虚拟化的含义丰富，应用广泛。服务器虚拟化是目前一个主要的虚拟化技术，即在一个宿主计算机上提供多个独立操作系统。本文将探索虚拟化背后的思想，然后讨论实现虚拟化的一些技术。我们还将了解现有的其他一些虚拟化技术，例如 Linux 上操作系统的虚拟化。 　　

     进行虚拟化 就是要将某种形式的东西以另外一种形式呈现出来。对计算机进行虚拟化就是要将计算机以多台计算机或一台完全不同的计算机的形式呈现出来。虚拟化也可以将多台计算机组合成一台计算机的形式呈现出来。这通常称为服务器聚合或网格计算。

处理器虚拟化

     虚拟化早期的另外一种用法（在本例中是对处理器的仿真）是 P-code（或伪码）机。P-code 是一种机器语言，运行于虚拟机而不是实际硬件。P-code 早在 20 世纪 70 年代就已在加州大学圣地亚哥分校（UCSD）Pascal 系统上颇有名气了，它将 Pascal 程序编译成 P-code，然后在一个 P-code 虚拟机上运行。这就使 P-code 程序具有了高度的可移植性，而且，只要有可用的 P-code 虚拟机，P-code 程序就可以运行。 　　

     20 世纪 60 年代对 BCPL（Basic Combined Programming Language）的设计中也采用了相同的概念，C 语言即由 BCPL 发展而来。在这种用法中，编译器会将 BCPL 代码编译成称为 O-code 的中间机器代码。接下来的第二个步骤是将 O-code 编译成目标机器的原始语言。现代编译器所使用的这种模型为将编译器移植到新目标体系结构上提供了很大的灵活性（通过一种中间语言将前端和后端分隔开来）。 　

指令集虚拟化 　　

    虚拟化最新的发展称为指令集虚拟化，或者二进制转换。在这种模型中，虚拟指令集被转换成底层硬件的物理指令集，这个过程通常都是动态的。当代码执行时，就会对代码的某个段进行转换。如果出现分支情况，就会导入新代码集并进行转换。这使它与缓存操作非常类似，后者是将指令块从内存移动到本地快速缓存中执行。 　　

    这种模型最近在 Transmeta 设计的 Crusoe 中央处理单元（CPU）中得到了使用。二进制转换由 Code Morphing 的专利技术实现。类似的一个例子是完全虚拟化解决方案通过运行时代码扫描来查找和重定向特权指令（用来解决特定处理器指令集的一些问题）。

虚拟化的类型 　　

    实现虚拟化的方法不止一种。实际上，有几种方法都可以通过不同层次的抽象来实现相同的结果。本节将介绍 Linux 中常用的 3 种虚拟化方法，以及它们相应的优缺点。业界有时会使用不同的术语来描述相同的虚拟化方法。本文中使用的是最常用的术语，同时给出了其他术语以供参考。 　

硬件仿真 　　

    毫无疑问，最复杂的虚拟化实现技术就是硬件仿真。在这种方法中，可以在宿主系统上创建一个硬件 VM 来仿真所想要的硬件，如图 1 所示。

    正如您所能预见的一样，使用硬件仿真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、所仿真的 CPU 管道以及缓存行为，实际速度差距甚至可能会达到 1000 倍之多。硬件仿真也有自己的优点。例如，使用硬件仿真，您可以在一个 ARM 处理器主机上运行为 PowerPC? 设计的操作系统，而不需要任何修改。您甚至可以运行多个虚拟机，每个虚拟器仿真一个不同的处理器。 　　

完全虚拟化 　　

    完全虚拟化（full virtualization），也称为原始虚拟化，是另外一种虚拟化方法。这种模型使用一个虚拟机，它在客户操作系统和原始硬件之间进行协调（参见图 2）。"协调"在这里是一个关键，因为 VMM 在客户操作系统和裸硬件之间提供协调。特定受保护的指令必须被捕获下来并在 hypervisor 中进行处理，因为这些底层硬件并不由操作系统所拥有，而是由操作系统通过 hypervisor 共享。

    虽然完全虚拟化的速度比硬件仿真的速度要快，但是其性能要低于裸硬件，因为中间经过了 hypervisor 的协调过程。完全虚拟化的最大优点是操作系统无需任何修改就可以直接运行。惟一的限制是操作系统必须要支持底层硬件（例如 PowerPC）。 　　

超虚拟化 　　

    超虚拟化（paravirtualization）是另外一种流行的虚拟化技术，它与完全虚拟化有一些类似。这种方法使用了一个 hypervisor 来实现对底层硬件的共享访问，还将与虚拟化有关的代码集成到了操作系统本身中（参见图 3）。这种方法不再需要重新编译或捕获特权指令，因为操作系统本身在虚拟化进程中会相互紧密作。                              

                                                                              [img=upload/20090318104731-0.jpg]

    正如前面介绍的一样，超虚拟化技术需要为 hypervisor 修改客户操作系统，这是它的一个缺点。但是超虚拟化提供了与未经虚拟化的系统相接近的性能。与完全虚拟化类似，超虚拟化技术可以同时支持多个不同的操作系统。 　　操作系统级的虚拟化，我们要介绍的最后一种技术是操作系统级的虚拟化，它使用的技术与前面所介绍的有所不同。这种技术在操作系统本身之上实现服务器的虚拟化。这种方法支持单个操作系统，并可以将独立的服务器相互简单地隔离开来（参见图 4）。

      操作系统级的虚拟化要求对操作系统的内核进行一些修改，但是其优点是可以获得原始性能。 VMware（完全虚拟化） ，VMware 是完全虚拟化的一个商业解决方案。在客户操作系统和裸硬件之间有一个 hypervisor 作为抽象层使用。这个抽象层允许任何操作系统在硬件上运行，而不需要了解任何其他客户操作系统。VMware 也会对可用的 I/O 硬件进行虚拟化，并将一些高性能的设备驱动程序加入到 hypervisor 中。 　　

      整个虚拟化后的环境都作为一个文件保存，这意味着整个系统（包括客户操作系统、VM 和虚拟硬件）可以很容易地快速迁移到新宿主机器上进行负载均衡。 　　

z/VM （完全虚拟化） 　　

      尽管是一个新品牌，不过它实际上已经有很长的一段历史，可以一直追溯到 20 世纪 60 年代。System/360 在 1965 年就可以支持使用虚拟机进行虚拟化。有趣的是，System z 保留了对之前的 System/360 产品线的向后兼容性。z/VM? 是 System z 上的操作系统 hypervisor。其核心是 Control Program（CP），它为客户操作系统，包括 Linux，提供了物理资源的虚拟化（参见图 5）。这样，多个处理器和其他资源就可以在多个客户操作系统上被虚拟化。

     z/VM 也可以为想要相互通信的客户操作系统仿真一个客户局域网（LAN）。仿真完全是在 hypervisor 中进行的，因此相当安全。 　　

Xen（超虚拟化） 　　

     Xen 是一个来自于 XenSource 的操作系统级超虚拟化的免费开源解决方案。回想一下在超虚拟化中，hypervisor 和操作系统会共同协作，虽然操作系统需要进行一些更改，但却可以带来接近于原始系统的性能。 　　就像 Xen 需要进行协作（对客户操作系统进行修改）一样，只有那些修补过的操作系统才可以通过 Xen 进行虚拟化。Linux 本身就是开源的，所以从 Linux 角度来看，这是一个很合理的折衷，因为最终可以获得比完全虚拟化更好的性能。但是从广泛支持的角度来看（例如对其他非开源操作系统的支持），这显然是一个缺点。Windows 可以在 Xen 上作为一个客户操作系统运行，但是它只能在运行 Intel Vanderpool 或 AMD Pacifica 的系统上使用。支持 Xen 的其他操作系统包括 Minix、Plan 9、NetBSD、FreeBSD 和 OpenSolaris。

User-mode Linux（超虚拟化） 　　

    User-mode Linux（UML）允许 Linux 操作系统在其他操作系统的用户空间中运行。每个客户 Linux 操作系统都存在于宿主 Linux 操作系统中的一个进程中（参见图 6）。这就允许 Linux 内核（使用自己的相关用户空间）在单个 Linux 内核中运行。

    在 2.6 版本的 Linux 内核中，UML 驻留于主内核树内，但它必须提前启用，然后再重新编译才能使用。这些变化除了常见的虚拟化功能之外，还可以提供设备的虚拟化。这样一来，客户操作系统就可以共享可用的物理设备，例如块设备（比如软盘、CD-ROM 和文件系统）、控制台、NIC 设备、声音硬件等。 　　

    注意由于客户内核是在应用程序空间中运行的，因此它们必须为这种用法而被特殊编译（不过它们可以是不同的内核版本）。这样就产生了主机内核（硬件上的内核）和客户内核（在主机内核的用户空间中运行）。这些内核甚至可以是嵌套的，这样就允许一个客户内核在另外一个运行于主机内核的客户内核上运行。 　

Linux-VServer（操作系统级虚拟化） 　　

    Linux-VServer 是一个操作系统级虚拟化解决方案。Linux-VServer 对 Linux 内核进行虚拟化，这样多个用户空间环境 -- 又称为 Virtual Private Server（VPS） -- 就可以单独运行，而不需要互相了解。Linux-VServer 通过修改 Linux 内核实现用户空间的隔离。

     要将各个用户空间与其他用户空间隔离开来，就需要从上下文的概念入手。上下文 是给定 VPS 进程使用的一个容器，这样通过诸如 ps 之类的工具就可以了解 VPS 的进程。内核为最初的引导定义了一个缺省的上下文。另外管理端还能查看所有的上下文（所有的执行进程）。正如您可能猜到的那样，内核和内部数据结构也需要进行修改来支持这种虚拟化方法。 　　

    Linux-VServer 还使用了一种 chroot 格式来为每个 VPS 隔离 root 目录。虽然 chroot 允许指定新 root 目录，但还是需要其他一些功能（称为 Chroot-Barrier）来限制 VPS 脱离其隔离的 root 目录回到上级目录。给定一个隔离的 root 目录之后，每个 VPS 就可以拥有自己的用户列表和 root 密码。 　　

     2.4 和 2.6 版本的 Linux 内核支持 Linux-VServer，它可以运行于很多平台之上，包括 x86、x86-64、SPARC、MIPS、ARM 和 PowerPC。 　　

OpenVZ（操作系统级虚拟化） 　　

      OpenVZ 是另外一个操作系统级的虚拟化解决方案，它与 Linux-VServer 类似，不过也有一些有趣的区别。OpenVZ 是一个支持虚拟化的内核（修改过的），可以支持用户空间隔离、VPS 和一组用户管理工具。例如，您可以简单地从命令行创建一个新的 VPS：清单 1. 从命令行创建 VPS ，$ vzctl create 42 --ostemplate fedora-core-4 　　Creating VPS private area 　VPS private area was created 　$ vzctl start 42 　Starting VPS ... 　VPS is mounted 　　另外还可以使用 vzlist 命令显示目前创建的 VPS，该命令与标准 Linux ps 命令类似。 　

 　为了对进程进行调度，OpenVZ 还包括了两级 CPU 调度器。首先，调度器确定哪个 VPS 应该获得 CPU。在这个步骤完成之后，第二级调度器会根据给定的标准 Linux 优先级挑选进程来执行。

     OpenVZ 还包括了所谓的 beancounters。beancounter 包括很多参数，这些参数为给定的 VPS 定义了资源分配。这为 VPS 提供了一定层次上的控制，定义了有多少内存可用，有多少进程间通信（IPC）对象可用等。 　　OpenVZ 的一个特性是检查点功能和将 VPS 从一个物理服务器迁移到其他物理服务器上的能力。检查点 意味着正在运行的 VPS 的状态被冻结并存储到一个文件中。然后可以将这个文件迁移到一个新服务器上并加以还原以使 VPS 恢复运行。 　　

    OpenVZ 支持很多硬件体系结构，包括 x86、x86-64 和 PowerPC。 对完全虚拟化和超虚拟化的硬件支持 　　回想一下 IA-32（x86）体系结构在进行虚拟化时会产生的一些问题。特定的特权模式指令无法捕获，基于所使用的模式还可能返回不同的结果。例如，x86 STR 指令可以检索安全状态，但是所返回的值要取决于请求者特定的特权级别。在尝试在不同的层次对不同的操作系统进行虚拟化时，这会出现问题。例如，x86 支持 4 环保护，其中级别 0 （最高特权）通常运行操作系统，级别 1 和 2 支持操作系统服务，级别 3（最低级别）支持应用程序。不过硬件供应商已经认识到了这种缺陷（以及其他一些问题），并且已经开发了一些支持并加速虚拟化的新设计。

   Intel 正在开发新虚拟化技术，能在 x86（VT-x）和 Itanium?（VT-i）体系架构上支持 hypervisor。VT-x 支持两种格式的操作，一种用于 VMM（root），另外一种用于客户操作系统（非 root）。root 格式完全是特权级的，而非 root 格式是非特权级的（即使对环 0 来说也是如此）。这种体系架构支持定义指令来使 VM（客户操作系统）退出到 VMM 和保存处理器状态。 　　

   AMD 也开发了硬件辅助虚拟化技术，称为 Pacifica。除了其他一些特性之外，Pacifica 还为在特殊指令执行时保存的客户操作系统维护了一个控制块。VMRUN 指令允许虚拟机（及其相关的客户操作系统）一直运行，直到 VMM 重新获得控制权为止（这也是可配置的）。

   这种可配置能力允许 CMM 为每个客户操作系统定制特权指令。Pacifica 还可以使用宿主和客户内存管理单元（MMU）表来进行地址转换。 　　

   这些新技术也可以应用到此处讨论的很多其他虚拟化技术中，包括 Xen、VMware、User-mode Linux 等。