前面咱比較全面的介紹了云計算，趁熱打鐵，咱們索性把云計算的基礎(chǔ)技術(shù) —“虛擬化”展開來聊一下，以便各位小伙伴對云計算有更為完整的認(rèn)識。

1. 概述

我們常說云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式能夠快速的提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的資源共享池（包括計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、應(yīng)用和服務(wù)），并，用戶只需投入很少的管理工作。云計算是將 IT 資源作為一種服務(wù)的業(yè)務(wù)模式，是產(chǎn)業(yè)形態(tài)，它不是一種具體的技術(shù)，云計算通常通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源，旨在降低 IT 成本并幫助用戶專注于他們的核心業(yè)務(wù)，而不是讓 IT 成為他們的阻礙。

“虛擬化”可以被認(rèn)為是云計算主要的支撐技術(shù)之一。虛擬化將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)在不同層次以不同的面貌展現(xiàn)，讓用戶能夠更加便捷的使用、開發(fā)及維護這些應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。虛擬化不但允許 IT 部門添加、減少移動硬件和軟件到它們想要的地方。虛擬化還為組織帶來靈活性，從而改善 IT 運維和減少成本支出。

需要注意的是，云計算和虛擬化雖然是密切相關(guān)的，但是虛擬化對于云計算來說并不是必須的。云計算將各種 IT 資源以服務(wù)的方式通過互聯(lián)網(wǎng)交付給用戶，然而虛擬化本身并不能給用戶提供服務(wù)。二者可以通過優(yōu)勢互補為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。云計算方案使用虛擬化技術(shù)使整個 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的資源部署更靈活。反過來，虛擬化方案也可以引入云計算的理念，為用戶提供按需使用的資源和服務(wù)。

2. 虛擬化綜述

2.1 為什么需要虛擬化

傳統(tǒng) x86 服務(wù)器的構(gòu)架是在每臺物理服務(wù)器上通過唯一的操作系統(tǒng)（例如 Windows, Linux etc.）進行管理，大多數(shù)情況下每個操作系統(tǒng)僅有一個負(fù)載。而且，也很難在服務(wù)器上運行多個主應(yīng)用程序，否則可能會產(chǎn)生沖突和性能問題。

這么做會導(dǎo)致服務(wù)器資源在大部分時間內(nèi)的利用率很低。正如前面所討論的，物理機的大部分性能都被浪費，我們必須在浪費硬件資源和降低運行風(fēng)險之間尋找平衡。隨著業(yè)務(wù)的增長，隨之而來的成本壓力也變化，相關(guān)管理效率也會變低，需消耗的資源也會變大。

2.2 什么是虛擬化

早期虛擬化（Virtualization）技術(shù)最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 60 年代的 IBM 大型機系統(tǒng)中，并在 70 年代的 System 370 系列中逐漸流行起來，這些機器通過一種叫虛擬機監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，VMM）的程序在物理硬件之上生成許多可以運行獨立操作系統(tǒng)軟件的虛擬機（Virtual Machine）實例。隨著近年多核系統(tǒng)、集群、網(wǎng)格以及云計算的廣泛部署，虛擬化技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上的優(yōu)勢日益體現(xiàn)，不僅降低了 IT 成本，而且還增強了系統(tǒng)安全性和可靠性，虛擬化的概念也逐漸深入到人們?nèi)粘５墓ぷ髋c生活中。

虛擬化是一個廣義的術(shù)語，對于不同的人來說可能意味著不同的東西，這要取決他們所處的環(huán)境。在 IT 領(lǐng)域中，虛擬化代表著對計算資源的抽象，而不僅僅局限于虛擬機的概念。例如對物理內(nèi)存的抽象，產(chǎn)生了虛擬內(nèi)存技術(shù)，使得應(yīng)用程序認(rèn)為其自身擁有連續(xù)可用的地址空間（Address Space），而實際上，應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)可能是被分隔成多個碎片頁或段），甚至被交換到磁盤、閃存等外部存儲器上，即使物理內(nèi)存不足，應(yīng)用程序也能順利執(zhí)行。

這里，虛擬化 Virtualization 定義包括兩層含義：

（1）虛擬化是 IT 資源的邏輯表示，其不受物理限制的約束；

（2）虛擬化技術(shù)通過在軟件系統(tǒng)中加入虛擬化層，將下層的資源抽象成另一種形式的資源，供給上層應(yīng)用。

咱們還是通過示意圖來理解：

虛擬化的重要目標(biāo)之一就是提高管理效率，從而降低成本、提高硬件使用率，把管理變得更加輕松。虛擬化的主攻方向集中在控制實體服務(wù)器的配置數(shù)量，并將物理機上的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，無縫轉(zhuǎn)移至虛擬機上，以便集中管理這些不同平臺的虛擬環(huán)境。

2.3 虛擬化的基本原理

判定一個計算機系統(tǒng)能否被虛擬化，或者說一個能夠被稱為 VMM 的控制程序，需要滿足一下條件：

（1）資源控制：控制程序必須能夠管理所有的系統(tǒng)資源。

（2）等價性：在控制程序管理下運行的程序（包括操作系統(tǒng)），除時序和資源可用性之外的行為，應(yīng)該與沒有控制程序時完全一致，且預(yù)先編寫的特權(quán)指令可以自由地執(zhí)行。

（3）效率性：絕大多數(shù)的客戶機指令應(yīng)該由主機硬件直接執(zhí)行而無需控制程序參與。

由于傳統(tǒng)的 x86 體系結(jié)構(gòu)缺乏必要的硬件支持，任何控制程序都無法直接滿足上述條件，所以 x86 不是一個可虛擬化架構(gòu)，但是我們可以使用軟件實現(xiàn)的方式構(gòu)造 VMM。

經(jīng)典的 CPU 虛擬化方法主要使用“特權(quán)解除”（Privilege deprivileging） 和“陷入－模擬”（Trap-and-Emulation） 的方式。即：將 Guest OS 運行在非特權(quán)級（特權(quán)解除），而將 VMM 運行于最高特權(quán)級（完全控制系統(tǒng)資源）。解除了 Guest OS 的特權(quán)后，Guest OS 的大部分指令仍可以在硬件上直接運行，只有當(dāng)執(zhí)行到特權(quán)指令時，才會陷入到 VMM 模擬執(zhí)行（陷入－模擬）。下面我們更為詳細(xì)的解釋一下這種機制

我們知道虛擬機是對真實計算環(huán)境的抽象和模擬，VMM 需要為每個虛擬機分配一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理它們狀態(tài)，包括虛擬處理器的全套寄存器，物理內(nèi)存的使用情況，虛擬設(shè)備的狀態(tài)等等。

VMM 調(diào)度虛擬機時，將其部分狀態(tài)恢復(fù)到主機系統(tǒng)中。并非所有的狀態(tài)都需要恢復(fù)，例如主機 CR3 寄存器（Control Rigister 控制寄存器，包括 CR0-CR3）中存放的是 VMM 設(shè)置的頁表物理地址，而不是 Guest OS 設(shè)置的值。主機處理器直接運行 Guest OS 的機器指令，由于 Guest OS 運行在低特權(quán)級別，當(dāng)訪問主機系統(tǒng)的特權(quán)狀態(tài)（如寫 GDT 寄存器）時，權(quán)限不足導(dǎo)致主機處理器產(chǎn)生異常，將運行權(quán)自動交還給 VMM。此外，外部中斷的到來也會導(dǎo)致 VMM 的運行。VMM 可能需要先將 該虛擬機的當(dāng)前狀態(tài)寫回到狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，分析虛擬機被掛起的原因，然后代表 Guest OS 執(zhí)行相應(yīng)的特權(quán)操作。

最簡單的情況，如 Guest OS 對 CR3 寄存器的修改，只需要更新虛擬機的狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可。一般而言，大部分情況下，VMM 需要經(jīng)過復(fù)雜的流程才能完成原本簡單的操作。最后 VMM 將運行權(quán)還給 Guest OS，Guest OS 從上次被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行，或處理 VMM “塞”入的虛擬中斷和異常。這種經(jīng)典的虛擬機運行方式就是 Trap-And-Emulate，虛擬機對于 Guest OS 完全透明，Guest OS 不需要任何修改，但是 VMM 的設(shè)計會比較復(fù)雜，系統(tǒng)整體性能受到明顯的損害。

3. 虛擬化的基本特征

我們一般認(rèn)為虛擬化包括四方面的基本特征：

（1）分區(qū)：即在單一物理機上同時運行多個虛擬機。

分區(qū)意味著虛擬化層擁有為多個虛擬機劃分服務(wù)器資源的能力；每個虛擬機可以同時運行一個單獨的操作系統(tǒng)（相同或不同的操作系統(tǒng)），使得用戶能夠在一臺服務(wù)器上運行多個應(yīng)用程序；每個操作系統(tǒng)只能看到虛擬化層為其提供的“虛擬硬件”（虛擬網(wǎng)卡、CPU、內(nèi)存等），使它認(rèn)為運行在自己的專用服務(wù)器上。

（2）隔離：在同一物理機上的虛擬機之間是相互隔離的。

這意味著一個虛擬機的崩潰或故障（例如，操作系統(tǒng)故障、應(yīng)用程序崩潰、驅(qū)動程序故障，等等）不會影響同一物理機上的其它虛擬機；

一個虛擬機中的病毒、蠕蟲等與其它虛擬機相隔離，就像每個虛擬機都位于單獨的物理機上一樣；

不但可以進行資源控制以提供性能隔離，可以為每個虛擬機指定最小和最大資源使用量，以確保某個虛擬機不會占用所有資源而使得同一系統(tǒng)中的其它虛擬機無資源可用；

還可以在單一機器上同時運行多個負(fù)載/應(yīng)用程序/操作系統(tǒng)，而不會出現(xiàn)前面提到的，由于傳統(tǒng) x86 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的局限性所導(dǎo)致的那些問題（應(yīng)用程序沖突、DLL 沖突等）。

（3）封裝：整個虛擬機都保存在文件中，可以通過移動文件的方式來遷移該虛擬機。

也就是說整個虛擬機（包括硬件配置、BIOS 配置、內(nèi)存狀態(tài)、磁盤狀態(tài)、CPU 狀態(tài)）都儲存在獨立于物理硬件的一組文件中。這樣，使用者只需復(fù)制幾個文件就可以隨時隨地根據(jù)需要復(fù)制、保存和移動虛擬機。

（4）相對于硬件獨立：無需修改就可以在任何服務(wù)器上運行虛擬機。

因為虛擬機運行在虛擬化層之上，所以操作系統(tǒng)只能看到虛擬化層提供的虛擬硬件；而且這些虛擬硬件也同樣不必考慮物理服務(wù)器的情況；這樣，虛擬機就可以在任何 x86 服務(wù)器（IBM、Dell、HP 等）上運行而無需進行任何修改。這打破了操作系統(tǒng)和硬件以及應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)/硬件之間的約束，也就是實現(xiàn)了解耦。