DP读书：鲲鹏处理器 架构与编程（五）服务器虚拟化技术

服务器虚拟化技术

1. 虚拟化的概念

虚拟化是使用云计算等应用场景普及而发展开来的提高效率的一项关键技术。他可以将一个物理服务器分割成多个虚拟机，因而被称为一种资源管理技术。

a. 虚拟化

虚拟化（Virtualization）,本质是将物理资源抽象为逻辑资源，即将物理服务器、存储设备、网络设备等硬件资源转化为虚拟资源，并分配给虚拟机使用。虚拟化技术可以将物理资源分割成多个虚拟资源，每个虚拟资源都可以运行独立的操作系统和应用程序，并且可以独立地进行管理、配置和监控。

它可以将多个物理服务器或操作系统整合到一个物理服务器上，或者将一个物理服务器分割成多个虚拟机。虚拟化技术可以提供更高的资源利用率和灵活性，同时还可以降低成本和管理复杂度。

b. 虚拟化系统

在虚拟化系统中，物理资源通常被称为宿主（Host），而虚拟出来的资源称为客户（Guest）

虚拟化系统是指将计算机资源抽象成逻辑资源，使多个操作系统或应用程序可以在一个物理计算机上运行，彼此相互独立。虚拟化系统由虚拟化软件和虚拟机组成，虚拟化软件在物理计算机上运行，并创建和管理虚拟机，而虚拟机可以运行自己的操作系统和应用程序

c. 虚拟化软件

虚拟化的核心就是虚拟机（Virtual Machine，VM）虚拟机是一个严密隔离的软件容器，容纳一个班操作系统和多应用。

虚拟化软件是一种可以在一部主机电脑上模拟出多个虚拟环境的软件。这些虚拟环境可以是完全独立的电脑系统，也可以是互相联网的多个网络系统。

虚拟化软件可以使用实效模拟技术来模拟出一部完整的电脑系统，包括处理器、内存、硬盘、显卡等，之后将操作系统软件安装于这部虚拟出来的电脑系统上。从操作系统的角度来看，它无法察觉此一虚拟化环境与真正完整实体电脑的差异性，完全以过往传统完整实机掌控的方式来执行。这样的操作系统我们可以称它为客体操作系统。

常见的虚拟化软件有VMware、VirtualBox和KVM等。

d. 虚拟化技术分类

虚拟化技术有多种分类方式，常见的分类包括：

1. CPU虚拟化：这是一种硬件方案，支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程。
2. 服务器虚拟化：服务器虚拟化能够通过区分资源的优先次序，并随时随地将服务器资源分配给最需要它们的工作负载来简化管理和提高效率。
3. 存储虚拟化：虚拟存储设备需要通过大规模的raid子系统和多个I/O通道连接到服务器上，智能控制器提供LUN访问控制、缓存和其他如数据复制等管理功能。
4. 网络虚拟化：网络虚拟化整合后的设备组成了一个逻辑单元，在网络中表现为一个网元节点，管理简单化、配置简单化、可跨设备链路聚合，极大简化网络架构，同时进一步增强冗余可靠性。
5. 应用虚拟化：应用虚拟化通常包括两层含义，一是应用软件的虚拟化，一是桌面的虚拟化。

以上是虚拟化技术的主要分类，每种分类都有其特定的实现方式和优势。

应用层次来分类，可划分为硬件虚拟化、操作系统虚拟化、指令集虚拟化

a. 硬件虚拟化

硬件虚拟化是一种计算机技术，它允许创建一个虚拟的计算机硬件环境，然后在这个环境中运行多个操作系统和应用程序。通过硬件虚拟化，可以在同一台物理计算机上运行多个操作系统，每个操作系统都有自己的虚拟硬件环境。

硬件虚拟化的主要目的是提高计算机资源的利用率、灵活性和安全性。它也可以帮助开发者在多种操作系统平台上开发和测试软件。

实现硬件虚拟化的关键技术包括虚拟机监控器（VMM）和二进制转换。虚拟机监控器负责创建和管理虚拟硬件环境，而二进制转换则负责将虚拟机的指令转换为物理计算机的指令。

b. 操作系统虚拟化

操作系统虚拟化是一种虚拟化技术，它允许在单一的物理计算机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都运行着独立的操作系统。操作系统虚拟化的目的是提高计算机资源的利用率、灵活性和安全性，同时简化计算机管理。

操作系统虚拟化的实现需要**虚拟机监控程序（VMM）**的帮助。VMM负责创建和管理虚拟机，为每个虚拟机提供独立的操作系统和硬件资源。虚拟机的操作系统和应用程序运行在VMM之上，但它们的表现就像在真实的物理计算机上运行一样。

操作系统虚拟化技术提高了计算机的可靠性和安全性，因为虚拟机可以在物理计算机出现问题时快速迁移到其他物理计算机上，同时每个虚拟机都有自己的操作系统和应用程序，减少了系统崩溃和数据泄露的风险。此外，操作系统虚拟化也提高了计算机的灵活性和可管理性，因为管理员可以在单一的物理计算机上轻松管理和部署多个虚拟机。

操作系统内核向上提供了不少相互隔离用户态隔离实例，有独立的文件系统、网络系统、系统设置、库函数等，又称容器虚拟化。

c. 指令集虚拟化

指令集虚拟化是指虚拟机的要**运行时（Runtime）**系统将某种处理器的执行代码或者某种执行态代码动态翻译成其他处理器或架构上的机器语言代码去执行，从而在不同的处理器和架构上运行程序的技术。

最常见的是Java虚拟机（Jave Virtual Machine，JVM）

指令集虚拟化是一种计算机虚拟化技术，它允许将一台物理计算机的指令集转换为另一台计算机的指令集。通过指令集虚拟化，可以在不同的计算机架构上运行相同的操作系统和应用程序。

指令集虚拟化的目的是提高计算机资源的利用率、灵活性和安全性。它可以帮助开发者在不同的计算机平台上开发和测试软件，同时也可以使操作系统和应用程序在不同的计算机上无缝运行。

纯软件模拟实现各种不同处理器架构的指令集虚拟化技术类似于交叉调试时的指令集模拟器技术，优点是完全模拟硬件功能特性，缺点是实现复杂，性能差。

2. 服务器虚拟化技术的优势

1. 提高资源利用率：通过将多个物理服务器或操作系统整合到一个物理服务器上，可以避免资源的浪费和低效率的使用。
    
 2. 提高灵活性：虚拟化技术可以快速地创建、复制和迁移虚拟机，从而提高了业务的灵活性和响应速度。
 3. 降低成本：通过虚拟化技术可以将多个应用程序整合到一个物理服务器上，从而降低了服务器的数量和管理成本。
 4. 提高可扩展性：虚拟化技术可以方便地增加新的虚拟机或扩展现有虚拟机的资源，从而提高了系统的可扩展性。

3. 服务器虚拟化的特征

服务器虚拟化的特征主要包括：

1. 封装性：虚拟机都保存在文件中，且可通过移动跟复制这些文件的方式来移动跟复制该虚拟机。
2. 相对于硬件独立：无需修改即可在任何服务器上运行虚拟机。
3. 隔离性：在同一服务器上的虚拟机之间互相隔离，改变了之前单台物理机服务器只能挂以个应用的格局。即在一个物理服务器上可以同时运行N个操作系统，每个系统中部署以个应用，这些应用可同时链接N个小时开启，且系统间互相隔离，互不影响，合理利用了服务器的硬件资源。
4. 分区性：在单个物理服务器上同时运行多个虚拟机，将一个物理服务器的硬件资源分别分区给多个虚拟机。
5. 资源共享：通过将物理服务器划分为多个虚拟机，可以共享硬件资源，提高资源利用率，减少资源浪费。
6. 灵活性：虚拟机可以动态地调整资源配置，例如内存、CPU、存储等，以满足应用程序的需求。
7. 可靠性：通过虚拟化技术，可以将多个虚拟机隔离开来，提高系统的可靠性和安全性，防止单个虚拟机的崩溃。

这些特性使得服务器虚拟化成为一种强大的工具，可以提高硬件资源的利用率，降低管理成本，并提高系统的可靠性。

4. 服务器虚拟化的实现方式

服务器虚拟化是一种将物理服务器划分为多个虚拟服务器的技术，以实现资源的高效利用和灵活性。常见的服务器虚拟化实现方式有以下几种：

1. 完全虚拟化（Full Virtualization）：在完全虚拟化中，通过使用虚拟机监视器（Hypervisor）来模拟硬件环境，使每个虚拟服务器都可以运行独立的操作系统。虚拟机监视器负责管理和分配物理服务器的资源，并为每个虚拟服务器提供一个虚拟的硬件平台。常见的完全虚拟化技术包括VMware ESXi和Microsoft Hyper-V。
   
2. 半虚拟化（Paravirtualization）：半虚拟化是一种相对于完全虚拟化更轻量级的虚拟化方式。在半虚拟化中，操作系统被修改以与虚拟机监视器通信，实现对硬件的直接访问。与完全虚拟化相比，半虚拟化可以提供更好的性能，但需要对操作系统进行修改。常用的半虚拟化技术包括Xen和Oracle VM VirtualBox。
   
3. 容器化虚拟化（Containerization）：容器化虚拟化是一种基于操作系统层的虚拟化方式。在容器化虚拟化中，多个独立的容器共享操作系统内核，但在容器中运行的应用程序之间被隔离开来。容器可以更快速地启动和停止，并具有更低的资源开销。常见的容器化虚拟化技术包括Docker和Kubernetes。
   

除了上述方法，还有一些其他的服务器虚拟化实现方式，如硬件辅助虚拟化（Hardware-assisted Virtualization）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization）。这些实现方式根据不同的需求和应用场景选择合适的技术，以实现服务器资源的最大化利用和灵活性。

硬件辅助虚拟化是一种通过硬件技术来增强虚拟化性能和功能的方法。它主要包括以下几个方面的技术：

1. 虚拟化扩展指令集：一些处理器提供了专门的指令集，用于增强虚拟化的性能和功能。例如，Intel的VT-x和AMD的AMD-V技术就是一种硬件辅助虚拟化技术，可以提供更高效的虚拟机监控程序（VMM）和虚拟机（VM）之间的切换。
2. I/O虚拟化加速：传统的虚拟化环境中，对于I/O设备的访问需要通过虚拟化软件进行中间层的转发和管理，这会引入性能开销。而硬件辅助虚拟化可以提供直接的I/O设备访问能力，减少了虚拟化软件的介入，提高了I/O访问的性能和效率。
3. 内存管理优化：在虚拟化环境中，虚拟机的内存访问需要通过虚拟化软件进行地址映射和转换。硬件辅助虚拟化可以提供硬件支持的内存虚拟化机制，如二级地址转换表（EPT）和二级转换寄存器（NPT），可以降低内存访问的开销，提高虚拟机的性能。
4. 中断虚拟化加速：中断处理是操作系统和硬件之间的重要交互环节。传统的虚拟化环境中，中断处理需要通过虚拟化软件介入，这会引入较大的开销。硬件辅助虚拟化可以提供中断虚拟化加速技术，使得虚拟机可以直接处理部分中断，减少了虚拟化软件的干预，提高了中断处理的效率。
硬件辅助虚拟化技术可以改善虚拟化环境中的性能、可靠性和安全性，并且降低了对虚拟化软件的依赖程度，提升了虚拟化技术的成熟度和应用范围。

客户

虚拟机

物理资源

createVM

startVM

stopVM

操作系统

应用程序

CPU

内存

硬盘

5. 虚拟机管理器的典型架构

虚拟机管理器（VMM）是实现虚拟化技术的关键部分。VMM的典型架构如下：

1. 硬件层：这是VMM的基础，包括物理CPU、内存、硬盘、网络等硬件资源。
2. 核心层：这是VMM的核心部分，包括虚拟化引擎、资源分配、虚拟CPU调度等核心功能。
3. 接口层：这是VMM的接口部分，提供标准的API接口，用于管理虚拟机和监控资源使用情况。
4. 管理工具层：这是VMM的管理工具部分，提供图形化界面或命令行工具，用于管理虚拟机和管理资源。

VMM

请求, 虚拟机

虚拟机

资源请求, 虚拟机

虚拟机

创建虚拟机

resourceAlloc

加载操作系统和应用程序

启动虚拟机

分配资源给虚拟机

allocateResource

卸载操作系统和应用程序

关闭虚拟机

VMM的典型工作流程如下：

1. 当客户请求创建虚拟机时，VMM根据资源分配策略，从物理资源中分配必要的资源，并创建一个新的虚拟机。
2. 当客户请求启动虚拟机时，VMM将虚拟机的操作系统和应用程序加载到虚拟机中，并将控制权交给虚拟机操作系统。
3. 当虚拟机操作系统请求CPU、内存、硬盘等资源时，VMM根据资源分配策略，决定是否将资源分配给虚拟机。
4. 当客户请求关闭虚拟机时，VMM将虚拟机的操作系统和应用程序从虚拟机中卸载，并释放相应的物理资源。

VMM的典型技术包括半虚拟化技术和全虚拟化技术。半虚拟化技术需要客户机操作系统进行一些修改，以适应虚拟化环境，而全虚拟化技术则不需要客户机操作系统进行任何修改。