虚拟化技术探讨

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1、虚拟化技术探讨　　摘要：本文论述了当前流行的纯软件虚拟化技术原理和具有广阔应用前景的硬件辅助虚拟化技术原理以及虚拟化技术的应用领域，对于关心和有志于从事虚拟化技术运用的读者来说无疑是有益的。　　关键词：虚拟化技术虚拟机　　虚拟化技术（VirtualizationTechnology，简称VT技术）最早起源于20世纪70年代IBM研究中心在实验室中实现的主机镜像，在随后的20多年时间里，该技术主要部署在巨型、大型和中型计算机中，随着互联网络技术、计算机技术特别是基于x86CPU的微型计算机的普及和应用需求的不断发展，虚拟化技术正在从日趋成熟的主流的服务器虚拟化、

2、存储虚拟化技术蔓延到网络的各个角落，作为一种高速发展的技术，虚拟化自然有着其本身非常强大的优势，技术发展的背后更蕴藏着一个巨大的市场！　　1纯软件的虚拟化技术原理　　传统的计算机层次结构分为三层，即硬件层（HardwareLayer）、主机操作系统层（HostOSLayer）和应用层（ApplicationLayer），如图1所示。在这种结构中，主机操作系统统一控制、管理和分配整个计算机的硬件和软件资源，这种结构的缺点在于：①未能充分发挥CPU的性能，利用率较低，如单核CPU的利用率在50%以下，双核CPU的平均使用效率不到30%，多核CPU的使用效率就更低了

3、；②一台计算机无法满足同时运行多平台的应用需求，解决方案是增加计算机数量，这无疑将增加投资成本。4　　采用纯软件的虚拟化技术可以解决上述问题，实现的层次结构如图2所示。在这种结构模式下，硬件层之上仍然安装被称为HOSTOS的系统，在其上部署虚拟机软件（VirtualMachineSoftware，简称VMS），根据实际应用需求，VMS可以将物理计算机虚拟出多个分区，每一个分区称为一个虚拟机（VirtualMachine，简称VM）。一个虚拟机与一台物理计算机的不同之处在于前者是一种技术规范，这类技术规范由一系列规则构成，与具体的计算机无关，软件工程师可以采用任

4、何他自已认为适当的手段来实现这些规则。虚拟机（VM）具有完整的计算机应用环境，包括硬件层（由VMS提供）、驱动接口层（由VMS提供）、操作系统（GuestOSLayer）及应用层（Applications），都是建立在计算机的应用环境上，属于用户级软件。　　这种虚拟化技术实现的关键在于VMS，由于X86处理器在保护模式下一共有4个不同的优先级，即Ring0、Ring1、Ring2和Ring3，其中Ring0的优先级最高，Ring3最低。Ring0用于操作系统内核，Ring1和Ring2用于操作系统服务，Ring3用于应用程序。位于Ring0特权空间的操作系统可

5、以优先访问各种硬件资源。　　基于这一技术实现的主流VMS有VMware的Workstation、Microsoft的VirtualPC和HP的xVMVirtualBox等。这些软件在近年来得到了迅速的推广和应用。但是，纯软件方式实现的虚拟机在测试、验证和管理维护方面比较费时，同时二进制码的翻译需要消耗处理器的很多计算资源，因此，纯软件虚拟化运行时的开销会造成系统运行速度变慢，有数据表明其引起的系统性能下降可能达5%～20%。4　　2件辅助虚拟化技术原理　　硬件辅助虚拟化技术最早起源于2005年8月Intel公布的Vanderpool技术，同年11月更名为VT技

6、术，2006年2月进入测试阶段，同年3月发布了一套新的VT技术规范。该技术规范应用于PC和服务器系统，包括处理器VT技术和IO虚拟分配技术（IntelVT-d）。Intel和AMD公司在最近几年发布的CPU产品中都集成了VT技术，为进一步推动和发展虚拟化计算环境提供了硬件支持。　　硬件辅助虚拟化后的计算机层次结构如图3所示。从图中可以看出：①最底层是支持VT技术的硬件层（包括处理器VT技术和IO虚拟分配技术IntelVT-d），而纯软件虚拟化的计算机层次结构中硬件层是不支持VT技术的；②最底层外面去掉HOSTOS层改用VMM层来代替，VMM是VirtualMa

7、chineMonitor的缩写，称为虚拟机监视器，它的功能是直接管理和控制诸如处理器、存储系统、芯片组、IO设备等计算机硬件资源的同时为应用提供虚拟环境；③VMM层外面是VM（VirtualMachine）层，该层同纯软件虚拟的VM（图2中由GuestOSLayer和Applications构成）一样为用户提供满足应用需求的VM计算环境，用户在VM上可以完成一台物理计算机的全部功能。　　处理器VT技术由处理器生产商从硬件的角度来实现，具有设计简单、实施效率高、可靠的特点，它对如何在不同的情形下分配给VM中的GuestOS想要的Ring特权级别做了较大的改进和优

8、化。　　3虚拟化技术的应用领域　　虚拟