虛擬化技術(shù)深入了解虛擬化技術(shù)的原理與應(yīng)用01云計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)虛擬化技術(shù)簡介核心思想云計(jì)算創(chuàng)新顯著提高計(jì)算機(jī)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(yùn)營成本。效率提升進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最大的創(chuàng)新之一就是“云計(jì)算”，它改變了傳統(tǒng)的計(jì)算模式，為企業(yè)和個(gè)人提供了更靈活、高效的計(jì)算資源使用方式。虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)，通過軟件策略將一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)，提高了計(jì)算機(jī)的工作效率。核心思想是將物理計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)，每臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行不同操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序在獨(dú)立空間運(yùn)行互不影響。虛擬化基礎(chǔ)云計(jì)算與虛擬化傳統(tǒng)架構(gòu)一臺(tái)宿主機(jī)上可運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，共享CPU、內(nèi)存等資源，邏輯上相互隔離。虛擬機(jī)內(nèi)部可獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，互不干擾。資源共享傳統(tǒng)架構(gòu)容易造成資源浪費(fèi)，如個(gè)人計(jì)算機(jī)的CPU、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源利用率低。以CPU為例，用戶實(shí)際有效使用的價(jià)值可能僅占購買價(jià)值的一小部分。一套硬件設(shè)備由一個(gè)操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，如個(gè)人計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心小型服務(wù)器。這種架構(gòu)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展初期發(fā)揮了重要作用，但隨著技術(shù)的進(jìn)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(qiáng)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?qū)⑺拗鳈C(jī)資源抽象成虛擬機(jī)，提高了資源的利用率。資源浪費(fèi)傳統(tǒng)架構(gòu)與虛擬化架構(gòu)對(duì)比虛擬化架構(gòu)01030204將宿主機(jī)的物理資源抽象成邏輯資源，如CPU、內(nèi)存、磁盤等，為虛擬機(jī)提供統(tǒng)一的資源接口。通過抽象，虛擬機(jī)可以獨(dú)立于物理硬件，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。關(guān)鍵作用技術(shù)定義VMM是保障虛擬化系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，對(duì)下層調(diào)度宿主機(jī)物理資源，對(duì)上層分割邏輯資源供虛擬機(jī)使用。它負(fù)責(zé)管理和分配宿主機(jī)的各種資源，確保虛擬機(jī)的正常運(yùn)行。資源抽象高效調(diào)度和管理宿主機(jī)資源，滿足虛擬機(jī)的不同需求。根據(jù)虛擬機(jī)的資源需求和使用情況，動(dòng)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(shù)主要指VMM層對(duì)宿主機(jī)資源的調(diào)度和虛擬機(jī)管理技術(shù)。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(jì)60年代前后，虛擬化技術(shù)用于IBM大型機(jī)，通過VMM劃分計(jì)算資源實(shí)例。當(dāng)時(shí)的虛擬化技術(shù)主要是為了滿足大型企業(yè)對(duì)計(jì)算資源的高效利用需求。起源商用方案技術(shù)回歸2001年，VMware推出第一代商用服務(wù)器虛擬化解決方案VMwareESX。這標(biāo)志著虛擬化技術(shù)開始走向商業(yè)化應(yīng)用，為企業(yè)提供了更高效的計(jì)算資源管理方式。21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)計(jì)算能力提升，傳統(tǒng)模式不能充分發(fā)揮算力，虛擬化技術(shù)重新受到關(guān)注。隨著芯片制作工藝的提升和多核技術(shù)、集群計(jì)算技術(shù)的引入，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有了很大的提高，為虛擬化技術(shù)的發(fā)展提供了條件。受限于普通計(jì)算機(jī)硬件算力，未大范圍推廣，僅用于IBM大型機(jī)等少數(shù)場景。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件的性能有限，無法支持虛擬化技術(shù)在更廣泛的場景中應(yīng)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(jí)虛擬化的主流選擇之一。開源方案發(fā)展開源方案促進(jìn)了虛擬化技術(shù)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(shù)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(shù)的研究和應(yīng)用中。生態(tài)繁榮2003年，劍橋大學(xué)開源Xen1.0，后被Citrix收購，加入Linux基金會(huì)，支持ARM架構(gòu)。Xen虛擬化解決方案在開源社區(qū)的推動(dòng)下不斷發(fā)展和完善，為不同架構(gòu)的計(jì)算機(jī)提供了虛擬化支持。開源推動(dòng)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(shù)的應(yīng)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(jìn)一步推動(dòng)了虛擬化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。傳統(tǒng)架構(gòu)不能充分利用算力，虛擬化技術(shù)可提高資源利用率，適應(yīng)芯片發(fā)展。虛擬化技術(shù)通過對(duì)資源的抽象和管理，使得計(jì)算機(jī)能夠更高效地利用有限的硬件資源，滿足了芯片技術(shù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。技術(shù)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(gè)月翻番，成本降低。摩爾定律描述了計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢，對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。摩爾定律2011年后，晶體管數(shù)量接近原子等級(jí)，達(dá)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(shù)發(fā)展的重要因素。摩爾定律與虛擬化虛擬化技術(shù)是應(yīng)對(duì)芯片發(fā)展和資源利用問題的重要技術(shù)趨勢，將在未來的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬化技術(shù)將不斷創(chuàng)新和完善，為企業(yè)和個(gè)人提供更高效、更靈活的計(jì)算資源使用方式。分區(qū)、隔離、封裝與硬件無關(guān)虛擬化特點(diǎn)虛擬化技術(shù)可對(duì)物理機(jī)進(jìn)行邏輯分割，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)物理機(jī)運(yùn)行多臺(tái)不同規(guī)格虛擬機(jī)。通過邏輯分割，物理機(jī)的資源可以被更靈活地分配和使用，滿足不同用戶的需求?？筛鶕?jù)業(yè)務(wù)需求靈活增加或減少虛擬機(jī)數(shù)量，適應(yīng)業(yè)務(wù)變化。企業(yè)可以根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，隨時(shí)調(diào)整虛擬機(jī)的數(shù)量和配置，提高了企業(yè)的運(yùn)營效率和靈活性。邏輯分割資源分配靈活擴(kuò)展獨(dú)立運(yùn)行根據(jù)虛擬機(jī)的需求，合理分配計(jì)算、存儲(chǔ)等資源，提高資源利用率。通過對(duì)資源的精細(xì)分配，虛擬機(jī)可以獲得足夠的資源來運(yùn)行應(yīng)用程序，同時(shí)避免了資源的浪費(fèi)。每臺(tái)虛擬機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，互不干擾。虛擬機(jī)之間的獨(dú)立性保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，即使一臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響其他虛擬機(jī)的正常運(yùn)行。分區(qū)特性避免一臺(tái)虛擬機(jī)的資源占用影響其他虛擬機(jī)性能。通過資源隔離，每個(gè)虛擬機(jī)都可以獲得穩(wěn)定的資源供應(yīng)，保證了應(yīng)用程序的正常運(yùn)行。模擬硬件環(huán)境，為虛擬機(jī)運(yùn)行完整操作系統(tǒng)提供條件。通過模擬硬件環(huán)境，虛擬機(jī)可以像物理機(jī)一樣運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)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(hù)硬件模擬不同虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，互不影響。即使一臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響其他虛擬機(jī)的正常運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。獨(dú)立運(yùn)行虛擬機(jī)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(jī)提供了安全的運(yùn)行環(huán)境，保護(hù)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(diǎn)，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(shí)，需要考慮自身的業(yè)務(wù)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(jī)操作系統(tǒng)，請(qǐng)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(jī)操作系統(tǒng)，使得虛擬機(jī)可以直接與VMM進(jìn)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(duì)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(jī)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，但由于模擬過程需要消耗大量的計(jì)算資源，因此系統(tǒng)開銷較大。半虛擬化按實(shí)現(xiàn)過程分類04030102物理資源由宿主機(jī)操作系統(tǒng)管理，VMM作為驅(qū)動(dòng)或軟件運(yùn)行，如VirtualBox。宿主機(jī)虛擬化在宿主機(jī)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上運(yùn)行VMM，通過調(diào)用宿主機(jī)操作系統(tǒng)的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)虛擬化功能，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。裸金屬虛擬化兩種結(jié)構(gòu)在資源管理和性能上存在差異，企業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況選擇。裸金屬虛擬化的性能較高，但對(duì)硬件的要求也較高；宿主機(jī)虛擬化的靈活性較好，但性能相對(duì)較低。宿主機(jī)虛擬化結(jié)構(gòu)差異按VMM實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(gè)獨(dú)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(yīng)用場景不同的應(yīng)用場景對(duì)虛擬化結(jié)構(gòu)有不同的要求，如企業(yè)級(jí)應(yīng)用可能更適合裸金屬虛擬化。企業(yè)需要根據(jù)自身的應(yīng)用場景和需求，選擇合適的虛擬化結(jié)構(gòu)。按虛擬化對(duì)象分類CPU虛擬化綜合應(yīng)用隔離虛擬機(jī)內(nèi)存空間，保證獨(dú)立地址空間，提高內(nèi)存管理效率。內(nèi)存虛擬化通過對(duì)內(nèi)存資源的管理和分配，使得每個(gè)虛擬機(jī)都有獨(dú)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(shí)現(xiàn)多虛擬機(jī)共享CPU，模擬CPU指令，提高CPU利用率。CPU虛擬化通過對(duì)CPU資源的管理和調(diào)度，使得多個(gè)虛擬機(jī)可以共享有限的CPU資源，提高了CPU的利用率。三種虛擬化對(duì)象相互配合，共同實(shí)現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)的高效運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)的高效運(yùn)行。復(fù)用外部設(shè)備資源，截獲訪問請(qǐng)求，軟件模擬硬件。輸入輸出虛擬化通過對(duì)外部設(shè)備資源的管理和調(diào)度，使得多個(gè)虛擬機(jī)可以共享有限的外部設(shè)備資源，提高了外部設(shè)備的利用率。輸入輸出虛擬化openEuler的虛擬化解決方案ARM架構(gòu)支持的主流虛擬化技術(shù)ARMv8引入VHE，不修改虛擬機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效虛擬化，打破早期限制。VHE技術(shù)的引入使得ARM架構(gòu)能夠更好地支持虛擬化技術(shù)，提高了系統(tǒng)的性能和效率。VMM運(yùn)行在Hypervisor級(jí)別，保證虛擬機(jī)隔離和資源控制。VMM在Hypervisor級(jí)別運(yùn)行，能夠有效地控制宿主機(jī)的所有資源，保證了虛擬機(jī)之間的隔離和系統(tǒng)的安全性。特權(quán)級(jí)別避免VMM與虛擬機(jī)操作系統(tǒng)指令級(jí)別沖突，引入Hypervisor特權(quán)級(jí)別。為了避免VMM和虛擬機(jī)操作系統(tǒng)之間的指令級(jí)別沖突，ARM架構(gòu)引入了Hypervisor特權(quán)級(jí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指令級(jí)別的統(tǒng)一管理。VHE技術(shù)技術(shù)突破指令沖突隔離保障操作系統(tǒng)用特權(quán)級(jí)別限制資源調(diào)用，VMM需最高特權(quán)級(jí)別控制資源。特權(quán)級(jí)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(quán)級(jí)別才能有效地控制宿主機(jī)的所有資源。02030104可在單個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)架構(gòu)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(tái)上運(yùn)行不同架構(gòu)的操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的兼容性和可移植性。虛擬機(jī)功能動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)模擬物理設(shè)備，轉(zhuǎn)換二進(jìn)制代碼。QEMU的動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)可以將已編譯成虛擬機(jī)架構(gòu)下的二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯成物理機(jī)架構(gòu)下的代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理設(shè)備的模擬。資源消耗資源消耗隨虛擬機(jī)數(shù)量和負(fù)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(shè)中，很少直接使用QEMU方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的虛擬化。動(dòng)態(tài)翻譯仿真器功能純軟件模擬底層硬件，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)可直接運(yùn)行，提供統(tǒng)一接口。QEMU作為虛擬機(jī)，可以通過純軟件的方式模擬底層硬件資源，為虛擬機(jī)操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，使得虛擬機(jī)操作系統(tǒng)可以不做任何修改直接運(yùn)行在QEMU之上。QEMU技術(shù)中間適配Libvirt功能開源管理工具和API，管理虛擬化平臺(tái)，支持虛擬機(jī)操作和設(shè)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(tái)，支持虛擬機(jī)的創(chuàng)建、啟動(dòng)、暫停、關(guān)閉等操作，以及對(duì)虛擬機(jī)設(shè)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(shè)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(shù)來模擬輸入輸出設(shè)備。屏蔽底層Hypervisor細(xì)節(jié)，為上層提供統(tǒng)一API，應(yīng)用廣泛。Libvirt作為中間適配層，屏蔽了底層Hypervisor的細(xì)節(jié)，為上層管理工具提供了一個(gè)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(jī)。KVM加QEMU成為主流VMM實(shí)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(shí)現(xiàn)方式之一。KVM與Libvirt技術(shù)組合方案KVM架構(gòu)KVM與Libvirt技術(shù)KVM架構(gòu)用戶空間管理工具與Hypervisor及虛擬機(jī)的基本交互框架CPU、內(nèi)存與輸入輸出虛擬化虛擬化關(guān)鍵技術(shù)x86和ARM架構(gòu)采用不同方法解決指令沖突問題。不同架構(gòu)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(yùn)行。調(diào)度策略CPU虛擬化技術(shù)目標(biāo)VMM為虛擬機(jī)虛擬出與物理CPU同質(zhì)的vCPU，保證控制和“獨(dú)享”錯(cuò)覺。通過虛擬CPU，VMM可以對(duì)CPU資源進(jìn)行有效的管理和調(diào)度，保證每個(gè)虛擬機(jī)都能獲得足夠的CPU資源。包括資源上限限制、下限預(yù)留、份額分配，實(shí)現(xiàn)資源有序利用。CPU調(diào)度策略可以根據(jù)虛擬機(jī)的需求和使用情況，合理分配CPU資源，避免資源搶占和浪費(fèi)。指令沖突虛擬CPU實(shí)現(xiàn)多虛擬機(jī)共享物理CPU，解決共享和指令模擬問題。CPU虛擬化的目標(biāo)是提高CPU的利用率，使得多個(gè)虛擬機(jī)可以共享有限的CPU資源。物理CPU與vCPU數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系IntelCPU提供EPT技術(shù)，降低復(fù)雜度，提升性能。EPT技術(shù)直接在硬件上支持地址轉(zhuǎn)換，降低了內(nèi)存虛擬化實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高了內(nèi)存虛擬化的性能。內(nèi)存虛擬化對(duì)內(nèi)存再抽象，保證虛擬機(jī)獨(dú)立地址空間，建立映射關(guān)系。內(nèi)存虛擬化通過對(duì)內(nèi)存資源的管理和分配，使得每個(gè)虛擬機(jī)都有獨(dú)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(zhuǎn)換采用兩階段地址翻譯或影子頁表技術(shù)，提升轉(zhuǎn)換效率。地址轉(zhuǎn)換是內(nèi)存虛擬化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過采用不同的技術(shù)，可以提高地址轉(zhuǎn)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(jìn)程獨(dú)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(gè)進(jìn)程都有獨(dú)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(dāng)在一個(gè)