第2章 虚拟化

2.1 虚拟化概述

在虚拟化诞生之前，操作系统中常见的资源可概括为以下几种。

计算资源：服务器CPU（核数、线程数、主频）、内存容量等。

存储资源：服务器磁盘空间等。

网络资源：服务器的网卡、服务器所接入的网络类型、路由器、负载均衡、网关等。

2.1.1 直接使用物理设备

直接使用物理设备时，必须面对由物理设备本身带来的不足，具体来说，有以下几个方面。

1.缺乏灵活性

缺乏时间灵活性：时间灵活性一般表现为处理相关资源时的时限，即生产或销毁资源是否足够快。当系统中资源匮乏，需要扩容资源时，物理设备的供给流程很长，设备到货后安装、部署设置烦琐，从而导致时间灵活性差。

缺乏空间灵活性：空间灵活性表现为可获取到的资源规模大小是否足够灵活。比如用户可能需要很小规格（如 1U1G）的计算资源，为此购置一台服务器则会造成资金的浪费。再如为了应对计算资源的峰值，购置了性能足够的资源，然而大多数时候资源开销远远低于峰值，导致资源利用率低下。

缺乏操作灵活性：操作灵活性体现在设备运维等操作的简便程度上，直接使用物理设备时，设备上架、安装、配置等都需要人工完成大量的工作，或者针对网络配置，需要对许多不同的网络设备进行统一管理。可见，大规模物理设备群的运维是一个非常复杂、烦琐的过程。

2.隔离性差

为了提高资源利用率，可能会将多个服务部署到同一个物理设备上，这可能会导致多个服务之间相互干扰、隔离性差，严重时甚至会造成安全问题。

3.不可复制

当一个物理设备上的应用需要扩展时，只能在增加物理设备后，再做一遍物理资源配置、应用发布、网络配置等工作，无法快捷地实现对应用的复制和粘贴。

2.1.2 虚拟化原理

在计算机历史上，虚拟化技术最早出现于1961年，IBM 709计算机首次将CPU占用切分为多个极短的时间片（1/100s），每一个时间片都用来执行不同的任务。通过对这些时间片的轮询，就可以将一个CPU虚拟化或者伪装成多个CPU，并且让这些虚拟CPU看起来同时在运行。在之前探讨的分层架构中，人为地创造了“CPU指令集”和“系统调用”两个抽象层，使得上层软件可以直接运行在新的虚拟环境中。简单来说，虚拟化就是通过模仿下层原有的功能模块创造接口来“欺骗”上层的机制。

虚拟化可以通过资源管理技术，将物理存在的实体资源以虚拟机（Virtual Machine，VM）的形式抽象成一种逻辑表示。通常的做法是在整个系统架构中增加一个抽象层，负责分割下层的物理资源，然后组合成逻辑资源供上层使用。

1.广义虚拟化

如图2-1所示，广义虚拟化存在于计算机系统的方方面面，具体解释如下。

硬件虚拟化：硬件抽象层虚拟化为上层虚拟一个相同的或者相似的硬件，这样就可以将一个操作系统及操作系统层以上的层嫁接到硬件上，实现和真实物理机几乎一样的功能。

内存虚拟化：虚拟内存是对整个存储空间的虚拟化，使得应用程序可以突破物理存储的限制。

系统虚拟化：操作系统层虚拟化为上层模拟一个完备的操作系统，实现对应用进行独立封装，提供隔离的环境。

应用虚拟化：在应用层及函数层之上建立抽象层，提供逻辑隔离功能，即允许在一个应用上同时支撑多个用户应用，也就是云计算中提及的多租户。在Web服务器领域，这称为虚拟主机（Virtual Host），一台Web服务器可以基于域名为多个网站提供服务。在数据库领域，单个数据库服务可以提供完全隔离的多个逻辑数据库。在编程语言领域，比如JVM是提供Java运行环境的一种虚拟化。

2.狭义虚拟化

狭义虚拟化特指操作系统虚拟化，它使用虚拟化技术在一台物理机上模拟出多台虚拟机，每台虚拟机都拥有独立的资源（计算资源、存储资源、网络资源）。从逻辑形态上看，每台虚拟机都拥有独立的硬件设备（CPU、内存、硬盘、网卡等），上面运行着一个独立的操作系统，我们通常称之为“GuestOS”，每个 GuestOS 中都运行着各自的应用程序。虚拟化的资源以虚拟机的形式提供给用户，用户在使用虚拟机时可以选定不同的资源规格，包括CPU、内存和存储资源等。同时虚拟机可以挂载不同的存储，被配置在不同的网络中。美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）对虚拟化的定义为：虚拟化为应用程序的运行提供了包含软、硬件资源的仿真环境。这一组仿真环境被称为虚拟机。所以说虚拟机是为其他应用软件提供虚拟化环境的最小单元。

一方面，虚拟化可以提供与底层硬件设备系统不同的虚拟机；另一方面，虚拟化可以虚拟多台虚拟机资源。虚拟化的具体实现是通过在操作系统与硬件之间加入一个虚拟化层，并通过空间上的分割、时间上的分时及仿真模拟，将服务器物理资源抽象成逻辑资源。虚拟化层可以将单个CPU模拟为多个CPU，并且这些CPU之间相互独立、互不影响，也就是虚拟化层实现了计算单元的模拟及隔离。它向上层操作系统提供与原先物理服务器一致的环境，使得上层操作系统可以直接运行在虚拟环境中，并允许具有不同操作系统的多台虚拟机相互隔离，并发地运行在同一台物理服务器上，这台物理服务器被称为“宿主机”。虚拟化层模拟出来的主要逻辑功能为虚拟机，在虚拟机中运行的操作系统被称为“GuestOS”。

虚拟化场景包括三个部分：硬件资源、虚拟机监视器（VMM）和虚拟机（VM），如图2-2所示。系统虚拟化可以将一台物理机（Host）虚拟化为多台虚拟机，并通过虚拟化层（即虚拟机监视器）使每台虚拟机都拥有自己的虚拟硬件，并拥有一个独立的虚拟机运行环境，进而拥有一个独立运行的操作系统。

虚拟化具有如下特征。

分区：对物理机分区，可实现在单一物理机上同时运行多台虚拟机。

隔离：在同一台物理机上多台虚拟机相互隔离。

封装：整个虚拟机执行环境，包括硬件、操作系统和应用等，都被封装在独立文件中。

独立：不依赖产生该虚拟机的服务器，它可以不加修改地直接迁移到其他服务器上运行。