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編者按：本論文主要從純軟件的虛擬化技術(shù)原理；硬件輔助虛擬化技術(shù)原理；虛擬化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行講述，包括了服務(wù)器的虛擬化、構(gòu)建開發(fā)和測(cè)試環(huán)境、處理器VT技術(shù)由處理器生產(chǎn)商從硬件的角度來實(shí)現(xiàn)、一個(gè)虛擬機(jī)與一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)的不同之處在于前者是一種技術(shù)規(guī)范等，具體資料請(qǐng)見：

摘要：本文論述了當(dāng)前流行的純軟件虛擬化技術(shù)原理和具有廣闊應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于關(guān)心和有志于從事虛擬化技術(shù)運(yùn)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(jī)

虛擬化技術(shù)（VirtualizationTechnology，簡(jiǎn)稱VT技術(shù)）最早起源于20世紀(jì)70年代IBM研究中心在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的主機(jī)鏡像，在隨后的20多年時(shí)間里，該技術(shù)主要部署在巨型、大型和中型計(jì)算機(jī)中，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是基于x86CPU的微型計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)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(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)蔓延到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)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(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)發(fā)展的背后更蘊(yùn)藏著一個(gè)巨大的市場(chǎng)！

所謂虛擬化技術(shù)，是指將一臺(tái)物理的計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境分割為多個(gè)獨(dú)立分區(qū)，每個(gè)分區(qū)均可以按照需求模擬出一臺(tái)完整計(jì)算機(jī)的技術(shù)。模擬出來的計(jì)算機(jī)稱為虛擬機(jī)（VirtualMachine，簡(jiǎn)稱VM）。虛擬化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過中間層次實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的管理和再分配，實(shí)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(tái)能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)同類或不同類型的操作系統(tǒng)，以分別作為不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用的支撐平臺(tái)。

實(shí)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(dāng)前主流的虛擬化技術(shù)，具有成熟的應(yīng)用，硬件輔助虛擬化技術(shù)是今后的發(fā)展方向。

1純軟件的虛擬化技術(shù)原理

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)分為三層，即硬件層（HardwareLayer）、主機(jī)操作系統(tǒng)層（HostOSLayer）和應(yīng)用層（ApplicationLayer），在這種結(jié)構(gòu)中，主機(jī)操作系統(tǒng)統(tǒng)一控制、管理和分配整個(gè)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于：①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；②一臺(tái)計(jì)算機(jī)無法滿足同時(shí)運(yùn)行多平臺(tái)的應(yīng)用需求，解決方案是增加計(jì)算機(jī)數(shù)量，這無疑將增加投資成本！③計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)、IO系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)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(jī)軟件（VirtualMachineSoftware，簡(jiǎn)稱VMS），根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，VMS可以將物理計(jì)算機(jī)虛擬出多個(gè)分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)稱為一個(gè)虛擬機(jī)（VirtualMachine，簡(jiǎn)稱VM）。一個(gè)虛擬機(jī)與一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)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，與具體的計(jì)算機(jī)無關(guān)，軟件工程師可以采用任何他自已認(rèn)為適當(dāng)?shù)氖侄蝸韺?shí)現(xiàn)這些規(guī)則。虛擬機(jī)(VM)具有完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境，包括硬件層（由VMS提供）、驅(qū)動(dòng)接口層（由VMS提供）、操作系統(tǒng)（GuestOSLayer）及應(yīng)用層（Applications），都是建立在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境上，屬于用戶級(jí)軟件。

這種虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于VMS，由于X86處理器在保護(hù)模式下一共有4個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，即Ring0、Ring1、Ring2和Ring3，其中Ring0的優(yōu)先級(jí)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(wù)，Ring3用于應(yīng)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(gè)分區(qū)（虛擬機(jī)）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(yùn)行操作系統(tǒng)，通常是在Ring1或者與系統(tǒng)應(yīng)用共用Ring3。

基于這一技術(shù)實(shí)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(yīng)用。但是，純軟件方式實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)在測(cè)試、驗(yàn)證和管理維護(hù)方面比較費(fèi)時(shí)，同時(shí)二進(jìn)制碼的翻譯需要消耗處理器的很多計(jì)算資源，因此，純軟件虛擬化運(yùn)行時(shí)的開銷會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)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(dá)5%~20%。

2硬件輔助虛擬化技術(shù)原理

硬件輔助虛擬化技術(shù)最早起源于2005年8月Intel公布的Vanderpool技術(shù)，同年11月更名為VT技術(shù)，2006年2月進(jìn)入測(cè)試階段，同年3月了一套新的VT技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)規(guī)范應(yīng)用于PC和服務(wù)器系統(tǒng)，包括處理器VT技術(shù)和IO虛擬分配技術(shù)（IntelVT-d）。Intel和AMD公司在最近幾年的CPU產(chǎn)品中都集成了VT技術(shù)，為進(jìn)一步推動(dòng)和發(fā)展虛擬化計(jì)算環(huán)境提供了硬件支持。

①最底層是支持VT技術(shù)的硬件層（包括處理器VT技術(shù)和IO虛擬分配技術(shù)IntelVT-d），而純軟件虛擬化的計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)中硬件層是不支持VT技術(shù)的；②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(jī)監(jiān)視器，它的功能是直接管理和控制諸如處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、芯片組、IO設(shè)備等計(jì)算機(jī)硬件資源的同時(shí)為應(yīng)用提供虛擬環(huán)境；③VMM層外面是VM（VirtualMachine）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(yīng)用需求的VM計(jì)算環(huán)境，用戶在VM上可以完成一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)施效率高、可靠的特點(diǎn)，它對(duì)如何在不同的情形下分配給VM中的GuestOS想要的Ring特權(quán)級(jí)別做了較大的改進(jìn)和優(yōu)化。該技術(shù)在處理器內(nèi)部增加了10條額外的指令集VMX（VirtualMachineExtensions）：VMPTRLD、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(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行連續(xù)不間斷的監(jiān)視和管理。

IO虛擬分配技術(shù)IntelVT-d是指在向VM分配I/O設(shè)備時(shí)，提供硬件支持，從而提升虛擬化環(huán)境中數(shù)據(jù)移動(dòng)的穩(wěn)定性，此規(guī)范補(bǔ)充了PCISIGI/O虛擬工作組正在推動(dòng)的工作，該工作組獲得了業(yè)界的廣泛支持。

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(yùn)行在root操作模式下，而VM的GuestOS在虛擬機(jī)的頂層運(yùn)行在非root操作模式下。要進(jìn)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(jìn)入每一個(gè)虛擬機(jī)，使用VMRESUME指令來退出。如果想要退出虛擬模式，可以讓VMM運(yùn)行VMXOFF指令即可。只要VMM支持，在圖4中的每個(gè)VM系統(tǒng)可以安裝和運(yùn)行任何類型的操作系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)行自身的應(yīng)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)（HOSTOS），直接支持操作系統(tǒng)在VMM上面運(yùn)行，從而無須進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，減少了相關(guān)的硬件開銷，極大地簡(jiǎn)化了VMM設(shè)計(jì)，進(jìn)而使VMM能夠按通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)該技術(shù)，需要處理器、芯片組、BIOS、VMM軟件的同時(shí)支持?？上驳氖?，Intel和VMware等廠商已經(jīng)著手在研發(fā)之中了。

3虛擬化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

3.1服務(wù)器的虛擬化。服務(wù)器虛擬化具有如下的特點(diǎn)：①減少服務(wù)器的數(shù)量，提供一種服務(wù)器整合的方法，減少初期硬件采購(gòu)成本；②簡(jiǎn)化服務(wù)器的部署、管理和維護(hù)工作，降低管理費(fèi)用；③提高服務(wù)器資源的利用率，提高服務(wù)器計(jì)算能力；④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(dòng)態(tài)資源配置提高業(yè)務(wù)的靈活適應(yīng)能力；⑤提高可用性，具有透明負(fù)載均衡、動(dòng)態(tài)遷移、故障自動(dòng)隔離、系統(tǒng)自動(dòng)重構(gòu)的高可靠服務(wù)器應(yīng)用環(huán)境；⑥支持異構(gòu)操作系統(tǒng)的整合，支持舊應(yīng)用的持續(xù)運(yùn)行；⑦在不中斷用戶工作的情況下進(jìn)行系統(tǒng)更新；⑧快速轉(zhuǎn)移和復(fù)制虛擬服務(wù)器，提供一種簡(jiǎn)單便捷的災(zāi)難恢復(fù)解決方案。

3.2構(gòu)建開發(fā)和測(cè)試環(huán)境。目前，很多軟件開發(fā)商需要在各種操作系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境中來測(cè)試新開發(fā)的軟件，找出不同版本操作系統(tǒng)之間的兼容性等問題，采用虛擬化技術(shù)完全能滿足這一需要，軟件測(cè)試工程師可以在很短的時(shí)間內(nèi)，使用更少的資源，準(zhǔn)備好測(cè)試環(huán)境，既節(jié)省資金，還提供了更大的靈活性，節(jié)省了時(shí)間成本。