​虚拟化技术的分类

虚拟化技术的分类

现在计算机系统是一个庞大的整体，整个系统的复杂性是不言而喻的。因而，整个计算机系统被分成了多个自下而上的层次，每个层次都向上一层次呈现一个抽象，并且每一层只需知道下层抽象的接口，而不需要了解其内部运作机制。这样以层的方式抽象资源的好处是每一层只需要考虑本层设计以及与相邻层间的相互交互，从而大大降低了系统设计的复杂性，提高了软件的移植性。

本质上，虚拟化就是由位于下层的软件模块，通过向上一层软件模块提供一个与它原先所期待的运行环境完全一致的接口的方法，抽象出一个虚拟的软件或硬件接口，使得上层软件可以直接远行在虚拟的环境上，虚拟化可以发生在现代计算机系统的各个层次上，不同层次的虚拟化会带来不同的虚拟化概念。

1.不同抽象层次的虚拟化技术

在介绍各种虚拟化概念之前，先介绍虚拟化中的两个重要名词。在虚拟化中，物理资源通堂有一个定语称为宿主（Host），而虚拟出来的资源通常有一个定语称为客户（Guest）。

在计算机系统中，从底层至高层依次可分为：硬件层、操作系统层、函数库屋、应用程序层，在对某层实施度拟化时，该层和上一层之间得接口不发生变化，而只变化该层的实现方式。从使用虚拟资源的Guest的角度来看，虚拟化可发生在上述四层中的任一层。应当注意，在对Guest的某一层进行虚拟化时，并未对Host在哪一层实现它做出要求，这一点是时常引起混淆的地方。

1.1硬件抽象层上的虚拟化

硬件抽象层上的虚拟化是指通过虚拟硬件抽象层来实现虚拟机，为客户机操作系统呈现和物理硬件相同或相近的硬件抽象层，又称为指令集级虚拟化，实现在此层的虚拟化粒度是最小的。

实现在此层的虚拟化技术可以对整个计算机系统进行虚拟，即可将一台物理计算机系统虑拟化为一台或多台虚拟计算机系统，故又可称作系统级虚拟化，每个虚拟计算机系统（简称为虚拟机）都拥有自己的虚拟硬件（如CPU，内存和设备等），来提供一个独立的虚拟机执行环境，每个虚拟机中的操作系统可以完全不同，并且它们的执行环境具完全独立的，由于客户机操作系统所能看到的是硬件抽层。因此，客户机操作系统的行为和在物理平台上没有什么区别。

1.2操作系统层上的虚拟化

操作系统层上的虚拟化是指操作系统的内核可以提供多个互相隔离的用户态实例。这些用户态实例（经常被称为容量）对于它的用户来说就像是一台真实的计算机，有自己独立的文件系统、网络、系统设置和库函数等。

由于这是操作系统内核主动提供的虚拟化、因此操作系统层上的虚拟化通堂非常高效，它的虚拟化资源和性能开消非常小，也不需要有硬件的特殊支持，但它的灵活性相对较小，每个容器中的操作系统通常必须是同一种操作系统，另外，操作系统层上的虚拟化虽然为用户态实例间提供了比较强的隔离性，但其粒度是比较粗的。

1.3库函数层上的虚拟化

操作系统通常会通过应用级的库函数提供给应用程序一组服务，例如文件操作服务、时间操作服务等。这些库函数可以隐藏操作系统内部的一些细节，使得应用程序编程更为简单。不同的操作系统库函数有着不同的服务接口，例如Linux的服务接口是不同于Windows的。库函数层上的虚拟化就是通过虚拟化操作系统的应用级库函数的服务接口，使得应用程序不需要修改，就可以在不同的操作系统中无缝运行，从而提高系统间的互操作性。

1.4编程语言层上的虚拟化

另一大类编程语言层上的虚拟机称为语言级虚拟机，例做JVM (Java Virtual Machine)和微软的CLR(Common Language Runtime)。 这一类虚拟机运行的是进程级的作业，所不同的是这些程序所针对的不是一个硬件上存在的体系结构，而是一个虚拟体系结构。这些程序的代码首先被编译为针对其虚拟体系结构的中间代码。再由虚拟机的运行时支持系统翻译为硬件的机器语言进行执行。

2.系统级虚拟化

系统级虚拟化即硬件抽象层上的虚拟化、指令集级虚拟化，是最早被提出和研究的一种虚拟化技术，当前存在多种此种技术的具体实现方案，在介绍它们之前，有必要先了解实现系统级虚拟化可采取的途径。

在每台虚拟机中都有属于它的虚拟硬件，通过虚拟化层的模拟，虚拟机中的操作系统认为自己仍然是独占一个系统在运行，这个虚拟化层被称为虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）。VMM对物理资源的虚拟可以归结为三个主要任务：处理器虚拟化，内存虚拟化和I/O虚拟化。其中，处理器虚拟化是VMM中最核心的部分，因为访问内存或进行I/O本身就是通过一些指令来实现的。

2.1可虚拟化架构和不可虚拟化架构

在系统虚拟化中，虚拟计算机系统和物理计算机系统可以是两个完全不同ISA（lnstruction Set Architecture，指令集架构）的系统，例如，可以在一个x86的物理计算机上运行一个安腾的虚拟计算机。但是，不同的ISA使得虚拟机的每一条指令都需要在物理机上模拟执行，从而造成性能上的极大下降。

显然，相同体系结构的系统虚拟化通常会有比较好的性能，并且VMM实现起来也会比较简单。这种情况下虚拟机的大部分指令可以在处理器上直接运行，只有那些与硬件资源关系密切的敏感指令才会由VMM进行处理。此时面前的一个问题是，要能将这些敏感指令很好地筛选出来，但事实上，某些处理器在设计之初并没有充分考虑虚拟化的需求，导致没有办法识别出所有的敏感指令，因而不具备一个完备的可虚拟化结构。

大多数的现代计算机体系结构都有两个或两个以上的特权级，用来分隔系统软件和应用软件。系统中有一些操作和管理关键系统资源的指令会被定为特权指令，这些指令只有在最高特权级上才能够正确执行。如果在非最高特权级上运行，特权指令会引发一个异常，处理器会陷入到最高特权级，交由系统软件来处理。

在x86架构中，所有的特权指令都是敏感指令，然而并不是所有的敏感指令都是特权指令。

为了VMM可以完全控制系统资源，它不允许虚拟机上操作系统直接执行敏感指令。如果一个系统上所有敏感指令都是特权指令，则能够用一个很简单的方法来实现一个虚拟环境：将VMM运行在系统的最高特权级上，而将客户机操作系统运行在非最高特权级上，当客户机操作系统因执行敏感指令而陷入到VMM时，VMM模拟执行引起导常的敏感指令，这种方法被称为“陷入再模拟”。

总而言之，判断一个架构是否可虚拟化，其核心就在于该结构对敏感指令的支持上。如果一个架构中所有敏感指今都是特权指令，则称其为可虚拟化架构，否则称为不可虚拟化架构。

2.2按照实现方法分类

系统级虚拟化有许多不同的具体实现方案，按照实现方法的不同，可划分为如下几个类别。

(1)仿真(Emulation)

我们已经知道，通过陷入再模拟敏感指令的执行来实现虚拟机的方法是有前提条件的：所有的敏感指令必须都是特权指令，如果一个体系结构上存在敏感指令不属于特权指令，那么其就存在虚拟化漏洞，可以采用一些方法来填补或避免这些漏洞。最简单直接的方法是，所有指令都采用模拟来实现，就是取一条指令，就模拟出这条指令执行的效果。这种方法称作仿真。

仿真是最复杂的虚拟化实现技术，使用仿真方法，可以在一个x86处理器上运行为PowerPC设计的操作系统，这在其它的虚拟化方案中是无法实现的。甚至可以运行多个虚拟机，每个虚拟机仿真一个不同的处理器。此外，这种方法不需要对宿主操作系统的特殊支持，虚拟机可以完全作为应用层程序运行。

正如前面提到的，使用仿真方法的主要问题是速度会非常慢。由于每条指令都必须在底层硬件上进行仿真、因此速度减慢100倍的情况也并不稀奇。若要实现高度保真的仿真，包括周期精度、CPU的缓存行为等，实际速度差距甚至可能会达到1000倍之多。使用这种方式的典型实现是Bochs

(2)完全虚拟化(Full Virtualization)

在客户操作系统看来，完全虚拟化的虚拟平台和现实平台是一样的，客户机操作系统察觉不到是运行在一个虚拟平台上，这样的虚拟平台可以运行现有的操作系统，无须对操作系统进行任何修改，因此这种方式被称为完全虚拟化。

进一步说，客户机的行为是通过执行反映出来的，因此VMM需要能够正确处理所有可能的指令。在实现方式上，以x86架构为例，完全虚化经历了两个阶段：软件辅助的完全虚拟化和硬件辅助的完全虚拟化。

①软件实现的完全虚拟化

在x86虚拟化技术的早期，没有在硬件层次上对虚拟化提供支持，因此完全虚拟化只能通过软件实现。一个典型的做法是二进制代码翻译(Binary Translation)。

二进制代码翻译的思想是，通过扫描并修改客户机的二进制代码，将难以虚拟化的指令转化为支持虚拟化的指令，VMM通常会对操作系统的二进制代码进行扫描，一旦发现需要处现的指令，就将其翻译成为支持虚拟化的指令块（Cache Block）。这些指令块可以与VMM合作访问受限的虚拟资源，或者显式地触发异常让VMM进一步处理。

②硬件辅助完全虚拟化

可以预料，如果硬件本身加入足够的虚拟化功能，可以截获操作系统对敏感指令的执行或者对敏感资源的访问，从而通过异常的方式报告给VMM，这样就解决了虚拟化的问题。硬件虚拟化时一种完备的虚拟化方法。因而内存和外设的访问本身也是由指令来承载、对处理器指令级别的截获就意味着VMM可以模拟一个与真实主机完全一样的环境。

lntel的VT-x和AMD的AMD-V是这一方向的代表，以VT-x为例，其在处理器上引入了一个新的执行模式用于运行虚拟机，当虚拟机执行在这个特殊模式中时，它仍然面对的是一套完整的处理器寄存器集合和执行环境，只是任何敏感操作都会被处理器截获并报告给VMM。

在当前的系统级虚拟化解决方案中，全虚拟化应用得非常普遍，典型的有知名的产品有VirtualBox、KVM、VMware Workstation和VMware ESX(它在其4.0版，被改名为VMware vSphere)、Xen(也支持全虚拟化)。

(3)类虚拟化(Para-Virtualization)

这样的虚拟平台需要对所运行的客户机操作系统进行或多或少的修改使之适应虚拟环境，因此客户机操作系统知道其运行在虚拟平台上，并且会去主动适应。这种方式被称为类虚拟化，有时也称作半虚拟化。另外，值得指出的是，一个VMM可以既提供完全虚拟化的虚拟平台，又提供类虚拟化的虚拟平台。

类虚拟化是通过在源代码级别修改指令以回避虚拟化漏洞的方式来使VMM能够对物理资源实现虚拟化。上面谈到x86存在一些难以虚拟化的指令，完全虚拟化通过Binary Translation在二进制代码级别上来避免虚拟化漏洞。类虚拟化采取的是另一种思路，即修改操作系统内核的代码，使得操作系统内核完全避免这些难以虚拟化的指令。

既然内核代码已经需要修改，类虚拟化进一步可以被用于优化I/O。也就是说，类虚拟化不是去模拟真实世界中的设备，因为太多的寄存器模拟会降低性能，相反，类虚拟化可以自定义出高度优化的协议I/O。这种I/O协议完全基于事务，可以达到近似物理机的速度。这种虚拟技术以Xen为代表，微软的Hyper-V所采用技术和Xen类似，也可Hyper-V归属于半虚拟化。

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