計算機虛擬化技術（Computer virtualization technology）

虛擬化是一個廣義的術語，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。計算機虛擬化技術主要包括以下幾個方面：

CPU虛擬化；

網(wǎng)絡虛擬化；

服務器虛擬化；

儲存虛擬化。

虛擬機相關的虛擬化技術和分區(qū)(Partition)技術是緊密結合在一起，從60年代Unix誕生起，虛擬化技術和分區(qū)技術就開始了發(fā)展，并且經歷了從“硬件分區(qū)”->“虛擬機”->“準虛擬機”->“虛擬操作系統(tǒng)”的發(fā)展歷程。

虛擬機（Virtual Machine, VM）

虛擬機技術是虛擬化技術的一種，指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)。在實體計算機中能夠完成的工作在虛擬機中都能夠實現(xiàn)。在計算機中創(chuàng)建虛擬機時，需要將實體機的部分硬盤和內存容量作為虛擬機的硬盤和內存容量。每個虛擬機都有獨立的CMOS、硬盤和操作系統(tǒng)，可以像使用實體機一樣對虛擬機進行操作。

在一臺物理機上可以模擬出多臺虛擬機，每個虛擬機中都可以運行一個操作系統(tǒng)（OS）。提供虛擬化的平臺被稱為VMM(Virtual Machine Monitor)，在其上運行的虛擬機被稱為客戶機（guest VM）。根據(jù)VMM支持的虛擬機制的不同，guset VM的運行模式可分為完全虛擬化（Full Virtualization）和類虛擬化（Para Virtualization）。

完全虛擬化技術

最初所使用的虛擬化技術就是完全虛擬化技術，使用VMM在VM和底層硬件之間建立1個抽象層，VMM捕獲CPU指令，為指令訪問硬件控制器和外設充當中介。這種虛擬化技術幾乎能讓任何一款操作系統(tǒng)不加改動就可以安裝在VM上，而它們不知道自己運行在虛擬化環(huán)境下。完全虛擬化是處理器密集型技術，因為它要求VMM管理各個虛擬服務器，并彼此獨立。完全虛擬化的主要缺點是VMM會帶來處理開銷。

半虛擬化技術

半虛擬化技術也叫做準虛擬化技術，操作系統(tǒng)輔助虛擬化，它就是在全虛擬化的基礎上，通過修改客戶操作系統(tǒng)，讓它以為自己運行在虛擬環(huán)境下，能夠與VMM協(xié)同工作，半虛擬化中的VMM不對I/O設備做模擬，僅僅對CPU和內存做模擬, 因此VMM的工作負擔變得非常的小，因此整體的性能也有很大的提高。不過缺點就是，要修改客戶操作系統(tǒng)，但是對于某些不支持的操作系統(tǒng)（主要是windows）來說，就不行能用這種方法。

當前，還有硬件輔助虛擬化，硬件提供結構支持幫助創(chuàng)建虛擬機監(jiān)視并允許客戶機操作系統(tǒng)獨立運行，比如Intel VT技術。以及進程隔離技術，由操作系統(tǒng)內核實現(xiàn)進程隔離，配合chroot，namespace實現(xiàn)虛擬化，虛擬機運行在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)上，創(chuàng)建一個獨立的虛擬化實例（容器），指向底層托管操作系統(tǒng)，被稱為“操作系統(tǒng)虛擬化”。

虛擬機管理（監(jiān)視）程序（Virtual Machine Monitor, VMM）

虛擬機監(jiān)視器是一個系統(tǒng)軟件， VMM管理計算機系統(tǒng)的真實資源，為虛擬機提供接口。使用VMM 有以下優(yōu)點：

VMM的實現(xiàn)相比于Linux或Windows這類操作系統(tǒng)的實現(xiàn)要簡單很多。因為VMM避免了像TCWIP Sockets和文件系統(tǒng)這類高級抽象，這將有利于安全性和可靠性，也便于擴展和修改；

VMM允許系統(tǒng)管理者配置虛擬機運行的環(huán)境。虛擬機的各項設置可以與真實機不同，如真實機有512 MB內存，可以設置虛擬機內存64 MB，有利于開發(fā)者在各種環(huán)境下測試軟件；

VMM允許在相同硬件上同時執(zhí)行不同的操作系統(tǒng)，稱之為GuestOS。系統(tǒng)管理者可以用這種能力來聯(lián)合多個使用不充分的分散計算機，為不可信和不安全代碼增強了隔離性，同時增強了可靠性，在一個虛擬機中的軟件發(fā)生故障也不會影響到其他虛擬機；

當操作系統(tǒng)升級后，仍然可以在虛擬機中運行早期開發(fā)的軟件，由此可以降低軟件開發(fā)成本。同時成本的降低還來源于減少硬件產品的購置；

針對擁有10～100個處理器的可擴展計算機，VMM能夠方便地開發(fā)功能強大、可靠的系統(tǒng)軟件；

虛擬機控制了程序運行的整個軟件環(huán)境，包括操作系統(tǒng)和應用軟件，因此可以封裝程序地址空間和進程狀態(tài)，然后在不同的硬件上熱遷移(hot migration)整個工作環(huán)境，由此提高性能和達到負載平衡。

Type 1虛擬機管理程序

Type 1虛擬機管理程序直接在主機的物理硬件上運行，它被稱為裸機虛擬機管理程序; 它不必預先加載底層操作系統(tǒng)。通過直接訪問底層硬件而無需其他軟件(例如操作系統(tǒng)和設備驅動程序)。 Type 1虛擬機管理程序的示例包括VMware ESXi、Microsoft Hyper-V服務器和開源KVM等。管理程序直接在物理硬件上運行也非常安全，因為裸機虛擬機管理程序可避免操作系統(tǒng)通常存在的安全問題和漏洞。這可確保每個訪客VM與惡意軟件和活動保持邏輯隔離。在很多情況下，虛擬化系統(tǒng)至少托管一個帶有操作系統(tǒng)和管理軟件的虛擬機，使管理員能夠使用系統(tǒng)管理工具(例如Microsoft System Center)管理物理系統(tǒng)。

Type2虛擬機管理程序

Type2虛擬機管理程序通常安裝在現(xiàn)有操作系統(tǒng)之上，它稱為托管虛擬機管理程序，因為它依賴于主機預先安裝的操作系統(tǒng)來管理對CPU、內存、存儲和網(wǎng)絡資源的調用。Type2虛擬機管理程序包括VMware Fusion、Oracle VM VirtualBox、適用于x86的Oracle VM Server、Oracle Solaris Zones、Parallels和VMware Workstation。

總結

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