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各种虚拟化技术总结 篇一：虚拟化技术区别 x86平台三种不同的虚拟化之路 从1998年开始，VMware创造性的将虚拟化引入x86平台，通过二进制翻译（BT，Binary Translation）和直接执行的模式，让x86芯片可以同时运行不同的几种操作系统，并且确保性能、稳定性和安全性。从那时起，数以万计的企业已经从虚拟化中获得了极大的收益。但是，关于虚拟化的几种实现方式，引起了很多误解，为此，希望通过此文澄清几种虚拟化道路的优缺点，以及VMware公司对几种虚拟化之路的支持情况。图1总结了x86虚拟化技术的进展情况，从VMware的BT最近的内核部分虚拟化和硬件辅助虚拟化。 1.x86虚拟化概览 所谓x86服务器的虚拟化，就是在硬件和操作系统之间引入了虚拟化层，如图2所示。 虚拟化层允许多个操作系统实例同时运行在一台物理服务器上，动态分区和共享所有可用的物理资源，包括：CPU、内存、存储和I/O设备。 图2. x86架构上的虚拟化层 近年来，随着服务器和台式机的计算能力急剧增加，虚拟化技术应用广泛普及，很多用户已经在开发/测试、服务器整合、数据中心优化和业务连续性方面证实了虚拟化的效用。虚拟架构已经可以将操作系统和应用从硬件上分离出来，打包成独立的、可移动的虚拟机，从来带来了极大的灵活性。例如：现在可以通过虚拟架构，让服务器7x24x365运行，避免因为备份或服务器维护而带来的停机。已经有用户在VMware平台上运行3年而没有发生任何的停机事件。 对于x86虚拟化，有两种常见的架构：寄居架构和裸金属架构。寄居架构将虚拟化层运行在操作系统之上，当作一个应用来运行，对硬件的支持很广泛。相对的，裸金属架构直接将虚拟化层运行在x86的硬件系统上，可以直接访问硬件资源，无需通过操作系统来实现硬件访问，因此效率更高。VMware Player、ACE、Workstation和VMware Server都是基于寄居架构而实现的，而VMware ESX Server是业界第一个裸金属架构的虚拟化产品，目前已经发布了第四代产品。ESX Server需要运行在VMware认证的硬件平台上，可以提供出色的性能，完全可以满足大型数据中心对性能的要求。 为了更好的理解x86平台虚拟化，在此简要介绍一下部件虚拟化的背景。虚拟化层是运行在虚拟机监控器（VMM，Virtual Machine Monitor）上面、负责管理所有虚拟机的软件。如图3所示，虚拟化层就是hypervisor（管理程序）直接运行在硬件上，因此，hypervisor的功能极大地取决于虚拟化架构和实现。运行在hypervisor（管理程序）上的每个VMM进行了硬件抽取，负责运行传统的操作系统。每个VMM必须进行分区和CPU、内存和I/O设备的共享，从而实现系统的虚拟化。 图3. Hypervisor通过VMM管理虚拟机 2. CPU虚拟化 根据原来的设计，x86上的操作系统需要直接运行在裸机上，因此默认拥有和控制所有的硬件。如图4所示，x86架构提供了四种特权级别Ring 0、1、2和3，通过这四种级别来控制和管理对硬件的访问。通常，用户级的应用一般运行在Ring 3级别，操作系统需要直接访问内存和硬件，需要在Ring 0执行它的特权指令。为了虚拟x86架构，需要在操作系统下面运行虚拟化层，由虚拟化层来创建和管理虚拟机，进行共享资源分配。而有些敏感指令不能很好的进行虚拟化，它们在Ring 0以外级别执行时，会出现不同的结果。如何在运行时捕获和翻译这些敏感指令成为x86虚拟化的一大挑战，使得x86架构虚拟化最初是不可能的。 图4. x86架构虚拟化前的特权级别 VMware在1998年成功克服了这个难点，开发出了BT技术，从而将操作系统移到Ring 3的用户模式运行，而VMM运行在Ring 0级别实现隔离和性能提升。尽管VMware通过BT技术实现的全虚拟化已经成为默认的业界标准，超过2万家的VMware用户都在这种技术的支持下可靠、高效运行，但整个业界还没有统一定义的行业标准，因此每家公司都在自由发挥，来试图解决这个技术难点，不同的方案都有自己的优势和劣势。 到今天为止，有三种典型的技术来解决x86虚拟化的难题： 通过BT实现的全虚拟化 操作系统帮助下的虚拟化，也叫半虚拟化 硬件帮助的虚拟化 a. 技术1 – 通过BT实现的全虚拟化 VMware可以通过BT和直接执行技术的结合来实现任何x86操作系统的虚拟化。如图5所示，BT可以翻译核心指令来代替那些不能虚拟化的指令，通过翻译后的指令直接访问虚拟硬件。同时，所有用户级指令还是可以直接在CPU上执行来确保虚拟化的性能。每个VMM为每个虚拟机提供完整的硬件支持服务，包括虚拟BIOS、虚拟设备