计算虚拟化简介_计算虚拟化功能有哪些

前言

云计算1.0时代以计算虚拟化技术为主，因此虚拟化技术也成为云计算的入门知识。
学习云计算有两个必不可少的学习内容：虚拟化、Linux

虚拟化简介

定义：

是一种可以将一台计算机虚拟成多台逻辑计算机的技术。在一台计算机上同时运行多台逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不用的操作系统，并且各自的应用程序都可以在互相独立的空间内运行而不受影响，从而显著挺高计算机的工作效率。

说白了就是把物理的设备进行逻辑化。以前的用的物理服务器、电脑都是可以看的见的。现在把物理的设备转成一个逻辑的文件夹。文件夹中一部分记录硬件信息，一部分记录用户数据。
文件夹可以同时保存在一个物理机上。所以一个物理机上可以同时运行多台虚拟机。每个虚拟机都都可以独立运行一个操作系统。所以提高资源利用率。
相信很多朋友都在自己的电脑上装过虚拟机，如用VMware Workstation来装Linux等操作系统，细心的朋友一定会发现创建出来的虚拟机是文件的形式存在的。

计算机虚拟化发展史

1964年IBM开始尝试在大型机上实现虚拟化，1972年IBM成功推出了在大型机上的虚拟化。1978 年 6 月 8 日，英特尔（Intel）发布了新款的 16 位微处理器 8086，自此开创了一个新的时代，属于 x86 架构的时代，直至今天。在隔了二十多年的时间之后，1999年，个人电脑需求火热的时代，VMware推出了x86架构的虚拟化产品，从此虚拟化技术终于走下了大型机的神坛。 2002年英国剑桥大学的以为讲师发布了开源虚拟化项目Xen1.0，往后，基于 Xen 虚拟化解决方案陆续被 Redhat、Novell 和 Sun 等的 Linux 发行版集成，作为默认的虚拟化解决方案。后来Xen被思捷收购，Linux转投KVM。10年Xen彻底被Linux抛弃。2006年以色列公司Qumranet宣布推出KVM虚拟化技术，并在2008年被Red Hat收购，红帽开始使用KVM替换在Linux中使用的Xen。同年微软在windows Server 2008 R2中加入了Hyper-v技术。2011年IBM、红帽、惠普、英特尔成立开放虚拟化联盟，加速KVM推广与发展。2013年虚拟化容器技术Docker被推出，6 月，Docker 发布了第一个正式版本 v1.0。同年，Redhat 和 AWS 就宣布了为 Docker 提供官方支持。容器技术开始成为虚拟化热门技术。2014年Rocket被推出。
看完了这段历史之后，很多朋友可能对Xen、KVM、Docker等概念云里雾里，别着急我会一个一个具体介绍。

虚拟化中的重要概念

物理服务器

也就是我们个人电脑的架构

最底层是硬件，然后是操作系统（Host OS）然后最上层是应用和用户交互，操作系统和硬件之间通过Bios相连
Host Machine：

物理最底层的硬件：CPU、内存、硬盘等

Host OS：

在物理机上安装的操作系统

虚拟机

相比物理服务器，有些不同：多出了操作系统（Guest OS）、虚拟机、虚拟机监视器。
Hypervisor：

虚拟机监视器/虚拟化软件层。又叫VMM：虚拟机监控机

• 前面提到的KVM、XEN都是Hypervisor
• 有了Hypervisor才有虚拟化，它是虚拟化的核心
• 负责监控虚拟机的状态，给虚拟机分配CPU、内存、甚至是I/O的虚拟化。
  Guest Machine：

虚拟机

Guest OS：

安装在虚拟机上的操作系统

• Guest OS通过Hypervisor/VMM来访问实际的物理资源

举例：平常用VMware安装虚拟机。Windows就是Host OS。VMware软件就有Hypervisor的功能，然后创建之间要建虚拟机，然后再在虚拟机上安装Linux或者其他操作系统：Guset OS。

计算机虚拟化的分类

根据Host OS和Hypervisor/VMM的关系分：
（也可以说是根据Hypervisor/VMM的位置）

裸金属虚拟化（Ⅰ型）

Hypervisor直接可以掌握调动硬件资源，不需要经过Host OS（没有Host OS）
或者说：在Ⅰ型虚拟化中，Hypervisor就是Host OS，定制的Host OS

优点：

• 不依赖操作系统
• 虚拟机支持多种操作系统以及多种应用

缺点：

• 内核开发难度大
• 负载重

产品

• 华为的Fusion Compute
• Xen Server
• VMware Esxi
• Hyper-v
• 等

宿主型虚拟化（Ⅱ型）

物理资源由Host OS来管理，实际的虚拟化功能由VMM提供。

VMM是Host OS上的一个普通的应用程序。

通过VMM在创建相应的虚拟机，和Host OS共享底层的硬件资源。VMM通过调用Host OS的服务来调用资源。VMM创建的虚拟机通常是作为Host OS中的一个进程在运行。

优点：

• 简单、易实现

缺点

• 占用资源多，性能损耗大

产品

• VMAware Workstation
• VirtualBox(Oracle：甲骨文公司）
• KVM
• 等

Ⅰ型虚拟化和Ⅱ型虚拟化没有孰优孰劣之分。

虚拟化的特点

无论是Ⅰ型虚拟化还是Ⅱ型虚拟化都具备了以下四个特点

计算虚拟化一共分为三个领域。分别是CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化。

cpu虚拟化

CPU虚拟化分为

CPU的分级保护域

Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的，级别共分4层，RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的两个级别RING0和RING3。RING0层拥有最高的权限，RING3层拥有最低的权限。

按照Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，只能访问RING3层的数据，操作系统工作在RING0层，可以访问所有层的数据，而其他驱动程序位于RING1、RING2层，每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。Guest os在Ring1

如果普通应用程序企图执行RING0指令，则会显示“非法指令”错误信息。

原因：

保护计算机安全。威胁到计算机的指令只能由操作系统来执行，防止恶意的软件随时调用硬件资源

举例：

某个应用需要开启摄像头，需要向Ring 0的驱动程序请求开关，否则会被拒绝此类操作。

在虚拟化中带来一个问题：

Guest OS是一个操作系统，Hypervisor也是一个操作系统。原先OS在Ring 0上，做虚拟化之后，Guest OS运行在Ring 1层。Host OS或者Hypervisor在Ring 0层。但是两个操作系统都应该有Ring 0的权限，底层硬件就不知道听谁的了。

这时候就引入一个新的方法：敏感指令
只有在虚拟化才有
解决方案有两个：全虚拟化、半虚拟化

全虚拟化

Guest OS执行敏感指令的时候，Hypervisor也会截获这个指令，并翻译指令，然后再传给硬件资源，调用硬件，再把返回的结果传给Guest OS
过程中：Guest OS不知道自己是一个虚拟机，它认为自己完全执行了这个敏感指令。
由于在执行的过程中，敏感指令被执行了两次，还要被Hypervisor翻译，所以效率低。

半虚拟化

半虚拟化中Guest OS知道自己是虚拟机，当它发现要执行敏感指令时，就会直接给Hypervisor发送Hypercall指令，然后Hypervisor再去调用硬件资源，再把结果返回给Guest OS

优点：

• 性能几乎等于物理机

缺点：

• 必须修改Guest OS的内核、开源的操作系统支持半虚拟化，有些闭源的操作系统不支持半虚拟化：windows

硬件辅助虚拟化

经过了时代的发展，推出了硬件辅助虚拟化。将所有的工作都交给CPU去处理。

在硬件辅助虚拟化中CPU保护域不再只是分为Ring 0到Ring 3，而是分为ROOT模式和非ROOT模式，每个模式下面再分分保护域。（两套特权级，两个Ring 0），Guest OS在非ROOT模式下的Ring 0上，Hypervisor或者Host OS就运行在ROOT模式的Ring 0上。执行指令时，Guest OS先将指令发给Hypervisor，Hypervisor再发给硬件资源。

需要硬件（CPU）支持：

Inter vp-x、AMD -V

优点：

• 效率高，性能提高

目前全虚拟化、半虚拟化一般都有硬件辅助虚拟化加持

内存虚拟化

一台物理机一般只有一条内存条。但是一台物理机可能运行了多台虚拟机。那就遇到一个问题：如何分配内存空间

因为通常情况下使用内存空间有两个要求：

1. 地址空间连续的
2. 内存空间要从0开始

解决办法：通过逻辑的地址映射

VMM将物理内存映射给虚拟机，让虚拟机觉得自己在使用一个真实的、连续的内存。但是其实在真实内存中，他是不连续的。

I/O虚拟化

虚拟化和云计算的对比

虚拟化

为了提高硬件的利用率，把物理主机虚拟成多台逻辑主机。每一台主机上都可以运行不同的操作系统。

云计算

在云计算中我们主要用虚拟化来实现基础的Iaas云服务。但是云计算中不单单是Iaas

• 虚拟化是一种技术
• 云计算是一种模式
• 没有虚拟化我们也能实现云计算，但是又虚拟化我们能更好的实现云计算。

主流的计算机虚拟化技术

开源虚拟化技术

• KVM

• Xen

  开源的优劣势

  • 技术免费
  • 使用要求高，学习成本高，出问题只能自己解决
  • 技术更新快（因为开源）

闭源

• HUAWEI FusionSphere

• Hyper-v

• VMware ESXi

  闭源优劣势

  • 收费
  • 学习成本低
  • 厂商服务支持

XEN与KVM

主流的Hypervisor架构：XEN、KVM
可以说是Hypervisor的分类

Xen ：

轻量级Hypervisor

Xen是第一类运行在裸机上的虚拟化管理程序(Hypervisor)。它支持全虚拟化和半虚拟化,属于裸金属架构。Xen支持hypervisor和虚拟机互相通讯。Xen最重要的优势在于半虚拟化，此外未经修改的操作系统也可以直接在xen上运行，能让虚拟机有效运行而不需要仿真，因此虚拟机能感知到hypervisor，而不需要模拟虚拟硬件，从而能实现高性能。

Xen中的虚拟机分为两类
Dom0：特权用户（相当于管理员，老大）

1. 管理普通用户的生命周期
2. 直接命令底层硬件
3. 启动DomU之前，只要启动DomU

DomU：普通用户
不能直接访问硬件资源
所有操作都需要前后端驱动的方式，转给Dom0，再由Dom0完成具体的操作之后再返回给DomU

KVM

KVM是在Host os(必须linux)上镶嵌一个KVM模块，使内核成为Hypervisor。Host kernel与VM对于共享区域的访问和映射 无需经过Hypervisor的授权，故尔访问路径较短。kvm采用全虚拟化技术（不修改Guest kernel),搭配硬件辅助虚拟化（支持intel-VT/AMD-V). 混合虚拟化架构。

KVM是集成到linux内核的系统虚拟化模块，是Linux中的一个进程，使用linux自身调度器进行管理，工作在X86架构且需支持硬件辅助虚拟化技术（Intel VT和AMD-V）。使用全虚拟化技术，采用混合虚拟化架构。

只支持全虚拟化技术

KVM简介

KVM 全称是 基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是一个 Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个 Hypervisor：

单独KVM：

• Linux中的内核模块（程序），使Linux变成Hypervisor。
• KVM内核模块本身只能提供CPU和内存的虚拟化，不能提供其他的虚拟化（如I/O）

QEMU-KVM：

• 提供CPU、内存的虚拟化。拦截客户机的I/O。Guest OS的I/O被KVM拦截之后，交给QEMU处理。

QEMU：

• 原生的QEMU：

• • Qemu 是纯软件设计的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备，我们最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机，虚拟机认为自己和虚拟机打交道，但其实是和Qemu模拟出来的硬件打交道，Qemu 将这些真正的指令转译给真正的硬件

• QEMU-KVM（构成一套完整的虚拟化解决方案）

  • 正因为Qemu是纯软件实现的，所有的指令都要经过qemu过一手，性能非常低，所以在生产环境中，Qemu配合KVM来完成虚拟化工作，因为kvm是硬件辅助的虚拟化技术，主要负责比较繁琐的cpu虚拟化和内存虚拟化，而QEMU则负责IO设备虚拟化，两者合作发挥自身的优势，相得益彰，提高性能。

运行模式

安装了KVM就相当于安装KVM的LINUX内核模块，会产生三个模式（guest mode； 用户 mode；内核 mode)

1. Guest Mode（客户模式）

   只要指的是虚拟机，以及虚拟机模拟的CPU、磁盘，等设备。受限的CPU模式

2. 用户 Mode（用户模式）

   主要运行QEMU，主要是为虚拟机模拟执行I/O操作请求。
   只拥有部分的控制权限，绝大多数的应用程序都运行在这个模式。该模式出现状态异常，仅导致该应用程序崩溃。

3. Kernel Mode（内核模式）

   进行真正的硬件操作。
   代码具有对硬件所有的控制权限。可以执行所有CPU的指令。该模式下出现 状态异常，将导致整个机器崩溃。

Guest OS需要调用硬件硬件的时候，需要先发送请求到用户模式，再到内核模式，才能调用硬件。

KVM体系架构

管理工具

Libvirt

操作和管理KVM虚机的虚拟化 API。是一个开源项目，非常强大的管理工具。被管理的虚拟化平台可以是：XEN、KVM、Hyper-V、VMware等等

上面的管理工具被打包成一个API库包括在Libvirt
libvirt包括一个API库，一个守护进程（Libvirtd），和一个命令行实用程序（virsh）
Libvirt直接可以管理KVM，而且向上还提供各个语言的接口。许多公司会基于KVM来做定制的开发，开发适用于自己产品的管理工具，管理工具可能使用JAVA、Python、PHP等不同的语言开发，Libvirt能够完美的兼容各种语言开发的管理工具。

KVM+QEMU

这两个组件就能组成一个完整的虚拟化解决方案。（QEMU-KVM）

KVM内核模块本身只能提供CPU和内存的虚拟化，所以它必须结合QEMU才能构成一个完成的虚拟化技术，这就是QEMU-KVM。
再加上管理工具、Libvirt就是一套更完整的解决方案。

一般的体系架构都是这样的。所以可以通过这个体系架构去了解其他的架构。

KVM I/O操作流程

可以对应先前讲的 I/O的模拟和半虚拟化

默认操作流程（全虚拟化I/O）

默认的情况下，KVM的I/O操作流程，使用模拟的流程。

模拟的方式要经过十个步骤：所以性能差

流程

1：虚拟机发起I/O的操作请求，把请求发给虚拟的设备驱动
2：KVM中模块中的I/O Trap Code会捕获这个请求
3：然后将请求发送到I/O共享页中 同时告诉QEMU这里有个请求，你来解决一下：Notification
4：QEMU到共享页中拿这个请求
5：查看请求是什么要调用什么设备？然后根据I/O请求去给真实的设备驱动发送请求
6：设备驱动调用真实设备
7：处理完成之后，QEMU将处理完成的信息放到共享页当中 并通知KVM模块，我已经处理完成了
8：然后KVM模块中的I/O Trap Code将信息从I/O共享页中拿出来
9、10：再返回给Guset OS

无论是Guest OS发出请求，还是QEMU处理完请求之后返回的信息，都经过了KVM模块，但是KVM并没有做实质性的处理。这让性能降低。
所以有没有一种方法，让Guest OS请求方，QEMU处理方，直接让他们交流，不经过KVM模块。

Virtio （半虚拟化I/O）

在Virtio中，无论是Guest OS的请求消息，还是QEMU返回的消息都不经过KVM模块。只是通过KVM来发一个通知。
请求和返回的结果全部放在一个中间的vring的一个空间中。少了KVM模块经手的手续。从而提高I/O虚拟化的性能

具体性能提升举例：

网卡速率：模拟出来的网卡速率一般只有百兆，然后用Virtio之后，网卡速率可以达到万兆。

华为FusionCompute简介

架构

华为Fusion Compute的架构和KVM体系架构差不多，也是包括：管理工具、虚拟化的产品。

Fusion Compute管理工具：

VRM（Virtual Resource Manager，虚拟资源管理器）。

VRM给管理员、用户提供一个Web的图形化界面了，界面中可以看到虚拟机的状态、底层硬件资源池的状态（剩多少内存、硬盘、有多少CPU）、虚拟机的信息等等

集群：

向上提供了计算、存储、网络资源

Fusion Computer的优势：

1. 虚拟化和物理资源统一管理
2. 快速发放虚拟机（最大可50台）

组件作用

FusionCompute由两部分组成：

1. CNA（Computing Node Agent，计算节点代理）
2. VRM（Virtual Resource Manager，虚拟资源管理器）

其中VRM相当于KVM中的管理工具，管理员和用户可以通过图形化的Portal对FusionCompute进行管理和使用。它是基于Linux操作系统的，所以我们登录VRM后，很多Linux命令都可以使用。

CNA相当于KVM中QEMU+KVM模块，主要提供虚拟化功能，通常是以集群的方式部署，将集群内的计算、存储和网络资源虚拟化成资源池供用户使用。同样，CNA也是基于Linux操作系统的。

注意CNA和VRM的区别

VRM和CNA都有管理的作用，CNA管理的是本节点上的虚拟机和资源，而VRM是从集群或者整个资源池的层面进行管理。如果VRM对某个虚拟机进行修改或者其它生命周期的操作时，需要将命令下发给CNA节点，再由CAN去执行。操作完成后，CNA再把结果返回给VRM，由VRM记录到数据库中。所以尽量不要到CNA上执行虚拟机或其它资源的修改操作，以避免造成VRM数据库中的记录与实际不匹配的情况。