)可以不做任何修改直接運行在QEMU之上。QEMU技術中間適配Libvirt功能開源管理工具和API，管理虛擬化平臺，支持虛擬機操作和設備熱插拔。Libvirt作為開源管理工具和API，可以方便地管理虛擬化平臺，支持虛擬機的創(chuàng)建、啟動、暫停、關閉等操作，以及對虛擬機設備的熱插拔。Linux內(nèi)核模塊，提供虛擬化功能，需借助QEMU模擬輸入輸出設備。KVM作為Linux內(nèi)核的一部分，具有良好的兼容性和性能，但需要借助QEMU等技術來模擬輸入輸出設備。屏蔽底層Hypervisor細節(jié)，為上層提供統(tǒng)一API，應用廣泛。Libvirt作為中間適配層，屏蔽了底層Hypervisor的細節(jié)，為上層管理工具提供了一個統(tǒng)一的、較穩(wěn)定的API，使得上層管理工具可以方便地管理不同類型的Hypervisor和虛擬機。KVM加QEMU成為主流VMM實現(xiàn)方式，openEuler支持。KVM和QEMU的組合方案在性能和兼容性上都有較好的表現(xiàn)，成為了主流的VMM實現(xiàn)方式之一。KVM與Libvirt技術組合方案KVM架構KVM與Libvirt技術KVM架構用戶空間管理工具與Hypervisor及虛擬機的基本交互框架CPU、內(nèi)存與輸入輸出虛擬化虛擬化關鍵技術x86和ARM架構采用不同方法解決指令沖突問題。不同架構的處理器在解決指令沖突問題上采用了不同的方法，以保證虛擬化系統(tǒng)的正常運行。調(diào)度策略CPU虛擬化技術目標VMM為虛擬機虛擬出與物理CPU同質的vCPU，保證控制和“獨享”錯覺。通過虛擬CPU，VMM可以對CPU資源進行有效的管理和調(diào)度，保證每個虛擬機都能獲得足夠的CPU資源。包括資源上限限制、下限預留、份額分配，實現(xiàn)資源有序利用。CPU調(diào)度策略可以根據(jù)虛擬機的需求和使用情況，合理分配CPU資源，避免資源搶占和浪費。指令沖突虛擬CPU實現(xiàn)多虛擬機共享物理CPU，解決共享和指令模擬問題。CPU虛擬化的目標是提高CPU的利用率，使得多個虛擬機可以共享有限的CPU資源。物理CPU與vCPU數(shù)量的對應關系IntelCPU提供EPT技術，降低復雜度，提升性能。EPT技術直接在硬件上支持地址轉換，降低了內(nèi)存虛擬化實現(xiàn)的復雜度，提高了內(nèi)存虛擬化的性能。內(nèi)存虛擬化對內(nèi)存再抽象，保證虛擬機獨立地址空間，建立映射關系。內(nèi)存虛擬化通過對內(nèi)存資源的管理和分配，使得每個虛擬機都有獨立的內(nèi)存地址空間，提高了內(nèi)存的利用率和管理效率。內(nèi)存抽象硬件支持地址轉換采用兩階段地址翻譯或影子頁表技術，提升轉換效率。地址轉換是內(nèi)存虛擬化的關鍵環(huán)節(jié)，通過采用不同的技術，可以提高地址轉換的效率和性能。虛擬內(nèi)存內(nèi)存虛擬化抽象虛擬內(nèi)存概念，保證進程獨立地址空間，通過頁表管理映射。虛擬內(nèi)存的概念使得每個進程都有獨立的地址空間，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。內(nèi)存虛擬化虛擬內(nèi)存空間內(nèi)存虛擬化當在一個