一.虚拟化技术1.   什么是虚拟化

      虚拟化（Virtualization）技术最早出现在 20 世纪 60 年代的 IBM 大型机系统，在70年代的 System370 系列中逐渐流行起来，这些机器通过一种叫虚拟机监控器（VirtualMachine Monitor，VMM）的程序在物理硬件之上生成许多可以运行独立操作系统软件的虚拟机（VirtualMachine）实例。随着近年多核系统、集群、网格甚至云计算的广泛部署，虚拟化技术在商业应用上的优势日益体现，不仅降低了IT 成本，而且还增强了系统安全性和可靠性，虚拟化的概念也逐渐深入到人们日常的工作与生活中。

      虚拟化是一个广义的术语，对于不同的人来说可能意味着不同的东西，这要取决他们所处的环境。在计算机科学领域中，虚拟化代表着对计算资源的抽象，而不仅仅局限于虚拟机的概念。例如对物理内存的抽象，产生了虚拟内存技术，使得应用程序认为其自身拥有连续可用的地址空间（AddressSpace），而实际上，应用程序的代码和数据可能是被分隔成多个碎片页或段），甚至被交换到磁盘、闪存等外部存储器上，即使物理内存不足，应用程序也能顺利执行。

2.   虚拟化技术的分类

      虚拟化技术主要分为以下几个大类 ：

1.   平台虚拟化（Platform Virtualization），针对计算机和操作系统的虚拟化。

2.   资源虚拟化（Resource Virtualization），针对特定的系统资源的虚拟化，比如内存、存储、网络资源等。

3.   应用程序虚拟化（Application Virtualization），包括仿真、模拟、解释技术等。

      我们通常所说的虚拟化主要是指平台虚拟化技术，通过使用控制程序（Control Program，也被称为 Virtual Machine Monitor 或Hypervisor），隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境（称为虚拟机）。虚拟机中运行的操作系统被称为客户机操作系统（Guest OS），运行虚拟机监控器的操作系统被称为主机操作系统（Host OS），当然某些虚拟机监控器可以脱离操作系统直接运行在硬件之上（如 VMWARE 的 ESX 产品）。运行虚拟机的真实系统我们称之为主机系统。

      平台虚拟化技术又可以细分为如下几个子类：

1.   全虚拟化（Full Virtualization）

      全虚拟化是指虚拟机模拟了完整的底层硬件，包括处理器、物理内存、时钟、外设等，使得为原始硬件设计的操作系统或其它系统软件完全不做任何修改就可以在虚拟机中运行。操作系统与真实硬件之间的交互可以看成是通过一个预先规定的硬件接口进行的。全虚拟化 VMM 以完整模拟硬件的方式提供全部接口（同时还必须模拟特权指令的执行过程）。举例而言，x86 体系结构中，对于操作系统切换进程页表的操作，真实硬件通过提供一个特权 CR3 寄存器来实现该接口，操作系统只需执行 "mov pgtable,%%cr3" 汇编指令即可。全虚拟化 VMM 必须完整地模拟该接口执行的全过程。如果硬件不提供虚拟化的特殊支持，那么这个模拟过程将会十分复杂：一般而言，VMM 必须运行在最高优先级来完全控制主机系统，而 Guest OS 需要降级运行，从而不能执行特权操作。当 Guest OS 执行前面的特权汇编指令时，主机系统产生异常（General Protection Exception），执行控制权重新从 Guest OS 转到 VMM 手中。VMM 事先分配一个变量作为影子 CR3 寄存器给 Guest OS，将 pgtable 代表的客户机物理地址（Guest Physical Address）填入影子 CR3 寄存器，然后 VMM 还需要 pgtable 翻译成主机物理地址（Host Physical Address）并填入物理 CR3 寄存器，最后返回到 Guest OS中。随后 VMM 还将处理复杂的 Guest OS 缺页异常（Page Fault）。比较著名的全虚拟化 VMM 有 Microsoft Virtual PC、VMware Workstation、Sun Virtual Box、Parallels Desktop for Mac 和 QEMU。

2.   超虚拟化（Paravirtualization）

      这是一种修改 Guest OS 部分访问特权状态的代码以便直接与 VMM 交互的技术。在超虚拟化虚拟机中，部分硬件接口以软件的形式提供给客户机操作系统，这可以通过 Hypercall（VMM 提供给 Guest OS 的直接调用，与系统调用类似）的方式来提供。例如，Guest OS 把切换页表的代码修改为调用 Hypercall 来直接完成修改影子 CR3 寄存器和翻译地址的工作。由于不需要产生额外的异常和模拟部分硬件执行流程，超虚拟化可以大幅度提高性能，比较著名的 VMM 有 Denali、Xen。

3.   硬件辅助虚拟化（Hardware-Assisted Virtualization）

      硬件辅助虚拟化是指借助硬件（主要是主机处理器）的支持来实现高效的全虚拟化。例如有了 Intel-VT 技术的支持，Guest OS 和 VMM 的执行环境自动地完全隔离开来，Guest OS 有自己的“全套寄存器”，可以直接运行在最高级别。因此在上面的例子中，Guest OS 能够执行修改页表的汇编指令。Intel-VT 和 AMD-V 是目前 x86 体系结构上可用的两种硬件辅助虚拟化技术。

4.   部分虚拟化（Partial Virtualization）

      VMM 只模拟部分底层硬件，因此客户机操作系统不做修改是无法在虚拟机中运行的，其它程序可能也需要进行修改。在历史上，部分虚拟化是通往全虚拟化道路上的重要里程碑，最早出现在第一代的分时系统 CTSS 和 IBM M44/44X 实验性的分页系统中。

5.   操作系统级虚拟化（Operating System Level Virtualization）

      在传统操作系统中，所有用户的进程本质上是在同一个操作系统的实例中运行，因此内核或应用程序的缺陷可能影响到其它进程。操作系统级虚拟化是一种在服务器操作系统中使用的轻量级的虚拟化技术，内核通过创建多个虚拟的操作系统实例（内核和库）来隔离不同的进程，不同实例中的进程完全不了解对方的存在。比较著名的有 Solaris Container [2]，FreeBSD Jail 和 OpenVZ 等。

      这种分类并不是绝对的，一个优秀的虚拟化软件往往融合了多项技术。例如 VMware Workstation 是一个著名的全虚拟化的 VMM，但是它使用了一种被称为动态二进制翻译的技术把对特权状态的访问转换成对影子状态的操作，从而避免了低效的 Trap-And-Emulate 的处理方式，这与超虚拟化相似，只不过超虚拟化是静态地修改程序代码。对于超虚拟化而言，如果能利用硬件特性，那么虚拟机的管理将会大大简化，同时还能保持较高的性能。

3.   未来虚拟化技术的发展

      硬件辅助虚拟化技术必然是未来的方向。Intel-VT目前还处在处理器级虚拟化技术的初级阶段，尚需在如下方面进行发展：

1.   提高操作模式间的转换速度。

      两种操作模式间的转换发生之如此频繁，如果不能有效减少其转换速度，即使充分利用硬件特性，虚拟机的整体性能也会大打折扣。早期的支持硬件辅助虚拟化技术的 Pentium 4 处理器需要花费 2409 个时钟周期处理 VM entry，花费 508 个时钟周期处理由缺页异常触发的 VM exit，代价相当高。随着 Intel 技术的不断完善，在新的 Core 架构上，相应时间已经减少到 937 和 446 个时钟周期。未来硬件厂商还需要进一步提高模式的转换速度，并提供更多的硬件特性来减少不必要的转换。

2.   优化翻译后援缓冲器（TLB）的性能。

      每次 VM entry 和 VM exit 发生时，由于需要重新加载 CR3 寄存器，因此 TLB（Translation Lookaside Buffer）被完全清空。虚拟化系统中操作模式的转换发生频率相当高，因此系统的整体性能受到明显损害。一种可行的方案是为 VMM 和每个虚拟机分配一个全局唯一 ID，TLB 的每一项附加该 ID 信息来索引线性地址的翻译。

3.   提供内存管理单元（MMU）虚拟化的硬件支持。

      即使使用 Intel-VT 技术，VMM 还是得用老办法来处理 Guest OS 中发生的缺页异常以及Guest OS 的客户机物理地址到主机物理地址的翻译，本质原因是 VMM 完全控制主机物理内存，因此 Guest OS 中的线性地址的翻译同时牵涉到 VMM 和 Guest OS 的地址空间，而硬件只能看到其中的一个。Intel 和 AMD 提出了各自的解决方案，分别叫做 EPT（Extended Page Table）和 Nested Paging。这两种技术的基本思想是，无论何时遇到客户机物理地址，硬件自动搜索 VMM 提供的关于该 Guest OS 的一个页表，翻译成主机物理地址，或产生缺页异常来触发 VM exit。

4.   支持高效的 I/O 虚拟化。

      I/O 虚拟化需要考虑性能、可用性、可扩展性、可靠性和成本等多种因素。最简单的方式是 VMM为虚拟机模拟一个常见的 I/O 设备，该设备的功能由 VMM 用软件或复用主机 I/O 设备的方法实现。例如 Virtual PC 虚拟机提供的是一种比较古老的 S3 Trio64显卡。这种方式提高了兼容性，并充分利用 Guest OS 自带的设备驱动程序，但是虚拟的 I/O 设备功能有限且性能低下。为了提高性能，VMM 可以直接将主机 I/O 设备分配给虚拟机，这会带来两个主要挑战：1. 如果多个虚拟机可以复用同一个设备，VMM 必须保证它们对设备的访问不会互相干扰。2. 如果 Guest OS 使用 DMA 的方式访问 I/O 设备，由于 Guest OS 给出的地址并不是主机物理地址，VMM 必须保证在启动 DMA 操作前将该地址正确转换。Intel 和 AMD 分别提出了各自的解决方案，分别称为 Direct I/O（VT-d）和 IOMMU，希望用硬件的手段解决这些问题，降低 VMM 实现的难度。