什么是虚拟化-以及虚拟化的发展
来源：互联网 发布：php开发分类信息 编辑：程序博客网 时间：2024/05/31 19:09
虚拟化是指计算机元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。
计算机有三大组件，I/O(输入、输出)，CPU(运算器、控制器)，RAM(内存)。计算机为了适应不同行业的需要，设计的非常底层。
一颗单核单线程的CPU，在同一时刻只能处理一个线程。而计算机的计算能力非常快，大多数时间都是在等待资源的输入输出，所以为了达到硬件资源的充分利用，就将资源分成相互隔离的组，扮演成类似多台计算机的形式，每一个程序运行在相互隔离的资源中，这就是操作系统的基本作用。因此，可以理解为，操作系统就是各种硬件接口的抽象，是底层硬件资源的资源管理管理设备。CPU只有一个，同一时刻只能处理一个程序，但是需要运行的程序有多个，因此就需要将CPU的处理时间，切割成一个一个的处理单元，也叫时间片。产生一种资源时间复用的效果。
通常情况下，一个程序想要被CPU处理，必须要被放置到内存中。内存中的地址空间在同一序列上的。当某一个程序要运行时，他会按需使用该内存空间中的任意内存的。可是，当多个程序同时运行时，可能会产生打架的现象。因此，就需要将内存空间隔离开来。空间复用，就成了解决多个程序在同一时间使用内存的现象的，即将内存划分成多个不同的区段，不同的程序使用不同的区段。可是，进程存在产生，也存在销毁，另外进程的大小也不一样，程序员开发的进程，使用的内存空间也是随机调用的。所以划分区段的方式，并不是一个可行的解决方案。对一个操作系统而言，内存的管理是最复杂的部分。实际生产中，是将物理内存空间虚拟成线性内存空间来实现的。每一个进程运行的时候，就告诉该进程，你一共有这么多的内存(取决于CPU的寻址能力)可用，你可以随便使用这些空间，但是，这个空间并没有真正的存储数据。进程使用的内存空间会被映射到物理空间中，物理内存是由内核来管理的，即内存的虚拟化技术。
为了实现内存的快速转换和映射，CPU在其硬件级别上，内置了一个芯片，即MMU(内存管理单元)，内核为每一个进程准备了一个内存地址映射表。当某一进程运行时，CPU会将该进程的内存地址映射表装入MMU中(需要经过MMU计算)，以便随时完成映射和转换。由于每次MMU的计算，都会消耗时间，为了提高效率，将经常使用到的进程，经过MMU处理后的进程内存地址映射表，会被放置到一个缓存区中(TLB：转换后援缓冲器)中；
对于IO类的资源(服务类的IO：网络IO、磁盘IO；PC类的资源：网络IO、磁盘IO和显示IO)；
对于网络IO，网卡只有一个，如何实现，多个进程同时发包呢？以以太网为例，八根线，其中有两对没有使用，剩下两对中，每一对儿都有一跟网线是用于屏蔽干扰的，所以，八根网线只有两根是用来通讯的。电信号的传输，就是通过高电压和低电压来实现1、0的。因此，同一时刻，只能发送一位的数据。(百兆网卡100Mbps，它的传输频率是就是，1秒钟可以传输100兆位的数据。)如果有多个进程需要发送数据包，就需要排队，时间复用；
对于磁盘IO，以机械硬盘为例，需要寻道和定位扇区，在同一时间，只能有一个进程进行读写操作，为了提高磁盘的IO效率，内核做了大量的缓冲，将多个写操作先放在缓冲中，再同步到磁盘中。IO是时序复用，空间是空间复用。
所以，对于传统的计算机本身，操作系统就是硬件接口的虚拟机了，从而使得多个进程同时运行。
虚拟化(就是在一台计算机上，运行多个操作系统。)，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。
虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高IT资源利用率，使IT资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。
对于早期的x86CPU，性能特别差，PC机勉强可以运行一个程序，没有空闲的资源，所以虚拟化技术没有市场。随着PC机性能的不断提升。
早期的x86的CPU拥有两种类型的指令，一类是运算类指令，一类是控制类指令；CPU根据指令的"危险"程度，分成了四个等级，叫做指令环。由内向外分别叫做环0(特权指令)、环1(处于空闲状态，未被使用)、环2(处于空闲状态，同样未被使用)、环3(非特权指令)。只有操作系统的内核才有权限运行特权指令。对于用户空间中的进程只有权限运行环3中的指令。操作系统将自己的特权通过系统调用的形式，提供给用户空间中的进程使用；环0用于运行操作系统的内核，环3用于运行程序。问题来了？对于虚拟机中的操作系统来讲，虚拟机有一个内核，物理机也有一个内核。内核运行在CPU的环0上，那么虚拟机执行了一个关机操作，调用了环0中的特权指令，那么物理机也会被关掉。
解决的办法就是，对于虚拟机，使用纯软件的方式，模拟一个环0的空间，通过将虚拟机对环0的操作，导向到对该虚拟机的操作，来实现和物理机的隔离。而虚拟机中的用户空间的进程，和物理机中的用户空间的进程，都运行在环3上。可是，这只是CPU的分离。
对于内存来讲，本来内核控制着所有的物理空间，将空间分给进程使用。可是对于虚拟化来讲，虚拟机上也有一个内核，能让这个虚拟机上的内核管控内存吗？显然是不可以的。对于工作在物理机上的虚拟机，他本来就工作在用户空间中的线性地址上，而这个内存的线性地址，还需要再抽象一次给虚拟机上的进程使用，也就是说，当虚拟机中的某一段进程被调用的时候，需要将内存中的地址映射表放到MMU上，经过转换后的空间，是物理机的内核虚拟过的线性地址，还是不能被使用，还需要物理机上的内核再处理一次，才是真正的物理地址，效率比较低。CPU上的MMU只有一个，虚拟机要用，物理机也要用，到底谁来使用，这也是一个问题？因此就需要，使用纯软件的方式来为虚拟机提供一个MMU，不过性能就很差了，满了好多被。另外内存为了加快访问的效率，有一个用于缓存常用进程的内存空间映射的TLB缓存，即便是用软件模拟的MMU，转换后的结果，有可能还是要使用TLB的，第一个虚拟机缓存的内容，和另一台虚拟机缓存的内容，可能会存在冲突。因此，为了避免冲突，只能禁用TLB，而这样的话，机器上运行的所有的进程，效率都会下降！所以，早期的x86系列的CPU，运行虚拟机，效率极其低下。不过，好在现在的CPU都已经经过优化，在CPU上，支持硬件虚拟化了。
所谓的硬件虚拟化，就是再CPU的环0里面，又加了一个环，称为环-1，所有的特权指令都在环-1上。物理机上的内核，运行在环-1上，虚拟机上的内核，运行在环0上，环0上留空，只用于运行虚拟机的内核，所有的操作，只对当前的虚拟机有效，虚拟机上用户空间的进程，都可以运行在环3上；因此，对于虚拟机，就不需要再使用软件来模拟环0了。这样，相比于软件模拟的虚拟化，性能提高了很多。
对于内存来讲，内存的两级转换必不可少。转换的方式不再是经过虚拟机的内核转换后再由物理机的内核转换，而是穿过虚拟机的内核，直接由物理机的内核来转换。并且还要为TLB增加一个标记，用于标记这是哪一个虚拟机的内存映射，从而避免产生混乱；
注意：对于内存中的MMU virtualization(MMU的虚拟化)，Intel和AMD的方法还不一样。Intel使用的是EPT技术(Extended Page Table，扩展页表)，AMD使用的是NPT技术(Nested Page Table，嵌套页表)；对于TLB virtualization(TLB 虚拟化)，使用的是tagged TLB(标记TLB)；
对于IO虚拟化，IO本来就是虚拟的，网卡IO是时序复用。磁盘IO的是时序复用，空间是空间复用；如果网卡和硬盘只有一个，如何实现虚拟机和物理机都可以使用呢？
硬盘虚拟化，在宿主机的文件系统上，创建一个文件，让这个文件来当作虚拟机的硬盘使用，即使用软件来模拟硬件设备，需要两级驱动(虚拟机中的某一进程，当要存储一个数据的时候，需要调用自己内核的系统调用，内核要驱动该硬盘，因为是使用软件模拟的，所以，需要使用软件来模拟硬盘的具体型号，或者说是硬盘驱动器的型号来。虚拟机的内核，要找到该硬盘的驱动器型号，将它转换成自己硬盘的写、读操作，可是，该硬盘并不存在，所以还需要使用软件来讲该信号转换，然后将该信号转交给宿主机的内核，宿主机的内核收到命令，再调用硬盘的驱动程序，由该驱动程序，转换成具体的电信号。所以，效率比较低。如果使用的是IDE接口的硬盘，大概只有真实性能的40%；提高效率的方式有两种，一种是减去一个层次(也叫Emulation，模拟。不过完全减掉一层是不现实的，但是可以由厚变薄，即告诉虚拟机，你就是一台虚拟机，不用你做转化了，将该信号直接交给物理机的内核得了。也叫半虚拟化，可以达到真实物理硬件的80%左右)；一种是让虚拟机直接使用硬件，需要多准备几个设备(IO-through：IO透传，可以达到真实物理硬件的99%左右)；
网络虚拟化，首先需要给每一个虚拟机虚拟出网卡设备来，还需要构造一个虚拟网络来。可以利用纯软件的方式，构造网卡。有了网卡，虚拟机还不能通信，还需要构建一个虚拟网络(可以使用纯软件的方式来构造一个交换机，将虚拟机连接至交换机，供虚拟机通信，不过这样只能供虚拟机之间通信。如果将物理机也连接到虚拟交换机上，宿主机上再加上一个dhcp的进程，就构成了仅主机模型，例如VMware的仅主机，VMware中vmnat-1；如果还想要和外网通信，打开宿主机的路由转发功能，经过宿主机的转发，就构成了nat(SNAT、DNAT)模型，例如VMware中vmnat-8；还有一种桥接的模型，他是将物理机的网卡作为了交换机，然后给物理机也使用软件的方式，建立了一个虚拟的网卡。这样，真实的物理机的网卡，开启混杂模式(即接收非本mac地址的数据，抓包时候，就开了混杂模式。所以，包多了，网卡的性能也会有所下降)，就充当了交换机的角色，物理网卡连接着真实网络中的另一台交换机，该交换机连接着真实网络中的dhcp服务，也就构成了类似于vmware中的桥接模型。)。
计算机有三大组件，I/O(输入、输出)，CPU(运算器、控制器)，RAM(内存)。计算机为了适应不同行业的需要，设计的非常底层。
一颗单核单线程的CPU，在同一时刻只能处理一个线程。而计算机的计算能力非常快，大多数时间都是在等待资源的输入输出，所以为了达到硬件资源的充分利用，就将资源分成相互隔离的组，扮演成类似多台计算机的形式，每一个程序运行在相互隔离的资源中，这就是操作系统的基本作用。因此，可以理解为，操作系统就是各种硬件接口的抽象，是底层硬件资源的资源管理管理设备。CPU只有一个，同一时刻只能处理一个程序，但是需要运行的程序有多个，因此就需要将CPU的处理时间，切割成一个一个的处理单元，也叫时间片。产生一种资源时间复用的效果。
通常情况下，一个程序想要被CPU处理，必须要被放置到内存中。内存中的地址空间在同一序列上的。当某一个程序要运行时，他会按需使用该内存空间中的任意内存的。可是，当多个程序同时运行时，可能会产生打架的现象。因此，就需要将内存空间隔离开来。空间复用，就成了解决多个程序在同一时间使用内存的现象的，即将内存划分成多个不同的区段，不同的程序使用不同的区段。可是，进程存在产生，也存在销毁，另外进程的大小也不一样，程序员开发的进程，使用的内存空间也是随机调用的。所以划分区段的方式，并不是一个可行的解决方案。对一个操作系统而言，内存的管理是最复杂的部分。实际生产中，是将物理内存空间虚拟成线性内存空间来实现的。每一个进程运行的时候，就告诉该进程，你一共有这么多的内存(取决于CPU的寻址能力)可用，你可以随便使用这些空间，但是，这个空间并没有真正的存储数据。进程使用的内存空间会被映射到物理空间中，物理内存是由内核来管理的，即内存的虚拟化技术。
为了实现内存的快速转换和映射，CPU在其硬件级别上，内置了一个芯片，即MMU(内存管理单元)，内核为每一个进程准备了一个内存地址映射表。当某一进程运行时，CPU会将该进程的内存地址映射表装入MMU中(需要经过MMU计算)，以便随时完成映射和转换。由于每次MMU的计算，都会消耗时间，为了提高效率，将经常使用到的进程，经过MMU处理后的进程内存地址映射表，会被放置到一个缓存区中(TLB：转换后援缓冲器)中；
对于IO类的资源(服务类的IO：网络IO、磁盘IO；PC类的资源：网络IO、磁盘IO和显示IO)；
对于网络IO，网卡只有一个，如何实现，多个进程同时发包呢？以以太网为例，八根线，其中有两对没有使用，剩下两对中，每一对儿都有一跟网线是用于屏蔽干扰的，所以，八根网线只有两根是用来通讯的。电信号的传输，就是通过高电压和低电压来实现1、0的。因此，同一时刻，只能发送一位的数据。(百兆网卡100Mbps，它的传输频率是就是，1秒钟可以传输100兆位的数据。)如果有多个进程需要发送数据包，就需要排队，时间复用；
对于磁盘IO，以机械硬盘为例，需要寻道和定位扇区，在同一时间，只能有一个进程进行读写操作，为了提高磁盘的IO效率，内核做了大量的缓冲，将多个写操作先放在缓冲中，再同步到磁盘中。IO是时序复用，空间是空间复用。
所以，对于传统的计算机本身，操作系统就是硬件接口的虚拟机了，从而使得多个进程同时运行。
虚拟化(就是在一台计算机上，运行多个操作系统。)，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。
虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高IT资源利用率，使IT资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。
对于早期的x86CPU，性能特别差，PC机勉强可以运行一个程序，没有空闲的资源，所以虚拟化技术没有市场。随着PC机性能的不断提升。
早期的x86的CPU拥有两种类型的指令，一类是运算类指令，一类是控制类指令；CPU根据指令的"危险"程度，分成了四个等级，叫做指令环。由内向外分别叫做环0(特权指令)、环1(处于空闲状态，未被使用)、环2(处于空闲状态，同样未被使用)、环3(非特权指令)。只有操作系统的内核才有权限运行特权指令。对于用户空间中的进程只有权限运行环3中的指令。操作系统将自己的特权通过系统调用的形式，提供给用户空间中的进程使用；环0用于运行操作系统的内核，环3用于运行程序。问题来了？对于虚拟机中的操作系统来讲，虚拟机有一个内核，物理机也有一个内核。内核运行在CPU的环0上，那么虚拟机执行了一个关机操作，调用了环0中的特权指令，那么物理机也会被关掉。
解决的办法就是，对于虚拟机，使用纯软件的方式，模拟一个环0的空间，通过将虚拟机对环0的操作，导向到对该虚拟机的操作，来实现和物理机的隔离。而虚拟机中的用户空间的进程，和物理机中的用户空间的进程，都运行在环3上。可是，这只是CPU的分离。
对于内存来讲，本来内核控制着所有的物理空间，将空间分给进程使用。可是对于虚拟化来讲，虚拟机上也有一个内核，能让这个虚拟机上的内核管控内存吗？显然是不可以的。对于工作在物理机上的虚拟机，他本来就工作在用户空间中的线性地址上，而这个内存的线性地址，还需要再抽象一次给虚拟机上的进程使用，也就是说，当虚拟机中的某一段进程被调用的时候，需要将内存中的地址映射表放到MMU上，经过转换后的空间，是物理机的内核虚拟过的线性地址，还是不能被使用，还需要物理机上的内核再处理一次，才是真正的物理地址，效率比较低。CPU上的MMU只有一个，虚拟机要用，物理机也要用，到底谁来使用，这也是一个问题？因此就需要，使用纯软件的方式来为虚拟机提供一个MMU，不过性能就很差了，满了好多被。另外内存为了加快访问的效率，有一个用于缓存常用进程的内存空间映射的TLB缓存，即便是用软件模拟的MMU，转换后的结果，有可能还是要使用TLB的，第一个虚拟机缓存的内容，和另一台虚拟机缓存的内容，可能会存在冲突。因此，为了避免冲突，只能禁用TLB，而这样的话，机器上运行的所有的进程，效率都会下降！所以，早期的x86系列的CPU，运行虚拟机，效率极其低下。不过，好在现在的CPU都已经经过优化，在CPU上，支持硬件虚拟化了。
所谓的硬件虚拟化，就是再CPU的环0里面，又加了一个环，称为环-1，所有的特权指令都在环-1上。物理机上的内核，运行在环-1上，虚拟机上的内核，运行在环0上，环0上留空，只用于运行虚拟机的内核，所有的操作，只对当前的虚拟机有效，虚拟机上用户空间的进程，都可以运行在环3上；因此，对于虚拟机，就不需要再使用软件来模拟环0了。这样，相比于软件模拟的虚拟化，性能提高了很多。
对于内存来讲，内存的两级转换必不可少。转换的方式不再是经过虚拟机的内核转换后再由物理机的内核转换，而是穿过虚拟机的内核，直接由物理机的内核来转换。并且还要为TLB增加一个标记，用于标记这是哪一个虚拟机的内存映射，从而避免产生混乱；
注意：对于内存中的MMU virtualization(MMU的虚拟化)，Intel和AMD的方法还不一样。Intel使用的是EPT技术(Extended Page Table，扩展页表)，AMD使用的是NPT技术(Nested Page Table，嵌套页表)；对于TLB virtualization(TLB 虚拟化)，使用的是tagged TLB(标记TLB)；
对于IO虚拟化，IO本来就是虚拟的，网卡IO是时序复用。磁盘IO的是时序复用，空间是空间复用；如果网卡和硬盘只有一个，如何实现虚拟机和物理机都可以使用呢？
硬盘虚拟化，在宿主机的文件系统上，创建一个文件，让这个文件来当作虚拟机的硬盘使用，即使用软件来模拟硬件设备，需要两级驱动(虚拟机中的某一进程，当要存储一个数据的时候，需要调用自己内核的系统调用，内核要驱动该硬盘，因为是使用软件模拟的，所以，需要使用软件来模拟硬盘的具体型号，或者说是硬盘驱动器的型号来。虚拟机的内核，要找到该硬盘的驱动器型号，将它转换成自己硬盘的写、读操作，可是，该硬盘并不存在，所以还需要使用软件来讲该信号转换，然后将该信号转交给宿主机的内核，宿主机的内核收到命令，再调用硬盘的驱动程序，由该驱动程序，转换成具体的电信号。所以，效率比较低。如果使用的是IDE接口的硬盘，大概只有真实性能的40%；提高效率的方式有两种，一种是减去一个层次(也叫Emulation，模拟。不过完全减掉一层是不现实的，但是可以由厚变薄，即告诉虚拟机，你就是一台虚拟机，不用你做转化了，将该信号直接交给物理机的内核得了。也叫半虚拟化，可以达到真实物理硬件的80%左右)；一种是让虚拟机直接使用硬件，需要多准备几个设备(IO-through：IO透传，可以达到真实物理硬件的99%左右)；
网络虚拟化，首先需要给每一个虚拟机虚拟出网卡设备来，还需要构造一个虚拟网络来。可以利用纯软件的方式，构造网卡。有了网卡，虚拟机还不能通信，还需要构建一个虚拟网络(可以使用纯软件的方式来构造一个交换机，将虚拟机连接至交换机，供虚拟机通信，不过这样只能供虚拟机之间通信。如果将物理机也连接到虚拟交换机上，宿主机上再加上一个dhcp的进程，就构成了仅主机模型，例如VMware的仅主机，VMware中vmnat-1；如果还想要和外网通信，打开宿主机的路由转发功能，经过宿主机的转发，就构成了nat(SNAT、DNAT)模型，例如VMware中vmnat-8；还有一种桥接的模型，他是将物理机的网卡作为了交换机，然后给物理机也使用软件的方式，建立了一个虚拟的网卡。这样，真实的物理机的网卡，开启混杂模式(即接收非本mac地址的数据，抓包时候，就开了混杂模式。所以，包多了，网卡的性能也会有所下降)，就充当了交换机的角色，物理网卡连接着真实网络中的另一台交换机，该交换机连接着真实网络中的dhcp服务，也就构成了类似于vmware中的桥接模型。)。
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