淺談虛擬化技術(shù)

淺談虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)層次分類–硬分區(qū)Hypervisor層虛擬化RISC2.

X86–

操作系統(tǒng)層虛擬化1.

RISC2.

X86–

應(yīng)用層虛擬化1.應(yīng)用交付2.流式應(yīng)用2硬分區(qū)–硬分區(qū)是個(gè)俗稱，或者也可以叫物理分區(qū)，簡(jiǎn)而言之就是將擁有多塊CPU板多塊內(nèi)存板多塊IO板的一臺(tái)大機(jī)器通過(guò)電氣分割成多個(gè)小機(jī)器，每個(gè)小機(jī)器都可以安裝自己的操作系統(tǒng)–硬分區(qū)的代表作有HP的nPar和SUN的DSD–優(yōu)點(diǎn)：完整的電氣隔絕，互不干擾–缺點(diǎn)：太多，資源細(xì)粒度太大、無(wú)法共享資源、無(wú)法在線調(diào)整資源等等–總結(jié)：硬分區(qū)個(gè)人甚至認(rèn)為不應(yīng)該算虛擬化，從技術(shù)角度講過(guò)時(shí)了，實(shí)用價(jià)值太小，本文只是簡(jiǎn)單提下用來(lái)和Hypervisor那種邏輯分區(qū)做對(duì)比用3Hypervisor層虛擬化–定義–分類–圖解4定義–IBM如何描述其POWERHypervsiorPOWERHypervisor?技術(shù)作為系統(tǒng)固件的一部分與所有IBM?Systemi?型號(hào)、IBMSystemp?服務(wù)器和某些IBMBladeCenter?刀片服務(wù)器集成在一起。系統(tǒng)管理程序?qū)ο到y(tǒng)虛擬化進(jìn)行協(xié)調(diào)及管理，包括創(chuàng)建邏輯分區(qū)和在多個(gè)操作環(huán)境間移動(dòng)資源。–VMware如何描述其ESXHypervisorAbare-metalhypervisorsystemdoesnotrequireanoperatingsystem.Thehypervisoristheoperatingsystem.5白話Hypervisor–通過(guò)兩大企業(yè)級(jí)應(yīng)用最廣泛的Hypervisor描述可看出，實(shí)際上Hypervisor是處在硬件之上操作系統(tǒng)之下的一個(gè)層級(jí)，Hypervisor本質(zhì)上是軟件，但通常被固化在硬件里面(其實(shí)也就是firmware)或打包(偽裝)一個(gè)特殊操作系統(tǒng)來(lái)安裝在主機(jī)上–在很多講解虛擬化的概念里，也有一個(gè)VMM的東西，全稱VirtualMachineMonitor，其實(shí)這個(gè)就是Hypervisor–所有底層的硬件資源被Hypervisor所管理，Hypervisor上層虛擬出來(lái)的多個(gè)虛擬機(jī)的計(jì)算和IO資源需要Hypervisor來(lái)分配協(xié)調(diào)，當(dāng)然了在具體的實(shí)現(xiàn)上各家自有獨(dú)門技術(shù)實(shí)現(xiàn)6分類–RISC平臺(tái)的Hypervisor及虛擬化技術(shù)IBM

Power

Hypervisor及PowerVMSUN

Ldom

(Oracle

VM一部分)HP

vPar

+Integrity

VMX86平臺(tái)的Hypervisor及虛擬化技術(shù)VMware

ESXi/ESX及vSphere4XEN(Citrix

XenServer/Oracle

VM

base

XEN)RedHat

KVMMicroSoft

Hyper-VParallels等等…7IBMPowerVM簡(jiǎn)介PowerVM的核心就是Power

HypervisorPowerVM

是在基于

IBM

POWER

處理器的硬件平臺(tái)上提供的具有行業(yè)領(lǐng)先水平的虛擬化技術(shù)家族。它是

IBM

Power

System

虛擬化技術(shù)全新和統(tǒng)一的品牌（邏輯分區(qū)，微分區(qū)，Hypervisor，虛擬

I/O

服務(wù)器，APV，PowerVM

Lx86，LivePartition

Mobility)。8圖解之IBMPOWERHypervisor9SUNLDOM簡(jiǎn)介10–LDoms是Sun新的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，可以基于服務(wù)器物理資源，如CPU、內(nèi)存、I/O、和存儲(chǔ)等資源，創(chuàng)建服務(wù)器分區(qū)，該分區(qū)叫做virtualdomain虛擬域，或稱logicaldomain邏輯域，每個(gè)LDom可以運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的操作系統(tǒng)。–由于SUN被Oracle收購(gòu)，SUN所有虛擬化技術(shù)及Oracle自己的、收購(gòu)其他的虛擬化技術(shù)現(xiàn)在通稱OracleVMSUNLDOM圖解11HPvPar+IntegrityVM簡(jiǎn)介–HP提供兩種產(chǎn)品來(lái)完成軟件分區(qū)：vPar—虛擬分區(qū);IntegrityVM—IntegrityVirtualMachines。使用這兩種中的任一種產(chǎn)品，可以在處理核心級(jí)別中對(duì)服務(wù)器分區(qū)。IntegrityVM甚至允許亞核心級(jí)別分區(qū)。–軟件分區(qū)的重要特性包括：在處理核心級(jí)別(對(duì)于vPar)或通過(guò)時(shí)間片(對(duì)于IntegrityVM)實(shí)現(xiàn);提供功能隔離而不是電氣隔離;如果使用虛擬分區(qū)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，分區(qū)稱為vPar;如果使用IntegrityVirtualMachines產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，分區(qū)稱為guest虛擬機(jī)操作系統(tǒng);可以使用軟件分區(qū)對(duì)npartition進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分;vPar只支持HP-UX實(shí)例。12HPvPar+IntegrityVM圖解13VMwareESXi/ESX簡(jiǎn)介及區(qū)別–VMwareESX和VMwareESXi是“裸機(jī)”管理程序，也就是說(shuō)，它們直接安裝在物理服務(wù)器之上，并將其劃分成可同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)共享底層服務(wù)器的物理資源。每個(gè)虛擬機(jī)都代表著一個(gè)完整的系統(tǒng)，具有處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接、存儲(chǔ)和BIOS，并且可運(yùn)行未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。–ESXi/ESX經(jīng)常讓人迷惑，二者實(shí)際區(qū)別是ESXi是vmkernel加一個(gè)類似BIOS的精簡(jiǎn)界面，ESX則是vmkernel加了一個(gè)完整的定制RHELOS，兩者在虛擬化功能上差別幾乎可忽略不計(jì)14ESXi/ESX和vSphere的關(guān)系–VMware自推出vSphere4后搞出了一堆概念，讓人提前感受了“云/暈”–其實(shí)vSphere4是以ESX或ESXi為核心，打包了一系列高級(jí)虛擬化技術(shù)的產(chǎn)品，按這個(gè)概念也包括了VC，因?yàn)閂C才能配置這些高級(jí)功能，包括：Vmotion、StorageVmotion、HA、DRS等等對(duì)比IBM，vSphere4和ESXi/ESX的關(guān)系如同

PowerVM和Power

Hypervisor之間的關(guān)系vSphere和Power

VM都是Solution名稱15圖解之VMwareESXi/ESXHypervisor16X86平臺(tái)其他Hypervisor簡(jiǎn)介–在X86市場(chǎng)上除了VMware一枝獨(dú)秀外，還存在眾多覬覦者，包括Citrix的XenServer，MicroSoft的Hyper-V，以及同樣基于XEN的OracleVM(注)和Novell的SLES(其實(shí)是Novell企業(yè)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)置了Xen)，而企業(yè)Linux領(lǐng)袖廠商RedHat早先和Novell一樣走RHEL上集成Xen路線，后來(lái)不想受制于人，通過(guò)收購(gòu)現(xiàn)在主推RHEV/KVM–以上產(chǎn)品除了RedHat的RHEV/KVM沒(méi)試用，其他全部簡(jiǎn)單測(cè)試過(guò)，事實(shí)證明他們離VMware差的還太遠(yuǎn)，遠(yuǎn)不足大中型企業(yè)數(shù)據(jù)中心虛擬化應(yīng)用，所以不做詳談17思考：為什么OS廠商那么熱心這塊蛋糕？– 明面上，虛擬化這塊蛋糕在VMware推動(dòng)下越做越大，2010年估計(jì)VMware年銷售額22-25億$，作為一個(gè)純軟件及服務(wù)公司，這個(gè)數(shù)字是很強(qiáng)大的，而調(diào)查公司數(shù)據(jù)說(shuō)明還只有不到20%的服務(wù)器被虛擬化，所以這個(gè)市場(chǎng)未來(lái)還會(huì)更大，那么微軟、紅帽覬覦這個(gè)市場(chǎng)也理所當(dāng)然– 但個(gè)人認(rèn)為還有一個(gè)更重要的原因就是：以VMware為代表的Hypervisor技術(shù)動(dòng)了傳統(tǒng)X86OS廠商的奶酪；在幾十年的IT長(zhǎng)河中，OS一直可以形容為航空母艦，而軟件只能算上面的戰(zhàn)斗機(jī)，Hypervisor普及到X86就意味著一切改變了，變得Hypervisor是航母，OS反而是戰(zhàn)斗機(jī)了– 虛擬化是云計(jì)算基礎(chǔ)…18續(xù)上…–這種情況下，傳統(tǒng)X86OS廠商害怕了，事實(shí)上VMware自己也宣稱傳統(tǒng)OS不重要了，想想如果有一天很多應(yīng)用軟件直接跑在Hypervisor上，那OS就尷尬了，于是乎MS/RedHat/Novell都出手了，且做法類似，都把虛擬化功能變成了操作系統(tǒng)上的一個(gè)功能，推出了帶有虛擬化功能的操作系統(tǒng)胖虛擬化產(chǎn)品，所以目前還沒(méi)看到OS廠商推出一個(gè)類似ESXi的產(chǎn)品，并非做不到而是不愿做–但這個(gè)問(wèn)題在UnixOS上反倒不明顯，因?yàn)閁nix/小機(jī)上的Hypervisor技術(shù)本來(lái)都被三大廠商自己把持19Weblogic的VLS-VE可直接運(yùn)行在Hypervisor上上圖和左圖可看出VLS-VE是直接跑在Hypervisor之上的，也可對(duì)比看出和跑在物理機(jī)或虛擬機(jī)(guestOS)之上的VLS區(qū)別，所以應(yīng)用直接跑在Hypervisor其實(shí)已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)產(chǎn)品了20X86Hypervisor再細(xì)分–全虛擬化VMware

ESXi/ESXRedHat

KVM–

半虛擬化(或稱“準(zhǔn)虛擬化”)Citrix

XENOracle

VM(Oracle

VM一部分,詳見(jiàn)備注解釋)主機(jī)操作系統(tǒng)之上的HypervisorVMware

Server/WorkstationOracle/SUN

VirtualBox

(Oracle

VM一部分)Parallels

Desktop

等等…21X86Hypervisor全虛擬化概念–在X86Hypervisor全虛擬化環(huán)境里，Hypervisor充當(dāng)一切硬件資源的管理者，并將其虛擬成各種設(shè)備提供給VM，對(duì)于VM虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，底層對(duì)它是透明的，VM本身也并不知道自己是VM，所有CPU/內(nèi)存及I/O設(shè)備都是來(lái)自Hypervisor的虛擬。這種產(chǎn)品的典型代表就是VMware了–該技術(shù)核心理念在于虛擬機(jī)OS上的敏感和特權(quán)指令(這些指令不支持虛擬化)借助Hypervisor的翻譯來(lái)訪問(wèn)硬件22全虛擬化圖解X86OS的設(shè)計(jì)含有4個(gè)Ring保護(hù)機(jī)制，OS內(nèi)核運(yùn)行在Ring0，應(yīng)用運(yùn)行在Ring3，而服務(wù)之類運(yùn)行在Ring1/2上，全虛擬化架構(gòu)中，Ring0是Hypervisor，虛擬機(jī)OS內(nèi)核在Ring1，全虛擬化中，虛擬機(jī)OS內(nèi)核一些不支持虛擬化的指令可使用Ring0的Hypervisor翻譯執(zhí)行并訪問(wèn)硬件，早期的技術(shù)難題就是X86OS如果不放在Ring0就無(wú)法工作，所以VMware的Hypervisor通過(guò)翻譯繞開了這一技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了全虛擬化23X86Hypervisor半(準(zhǔn)/超)虛擬化概念–半虛擬化，Paravirtualization，又稱準(zhǔn)虛擬化或超虛擬化–通俗的說(shuō)半虛擬化相對(duì)于全虛擬化那種透明模式來(lái)說(shuō)，可以修改VM虛擬機(jī)內(nèi)核然后通過(guò)一些特權(quán)命令利用Hypervisor父分區(qū)直接(無(wú)須翻譯)訪問(wèn)物理硬件資源，僅從理論上看，似乎半虛擬化應(yīng)該比全虛擬化更好，但實(shí)際產(chǎn)品優(yōu)劣并非僅取決于這一點(diǎn)，半虛擬化的代表就是開源的Xen了，后來(lái)Citrix看到虛擬化火熱后迅速收購(gòu)了XenSource公司–半虛擬化由于需要修改VM操作系統(tǒng)的內(nèi)核，所以沒(méi)法支持windows這樣閉源OS，于是后來(lái)Xen也利用CPU虛擬化技術(shù)開始支持全虛擬化了24半(準(zhǔn)/超)虛擬化圖解和前面的全虛擬化對(duì)比，半虛擬化中，對(duì)這些X86OS的內(nèi)核做了修改，讓它可以支持虛擬化，可以運(yùn)行在Ring0等級(jí)，再利用Hypervisor去直接訪問(wèn)硬件，僅從這一方面來(lái)說(shuō)，理論上比VMware的全虛擬化更有效率；但這種情況下有一個(gè)很大的局限性，虛擬機(jī)OS必須可修改內(nèi)核，這對(duì)閉源OS比如Windows是無(wú)法想象的，所以基于Xen的產(chǎn)品很長(zhǎng)一段時(shí)間只能支持Linux或*BSD，直到Intel的VT-x出現(xiàn)25MSHyper-V圖解26CitrixXenServer和MSHyper-V的淵源–如果仔細(xì)對(duì)比過(guò)Xen和Hyper-V的架構(gòu)就可以看出它們是何其相似，都是硬件之上一層Hypervisor，然后Xen的Domain0在Hyper-V上叫父分區(qū)，Xen的DomainU在Hyper-V上叫子分區(qū)，都支持半虛擬化和全虛擬化–其實(shí)真實(shí)的原因是Hyper-V是MS復(fù)制了Xen的設(shè)計(jì)并在Windows內(nèi)核上的實(shí)現(xiàn)，看以下描述：–Hyper-VisnotbasedonXencode,butthedesignforHyper-VisnearlyidenticaltoandcertainlybasedonXen'sdesign.That'swhyMSfundedCambridgetocreateXen,sothattheycouldcopythedesign.27主機(jī)OS之上的Hypervisor– VMware似乎并不想把這種產(chǎn)品定義為Hypervisor，但wiki上將這種類型的稱為主機(jī)上的Hypervisor，在這里沒(méi)必要對(duì)這個(gè)較勁，姑且也算在內(nèi)– 此類Hypervisor最大的特點(diǎn)就是必須安裝在OS之上(注意：這和后面提到的操作系統(tǒng)虛擬化是兩碼事)，一般安裝在windows和linux之上，比如有名的vmwareserver/workstation產(chǎn)品，微軟的virtualserver/pc，以及SUN曾經(jīng)收購(gòu)的VirtualBox(目前已是Oracle旗下)等– 此類更像一個(gè)應(yīng)用軟件，由于其依賴OS可靠性以及多了層虛擬轉(zhuǎn)化，此類Hypervisor性能和可靠性均無(wú)法同企業(yè)級(jí)Hypervisor(如ESX)可比，大多用于測(cè)試，本文不做詳解28主機(jī)OS之上的Hypervisor圖解29插播：Intel/AMD的CPU虛擬化30–為何CPU也要虛擬化？由于X86指令架構(gòu)限制，早期的純軟件的X86虛擬化技術(shù)比如vmware，其虛擬機(jī)沒(méi)法執(zhí)行一些特權(quán)指令，必須通過(guò)vmware的Hypervisor做翻譯才能在x86的CPU上執(zhí)行，這大大降低了效率，隨著虛擬化的日漸流行，x86CPU廠商也開始為CPU加入這一特性，最終結(jié)果說(shuō)白了就是虛擬機(jī)執(zhí)行一些特權(quán)指令時(shí)直接執(zhí)行，再也不需要Hypervisor翻譯執(zhí)行，這既加快了虛擬機(jī)速度，也緩解了Hypervisor負(fù)擔(dān)Intel

虛擬cpu技術(shù)

VT-xAMD虛擬cpu技術(shù)AMD-VCPU虛擬化圖解(硬件輔助虛擬化)前面提到了全虛擬化和半虛擬化的區(qū)別，本來(lái)全虛擬化就是因?yàn)閄86CPU設(shè)計(jì)時(shí)就不支持虛擬化技術(shù)，隨著虛擬化的流行，Intel推出了VT-x從硬件上開始支持虛擬化，它增加了一個(gè)更底層的root模式運(yùn)行Hypervisor，那些X86OS原本不支持虛擬化的那些指令都在這一層執(zhí)行。有了這一技術(shù)后，Xen也開始支持Windows了，前提是硬件要支持Intel的VT-x和AMD的AMD-V。31插播：I/O虛擬化–為什么I/O也要虛擬化？CPU雖然虛擬化了，但還沒(méi)完，性能另一個(gè)更大的影響在I/O，虛擬機(jī)上每一個(gè)I/O設(shè)備，如磁盤、網(wǎng)卡等等所有設(shè)備其實(shí)全部都是Hypervisor模擬出的設(shè)備，這樣的I/O性能自然較差了，只有讓虛擬機(jī)可以直接訪問(wèn)I/O硬件時(shí)性能才能提高，于是，I/O虛擬化也出現(xiàn)了Intel的I/O虛擬化技術(shù)VT-dSR-IOVNPIV32操作系統(tǒng)層虛擬化–定義–分類1.RISC2.X86–圖解33定義–操作系統(tǒng)虛擬化是通過(guò)安裝于OS之上的虛擬化軟件將宿主機(jī)OS的內(nèi)核和文件系統(tǒng)抽象化為一個(gè)個(gè)容器，并負(fù)責(zé)計(jì)算存儲(chǔ)資源分配及容器安全隔離–這個(gè)概念屬于容易意會(huì)難以言敘，再舉個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)睦?，一個(gè)DB服務(wù)器安裝了一套OracleDB軟件，但可以創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，而這多個(gè)實(shí)例共享使用這些程序文件–注意：這和P28的主機(jī)之上的Hypervisor容易讓人混淆，區(qū)別在于主機(jī)上的Hypervisor是軟件模擬一個(gè)裸機(jī)并在上面安裝操作系統(tǒng)；而操作系統(tǒng)虛擬化只是利用虛擬化軟件把主機(jī)OS抽象成一個(gè)個(gè)容器34分類–RISCSUN

SPARC

Solaris

ContainerIBM

POWER

WLPRHP

Resource

Partitions–

X86Parallels

VirtuozzoOpenVZ(Virtuozzo的開源實(shí)現(xiàn))35SUNSPARCSolarisContainer圖解36IBMPOWERWPAR圖解37ParallelsVirtuozzo圖解38操作系統(tǒng)層虛擬化應(yīng)用場(chǎng)景–RISC測(cè)試開發(fā)–X86idc機(jī)房大量使用，你經(jīng)?？吹降幕ヂ?lián)網(wǎng)小廣告什么VPS雙線主機(jī)之類的，這些全是Virtuozzo出品39操作系統(tǒng)虛擬化優(yōu)缺點(diǎn)40–優(yōu)點(diǎn)：1.部署快速；2.同樣的硬件能創(chuàng)造更多的操作系統(tǒng)虛擬化容器，成本低，方便應(yīng)用測(cè)試開發(fā)環(huán)境和互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)–缺點(diǎn)：1.容器隔離安全性沒(méi)有前面各種虛擬化好；2.容器基于宿主機(jī)OS，不能虛擬出其他OS，也就是Solaris只能虛擬出Solaris的Container而不能是其他OS，Linux/Windows使用Virtuozzo亦然應(yīng)用層虛擬化–定義–分類–圖解41定義–應(yīng)用層為操作系統(tǒng)之上的層面，應(yīng)用層的虛擬化主要表現(xiàn)為用戶使用的程序不在本地，看得到摸不著–說(shuō)的通俗點(diǎn)，用戶只管使用應(yīng)用程序，才不管這個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在本地還是遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，只要保證應(yīng)用程序是和用戶的終端(ThickClient/ThinClient)+KVM(鍵鼠顯示器)互動(dòng)完成工作即可42分類–應(yīng)用交付虛擬化應(yīng)用交付這個(gè)虛擬化名稱來(lái)源于Citrix，同樣的該類技術(shù)鼻祖就是Citrix，曾經(jīng)的MetaFrame到PresentationServer再到XenApp，名稱在變本質(zhì)不變，簡(jiǎn)而言之就是將應(yīng)用程序運(yùn)行在服務(wù)器上通過(guò)專有協(xié)議遠(yuǎn)程交付到用戶桌面上，代表產(chǎn)品就是CitrixXenApp/MicroSoftRemoteApp–應(yīng)用程序虛擬化應(yīng)用程序虛擬化也是近幾年開始流行的一種應(yīng)用虛擬化，其實(shí)指桌面以流(stream)方式下載并運(yùn)行放置于專用服務(wù)