Linux 虚拟化方法、架构和实现(1)(2)

为什么虚拟化如此重要？

在了解目前 Linux 可以使用的虚拟化方法之前，让我们先来了解一下虚拟化的优点。

从商业角度来看，使用虚拟化技术有很多原因。大部分原因都可以归结于服务器的巩固server consolidation）。简单来说，如果您可以对一个服务器上多个未经充分利用的系统进行虚拟化，由于服务器的数量少了，显然可以节省大量电力、空间、制冷和管理成本。由于很难确定服务器的利用情况，虚拟化技术支持称为动态迁移的技术。动态迁移Live migration）允许操作系统及其应用程序迁移到新的服务器上，从而实现负载在可用硬件上的均衡。

虚拟化技术对于开发人员来说也非常重要。Linux 内核占据了一个单一的地址空间，这意味着内核或任何驱动程序的故障都会导致整个操作系统的崩溃。虚拟化技术意味着您可以运行多个操作系统，如果其中一个系统由于某个 bug 而崩溃了，那么 hypervisor 和其他操作系统都依然可以继续运行。这可以使内核的调试非常类似于用户空间应用程序的调试。

与 Linux 有关的虚拟化项目

表 1 给出了几个 Linux 系统上的虚拟化项目，并着重介绍了其中的开源解决方案。

表 1. 与 Linux 有关的虚拟化项目

Bochs 是一个 x86 计算机仿真器，它在很多平台上包括 x86、PowerPC、Alpha、SPARC 和 MIPS）都可以移植和运行。使 Bochs 更为有趣的是它不仅可以对处理器进行仿真，还可以对整个计算机进行仿真，包括计算机的外围设备，比如键盘、鼠标、视频图像硬件、网卡NIC）等。

Bochs 可以配置作为一个老式的 Intel? 386 或其后继处理器使用，例如 486、Pentium、Pentium Pro 或 64 位处理器。它甚至还可以对一些可选的图形指令进行仿真，例如 MMX 和 3DNow。

使用 Bochs 仿真器，您可以运行任何 Linux 上的 Linux 发行版、Linux 上的 Microsoft? Windows? 95/98/NT/2000以及各种应用程序），甚至 Linux 上的 BSDBerkeley Software Distribution）操作系统FreeBSD、OpenBSD 等）。

QEMU仿真）

QEMU 是另外一个仿真器，它与 Bochs 非常类似，不过也有一些值得一提的区别。QEMU 支持两种操作模式。第一种是 Full System Emulation完全系统仿真）模式。这种模式与 Bochs 非常类似，它可以对一个具有处理器和外围设备的完整个人计算机PC）进行仿真。这种模式可以仿真很多处理器架构，例如 x86、x86_64、ARM、SPARC、PowerPC 和 MIPS，其动态转换的速度也比较理想。使用这种模式，您可以在 Linux、Solaris 和 FreeBSD 上仿真 Windows 操作系统包括 XP）和 Linux。很多其他操作系统的组合也都可以得到支持更多信息请参看 参考资料 部分）。

QEMU 还可以支持第二种模式，称为 User Mode Emulation用户模式仿真）。这种模式只能宿主于 Linux，在这种模式下，可以启动不同体系结构的二进制文件。例如，在 x86 平台上运行的 Linux 系统上可以执行为 MIPS 体系架构编译的二进制文件。这种模式支持的其他体系结构还包括 ARM、SPARC 和 PowerPC，而且还有很多尚在开发之中。

VMware完全虚拟化）

VMware 是完全虚拟化的一个商业解决方案。在客户操作系统和裸硬件之间有一个 hypervisor 作为抽象层使用。这个抽象层允许任何操作系统在硬件上运行，而不需要了解任何其他客户操作系统。

VMware 也会对可用的 I/O 硬件进行虚拟化，并将一些高性能的设备驱动程序加入到 hypervisor 中。

整个虚拟化后的环境都作为一个文件保存，这意味着整个系统包括客户操作系统、VM 和虚拟硬件）可以很容易地快速迁移到新宿主机器上进行负载均衡。

z/VM 完全虚拟化）

尽管 IBM System z? 是一个新品牌，不过它实际上已经有很长的一段历史，可以一直追溯到 20 世纪 60 年代。System/360 在 1965 年就可以支持使用虚拟机进行虚拟化。有趣的是，System z 保留了对之前的 System/360 产品线的向后兼容性。

z/VM? 是 System z 上的操作系统 hypervisor。其核心是 Control ProgramCP），它为客户操作系统，包括 Linux，提供了物理资源的虚拟化参见图 5）。这样，多个处理器和其他资源就可以在多个客户操作系统上被虚拟化。

 图 5. 使用 z/VM 的操作系统级虚拟化

z/VM 也可以为想要相互通信的客户操作系统仿真一个客户局域网LAN）。仿真完全是在 hypervisor 中进行的，因此相当安全。

Xen超虚拟化）

Xen 是一个来自于 XenSource 的操作系统级超虚拟化的免费开源解决方案。回想一下在超虚拟化中，hypervisor 和操作系统会共同协作，虽然操作系统需要进行一些更改，但却可以带来接近于原始系统的性能。

就像 Xen 需要进行协作对客户操作系统进行修改）一样，只有那些修补过的操作系统才可以通过 Xen 进行虚拟化。Linux 本身就是开源的，所以从 Linux 角度来看，这是一个很合理的折衷，因为最终可以获得比完全虚拟化更好的性能。但是从广泛支持的角度来看例如对其他非开源操作系统的支持），这显然是一个缺点。

Windows 可以在 Xen 上作为一个客户操作系统运行，但是它只能在运行 Intel Vanderpool 或 AMD Pacifica 的系统上使用。支持 Xen 的其他操作系统包括 Minix、Plan 9、NetBSD、FreeBSD 和 OpenSolaris。

User-mode Linux超虚拟化）

User-mode LinuxUML）允许 Linux 操作系统在其他操作系统的用户空间中运行。每个客户 Linux 操作系统都存在于宿主 Linux 操作系统中的一个进程中参见图 6）。这就允许 Linux 内核使用自己的相关用户空间）在单个 Linux 内核中运行。

 图 6. User-mode Linux 中的 Linux

在 2.6 版本的 Linux 内核中，UML 驻留于主内核树内，但它必须提前启用，然后再重新编译才能使用。这些变化除了常见的虚拟化功能之外，还可以提供设备的虚拟化。这样一来，客户操作系统就可以共享可用的物理设备，例如块设备比如软盘、CD-ROM 和文件系统）、控制台、NIC 设备、声音硬件等。

注意由于客户内核是在应用程序空间中运行的，因此它们必须为这种用法而被特殊编译不过它们可以是不同的内核版本）。这样就产生了主机内核硬件上的内核）和客户内核在主机内核的用户空间中运行）。这些内核甚至可以是嵌套的，这样就允许一个客户内核在另外一个运行于主机内核的客户内核上运行。

Linux-VServer操作系统级虚拟化）

Linux-VServer 是一个操作系统级虚拟化解决方案。Linux-VServer 对 Linux 内核进行虚拟化，这样多个用户空间环境 -- 又称为 Virtual Private ServerVPS） -- 就可以单独运行，而不需要互相了解。Linux-VServer 通过修改 Linux 内核实现用户空间的隔离。

要将各个用户空间与其他用户空间隔离开来，就需要从上下文的概念入手。上下文 是给定 VPS 进程使用的一个容器，这样通过诸如 ps 之类的工具就可以了解 VPS 的进程。内核为最初的引导定义了一个缺省的上下文。另外管理端还能查看所有的上下文所有的执行进程）。正如您可能猜到的那样，内核和内部数据结构也需要进行修改来支持这种虚拟化方法。

Linux-VServer 还使用了一种 chroot 格式来为每个 VPS 隔离 root 目录。虽然 chroot 允许指定新 root 目录，但还是需要其他一些功能称为 Chroot-Barrier）来限制 VPS 脱离其隔离的 root 目录回到上级目录。给定一个隔离的 root 目录之后，每个 VPS 就可以拥有自己的用户列表和 root 密码。

2.4 和 2.6 版本的 Linux 内核支持 Linux-VServer，它可以运行于很多平台之上，包括 x86、x86-64、SPARC、MIPS、ARM 和 PowerPC。

OpenVZ操作系统级虚拟化）

OpenVZ 是另外一个操作系统级的虚拟化解决方案，它与 Linux-VServer 类似，不过也有一些有趣的区别。OpenVZ 是一个支持虚拟化的内核修改过的），可以支持用户空间隔离、VPS 和一组用户管理工具。例如，您可以简单地从命令行创建一个新的 VPS：

清单 1. 从命令行创建 VPS

$ vzctl create 42 --ostemplate fedora-core-4

Creating VPS private area

VPS private area was created

$ vzctl start 42

Starting VPS ...

VPS is mounted

另外还可以使用 vzlist 命令显示目前创建的 VPS，该命令与标准 Linux ps 命令类似。

为了对进程进行调度，OpenVZ 还包括了两级 CPU 调度器。首先，调度器确定哪个 VPS 应该获得 CPU。在这个步骤完成之后，第二级调度器会根据给定的标准 Linux 优先级挑选进程来执行。

OpenVZ 还包括了所谓的 beancounters。beancounter 包括很多参数，这些参数为给定的 VPS 定义了资源分配。这为 VPS 提供了一定层次上的控制，定义了有多少内存可用，有多少进程间通信IPC）对象可用等。

OpenVZ 的一个特性是检查点功能和将 VPS 从一个物理服务器迁移到其他物理服务器上的能力。检查点 意味着正在运行的 VPS 的状态被冻结并存储到一个文件中。然后可以将这个文件迁移到一个新服务器上并加以还原以使 VPS 恢复运行。

OpenVZ 支持很多硬件体系结构，包括 x86、x86-64 和 PowerPC。