六大Linux虚拟化技术全面讲解(1)

六大Linux虚拟化技术全面讲解(1)

关于Linux虚拟化的优势我们大家已经有所了解。目前使用最多的虚拟化操作系统还是Windows系列，但是Linux的成长速度是惊人的，大有替代Windows的趋势。关于Linux虚拟化技术大致上可以分为六个不同的方式。在本文中，我们将讨论实现Linux虚拟化的这六种方式，以及Linux下的多种虚拟化解决方案。

当我们讨论虚拟化解决方案的时候，常常都要提到具体厂商的具体产品，但是当我们提及Linux虚拟化解决方案的时候，我们更乐意讨论广泛而多样化的开源生态系统。Linux支持多种虚拟化平台，并延伸出多种技术，同样也是一个完整方案的一个元素。

虚拟化—老树开新花

虽然虚拟化现在如此的流行，但虚拟化不是一个新的技术，早在半个世纪之前IBM就已经开始部署虚拟化。最早虚拟化技术是在IBM M44计算机上进行实验，然后在IBM System/360大型机产品上开始普及。最早的真正意义上的整体应用虚拟化的硬件平台是IBM CP-40系统，在上世纪60年代末被用在商业应用上。

虚拟化包含多个层面，比如硬件虚拟化，这种虚拟化从底层的硬件平台直接支持软件环境；另外一种是操作系统虚拟化，这是Linux的一个亮点。

在硬件层之上，独立于操作系统的一层软件被称之为hypervisor，或者叫做虚拟机监视器。hypervisor创建了虚拟化平台，而操作系统实例则运行在这个平台上，这使得硬件平台可以被多个操作系统和应用所共享，从而降低硬件的成本。

运行在hypervisor上面的实体被称为虚拟机，即VM，是用来放置操作系统、应用和数据元的“容器”。虚拟机中的操作系统和应用程序的数据被存储在虚拟磁盘中，hypervisor利用虚拟磁盘来启动虚拟化平台。虚拟机被封装为一个文件，这样比分布式的文件更好管理。

本地虚拟化和主机虚拟化模型

早期的虚拟化模型被称为Type 1，或者叫本地虚拟化native virtualization），这种模型下hypervisor直接运行在硬件之上，在hypervisor上面是虚拟机。后来出现了主机虚拟化hosted virtualization）模式，被称为Type 2，hypervisor运行在操作系统之上，在同一平台上允许两个或更多的操作系统共存。

Linux虚拟化技术基础

了解了有关虚拟化的一些基本知识后，我们进入正题，来讨论一下Linux虚拟化的一些知识。首先是模拟Emulation），是将一个操作系统Host）的服务转换并显示成另一个操作系统Guest）的过程，Host和Guest系统不一定是相同的，比如，Host系统可能是x86平台，可以提供PowerPC平台的模拟，即使是指令和架构完全不相同。

另外，hypervisor的模拟器emulator）可以提供多个平台的模拟，比如下面的图例，在Host系统上可以仿真出PowerPC和ARM系统。模拟过程并不仅限于Type 2虚拟化模型，在虚拟化技术中都存在这个过程。

虚拟化模型中的模拟过程

Linux中最流行的两个模拟器emulator）包括QEMU和Bochs处理器和平台模拟器）。这种解决方案的优点是它们是非常“轻便的”，可以支持在不同的Host操作系统和平台上运行不同的Guest操作系统。而这种解决方案的缺点在于由于要模拟指令，导致效率比较低。QEMU通过动态编码转换的模拟方式，让内核和内部用户代码可以被加速。另外，QEMU是一个很好的嵌入式平台开发工具，可以为与主机相异的CPU开发和测试代码。QEMU还可以被用来其他虚拟化解决方案来进行设备模拟。

平台虚拟化

更加传统的虚拟化解决方案是平台虚拟化，或者叫做硬件虚拟化，具有两种主要的形式，完全虚拟化 full-virtualization）和半虚拟化para-virtualization）。

完全虚拟化，虚拟化平台通过hypervisor来承载虚拟机VM），完全虚拟化的关键在于这些虚拟机，也就是运行在这些虚拟机里面的操作系统可以在hypervisor上运行，并且不被修改，这在需要一个真正的虚拟平台时是非常理想的，但这种模式具有一个缺点。

在完全虚拟化下虚拟机VM会把虚拟平台当作物理平台，工作在虚拟平台上的Guest操作系统驱动就好像运行在真实的硬件之上。但需要考虑这意味着什么，Guest操作系统和虚拟平台之间通讯就好像和真实平台一样，在hypervisor里面存在着另外一个模拟层，模拟硬件平台并转发虚拟机对硬件的访问，就好像虚拟机直接在使用真实的硬件。这个过程需要大量的处理，会限制Guest系统的I/O性能。

解决这个问题的一个方法就是让Guest操作系统意识到自身是被虚拟化的，这种形式被称作半虚拟化para-virtualization），如下图，在这种模式下，Guest系统包含了缩短硬件访问过程所需的驱动程序，这让把Guest系统从不必要的工作中解放出来，来进行更高级别的工作。

两种平台虚拟化方式

虽然完全虚拟化是一个理想的方案，但是通过修改Guest操作系统可以最大限度的减少处理开销，获得相当大的性能提升。