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1、主流虚拟化技术基础知识与发展趋势 一、背景知识 云计算平台需要有资源池为其提供能力输出，这种能力包括计算能力、存储能力和网络能力，为了将这些能力调度到其所需要的地方，云计算平台还需要对能力进行调度管理，这些能力均是由虚拟化资源池提供的。 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
2、了对比分析。 形成资源池计算能力的物理设备，大概有两种，一种是基于RISC的大/小型机，另一种是基于CISC的X86服务器。大/小型机通常意味着高性能、高可靠性和高价格，而X86服务器与之相比有些差距，但随着Inter和AMD等处理器厂商技术的不断发展，原本只在小型机上才有的技术已经出现在了X86处理器上，如64位技术、虚拟化技术、多核心技术等等，使得X86服务器在性能上突飞猛进。通过TPC组织在2022年3月份所公布的单机计算机性能排名中可以看出，4路32核的X86服务器性能已经位列前10名，更重要的是X86服务器的性价比相对小型机有约5倍的优势。因此，选择X86服务器作为云计算资源池，更能
3、凸显出云计算的低成本优势。 由于单机计算机的处理能力越来越大，以单机资源为调度单位的颗粒度就太大了，因此需要有一种技术让资源的调度颗粒更细小，使资源得到更有效和充分的利用，这就引入了虚拟化技术。当前虚拟化技术中主流和成熟的有4种：VMWARE的ESX、微软的Hyper-V、开源的XEN和KVM。 二、虚拟化架构分析 从虚拟化的实现方式来看，虚拟化架构主要有两种形式：宿主架构和裸金属架构。在宿主架构中的虚拟机作为主机操作系统的一个进程来调度和管理，裸金属架构下则不存在主机操作系统，它是以Hypervisor直接运行在物理硬件之上，即使是有类似主机操作系统的父分区或Domain 0，也是作为裸金属
4、架构下 的虚拟机存在的。宿主架构通常用于个人PC上的虚拟化，如WindowsVirtual PC，VMware Workstation，Virtual Box，Qemu等，而裸金属架构通常用于服务器的虚拟化，如文中提及的4种虚拟化技术。 2.1 ESX的虚拟化架构 VMWare (Virtual Machine ware)是一个“虚拟PC”软件公司。它的产品可以使你在一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、LINUX系统。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念。多启动系统在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器。VMWare是真正“同时”运行，多个操
5、作系统在主系统的平台上，就象标准Windows应用程序那样切换。而且每个操作系统你都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，你甚至可以通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网，极其方便。安装在VMware操作系统性能上比直接安装在硬盘上的系统低不少，因此，比较适合学习和测试。 ESXI服务器启动时，首先启动Linux Kernel，通过这个操作系统加载虚拟化组件，最重要的是ESX的Hypervisor组件，称之为VMkernel，VMkernel会从LinuxKernel完全接管对硬件的控制权，而该Linux Kernel作为VMkernel的首个虚拟机，用于承载ESX的servic
6、eConsole，实现本地的一些管理功能。VMkernel负责为所承载的虚拟机调度所有的硬件资源，但不同类型的硬件会有些区别。 虚拟机对于CPU和内存资源是通过VMkernel直接访问，最大程度地减少了开销，CPU的直接访问得益于CPU硬件辅助虚拟化(Intel VT-x和AMD AMD-V，第一代虚拟化技术)，内存的直接访问得益于MMU(内存管理单元，属于CPU中的一项特征)硬件辅助虚拟化(Intel EPT和AMD RVI/NPT，第二代虚拟化技术)。 虚拟机对于I/O设备的访问则有多种方式，以网卡为例，有两种方式可供选择：一是利用I/O MMU硬件辅助虚拟化(Intel VT-d和AMD
7、-Vi)的VMDirectPath I/O，使得虚拟机可以直接访问硬件设备，从而减少对CPU的开销；二是利用半虚拟化的设备VMXNETx，网卡的物理驱动在VMkernel中，在虚拟机中装载网卡的虚拟驱动，通过这二者的配对来访问网卡，与仿真式网卡(IntelE1000)相比有着较高的效率。半虚拟化设备的安装是由虚拟机中VMware tool来实现的，可 以在Windows虚拟机的右下角找到它。网卡的这两种方式，前者有着显著的先进性，但后者用得更为普遍，因为VMDirectPath I/O与VMware虚拟化的一些核心功能不兼容，如：热迁移、快照、容错、内存过量使用等。 ESX的物理驱动是内置在H
8、ypervisor中，所有设备驱动均是由VMware预植入的。因此，ESX对硬件有严格的兼容性列表，不在列表中的硬件，ESX将拒绝在其上面安装。 2.2 Hyper-V的虚拟化架构 Hyper-V是微软新一代的服务器虚拟化技术，首个版本于2022年7月发布，目前最新版本是2022年4月发布R2 SP1版，Hyper-V有两种发布版本：一是独立版，如Hyper-V Server 2022，以命令行界面实现操作控制，是一个免费的版本；二是内嵌版，如Windows Server 2022，Hyper-V作为一个可选开启的角色。 对于一台没有开启Hyper-V角色的Windows Server 202
9、2来说，这个操作系统将直接操作硬件设备，一旦在其中开启了Hyper-V角色，系统会要求重新启动服务器。虽然重启后的系统在表面看来没什么区别，但从体系架构上看则与之前的完全不同了。在这次重启动过程中，Hyper-V的Hypervisor接管了硬件设备的控制权，先前的Windows Server 2022则成为Hyper-V的首个虚拟机，称之为父分区，负责其他虚拟机(称为子分区)以及I/O设备的管理。Hyper-V要求CPU 必须具备硬件辅助虚拟化，但对MMU硬件辅助虚拟化则是一个增强选项。 其实Hypervisor仅实现了CPU的调度和内存的分配，而父分区控制着I/O 设备，它通过物理驱动直接访
10、问网卡、存储等。子分区要访问I/O设备需要通过子分区操作系统内的VSC(虚拟化服务客户端)，对VSC的请求由VMBUS(虚拟机总线)传递到父分区操作系统内的VSP(虚拟化服务提供者)，再由VSP重定向到父分区内的物理驱动，每种I/O设备均有各自的VSC和VSP配对，如存储、网络、视频和输入设备等，整个I/O设备访问过程对于子分区的操作系统是透明的。其实在子分区操作系统内，VSC和VMBUS就是作为I/O设备的虚拟驱动，它是子分区操作系统首次启动时由Hyper-V 提供的集成服务包安装，这也算是一种半虚拟化的设备，使得虚拟机与物理I/O设备无关。如果子分区的操作系统没有安装Hyper-V集成服务
11、包或者不支持Hyper-V集成服务包(对于这种操作系 统，微软称之为Unenlightened OS，如未经认证支持的Linux版本和旧的Windows 版本)，则这个子分区只能运行在仿真状态。其实微软所宣称的启蒙式(Enlightenment)操作系统，就是支持半虚拟化驱动的操作系统。 Hyper-V的Hypervisor是一个非常精简的软件层，不包含任何物理驱动，物理服务器的设备驱动均是驻留在父分区的Windows Server 2022中，驱动程序的安装和加载方式与传统Windows系统没有任何区别。因此，只要是Windows支持的硬件，也都能被Hyper-V所兼容。 2.3 XEN的虚
12、拟化架构 XEN最初是剑桥大学Xensource的一个开源研究项目，2022年9月发布了首个版本XEN 1.0，2022年Xensource被Citrix公司收购，开源XEN转由 继续推进，该组织成员包括个人和公司(如 Citrix、Oracle等)。Xen的缺点是操作系统必须进行显式地修改（“移植”）以在Xen上运行（但是提供对用户应用的兼容性），所以比较麻烦。使得Xen无需特殊硬件支持，就能达到高性能的虚拟化。Linux的官方内核在较早之前已经去掉了对Xen的支持。 相对于ESX和Hyper-V来说，XEN支持更广泛的CPU架构，前两者只支持CISC的X86/X86_64 CPU架构，XE
13、N除此之外还支持RISC CPU架构，如IA64、ARM等。 XEN的Hypervisor是服务器经过BIOS启动之后载入的首个程序，然后启动一个具有特定权限的虚拟机，称之为Domain 0(简称Dom 0)。Dom 0的操作系统可以是Linux或Unix，Domain 0实现对Hypervisor控制和管理功能。在所承载的虚拟机中，Dom 0是唯一可以直接访问物理硬件(如存储和网卡)的虚拟机，它通过本身加载的物理驱动，为其它虚拟机(Domain U，简称DomU)提供访问存储和网卡的桥梁。 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
14、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2022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。
15、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。 2.4 KVM的虚拟化架构 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，2022年1月首次被整合到Linux 2.6.20核心中；2022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。KVM是指基于Linux内核（Kernel-based）的虚拟机（Virtual Machine）。KVM最大的好处就在于它是与Linux内核集成的，所以速度很快。KVM的宿主操作系统必须是Linux，支持的客户机操作系统包括Lin
