虛擬化(virtualization)

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1、虛擬化(Virtualization)1.介紹虛擬(Virtualization)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一種框架，在這個(gè)框架下計(jì)算機(jī)的資源被分成了多個(gè)部分，讓不同的執(zhí)行環(huán)境共享。更準(zhǔn)確的說(shuō)，虛擬就是在硬件上的一個(gè)抽象層，給多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例造成它們運(yùn)行在普通硬件上的假象。根據(jù)虛擬機(jī)抽象層位置的不同，可以分成硬件層虛擬(hardware-levelvirtualization)，操作系統(tǒng)層虛擬(operatingsystem-levelvirtualization)和高層語(yǔ)言虛擬機(jī)(high-levellanguagevirtualmachine)[1]。其中硬件層虛擬直接位

2、于硬件層之上，硬件層虛擬也有一些變種，有些硬件層虛擬機(jī)管理器(VirtualMachineMonitor,VMM)[1]可以直接運(yùn)行在硬件上，完全獨(dú)立于任何操作系統(tǒng)；其他的硬件層的VMM作為一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在主機(jī)的操作系統(tǒng)上。由于多數(shù)硬件和操作系統(tǒng)不是為虛擬化設(shè)計(jì)的，因此在實(shí)現(xiàn)完全虛擬化的時(shí)候會(huì)遇到許多困難和挑戰(zhàn)。完全虛擬化的好處在于操作系統(tǒng)不需要被修改就可以運(yùn)行在VMM上，但是性能不如部分虛擬化。而部分虛擬化的缺點(diǎn)是需要給操作系統(tǒng)打補(bǔ)丁，才能運(yùn)行在這個(gè)VMM上。2.虛擬化的優(yōu)勢(shì)Virtualization在很多方面有著優(yōu)勢(shì)[7]：?安全性：對(duì)于有不同安全性需要

3、的應(yīng)用，讓把它們分別運(yùn)行在不同的虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)上，然后在每個(gè)操作系統(tǒng)上針對(duì)應(yīng)用需求配置安全策略，可以達(dá)到恰好的安全需要。?可靠性和可用性：一個(gè)虛擬機(jī)中的軟件錯(cuò)誤不會(huì)影響另一個(gè)虛擬機(jī)中的程序。?代價(jià)：原本需要使用多個(gè)硬件服務(wù)器，使用虛擬以后只需要一臺(tái)性能好的硬件機(jī)器，從而節(jié)省了硬件的花費(fèi)，而且能更充分了利用硬件資源。?適應(yīng)負(fù)載變化：對(duì)于不同應(yīng)用上的負(fù)載工作量的改變，只需要簡(jiǎn)單的改變虛擬機(jī)之間的資源和優(yōu)先權(quán)的分配比例。?負(fù)載平衡和移植性：由于虛擬機(jī)封裝了所有軟件的運(yùn)行狀態(tài)，所以當(dāng)需要平衡硬件機(jī)器之間的負(fù)載時(shí)，可以把整個(gè)虛擬機(jī)放到負(fù)載低的機(jī)器上，移植方便。?遺留應(yīng)用

4、：一個(gè)組織如果需要改變操作系統(tǒng)，通過(guò)虛擬化可以仍然讓遺留應(yīng)用運(yùn)行在虛擬機(jī)上，減少了移植遺留系統(tǒng)的代價(jià)。3.虛擬化的實(shí)現(xiàn)虛擬化的主要作用就是運(yùn)行你在一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行多個(gè)環(huán)境，這些環(huán)境之間彼此隔絕。如圖1所示，在VMM上面運(yùn)行了多個(gè)OS，各個(gè)OS之間彼此獨(dú)立，互不影響。圖1左右兩圖分別對(duì)應(yīng)了hostedVMM和unhostedVMM，hostedVMM運(yùn)行在操作系統(tǒng)上，而unhostedVMM直接運(yùn)行在硬件上。一般來(lái)說(shuō)，指令可以被分成兩類，特權(quán)指令(privilegedinstruction)和非特權(quán)指令(non-privilegedinstruction)。非特權(quán)指

5、令不改變資源的分配，這些資源包括進(jìn)程，主存，外存，計(jì)時(shí)器，寄存器，網(wǎng)絡(luò)連接等；特權(quán)指令會(huì)改變資源分配，例如停機(jī)，設(shè)置定時(shí)器，設(shè)置模式位等指令。計(jì)算機(jī)機(jī)器運(yùn)行在兩種模式下，用戶模式和特權(quán)模式(Supervisormode)，特權(quán)模式下可以執(zhí)行所有的指令，而用戶模式下只有非特權(quán)指令可以被執(zhí)行。兩種模式之間的切換由操作系統(tǒng)設(shè)置/清除模式位(modebit)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在用戶模式下，如果特權(quán)指令需要被執(zhí)行，中斷就會(huì)產(chǎn)生從而調(diào)用操作系統(tǒng)的中斷處理程序。多數(shù)處理器擁有多個(gè)特權(quán)級(jí)別，x86構(gòu)架有4個(gè)特權(quán)級(jí)，分別是ring0,ring1,ring2,ring3。Ring0是最高特權(quán)

6、級(jí)，在非虛擬化的環(huán)境中，操作系統(tǒng)就運(yùn)行在ring0上。普通的應(yīng)用運(yùn)行在ring3上，一般情況下，ring1和ring2不被使用。圖1.虛擬概圖（hostedVMM和unhostedVMM）在虛擬機(jī)環(huán)境下，VMM運(yùn)行在特權(quán)模式(Supervisormode)下，控制虛擬機(jī)(VirtualMachine)中的操作系統(tǒng)對(duì)資源的訪問(wèn)。VMM調(diào)度(schedule)VM，類似于操作系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度，來(lái)保證所有的VM都能訪問(wèn)資源。如果VMM使用直接執(zhí)行技術(shù)(directexecution)，那么對(duì)于每個(gè)位于VM上OS中的非特權(quán)指令，都直接交給硬件去執(zhí)行。但是如果虛擬機(jī)中的操

7、作系統(tǒng)要執(zhí)行特權(quán)指令，由于它允許在用戶模式(usermode)，就會(huì)產(chǎn)生中斷，控制權(quán)被交給VMM，由VMM來(lái)模擬特權(quán)指令的執(zhí)行。例如，如果一個(gè)VM要執(zhí)行停機(jī)指令(halt)，這個(gè)時(shí)候并不是要讓硬件執(zhí)行這個(gè)指令(那樣會(huì)把物理機(jī)器都停機(jī))，而是要VMM停止發(fā)送halt指令的這臺(tái)VM，其他VM不該被影響，這個(gè)效果需要VMM來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。在市場(chǎng)上的虛擬技術(shù)有兩個(gè)主要方向，完全虛擬(fullvirtualization)和部分虛擬(paravirtualization)。完全虛擬提供跟底層硬件完全一致的虛擬接口，部分虛擬提供“幾乎”一致的抽象虛擬，但加入了一些新的虛擬指令。

8、3.1部分虛擬(Para