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
        0 引言
        虚拟化技术（Virtualization Technology，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、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！
        所谓虚拟化技术，是指将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需求模拟出一台完整计算机的技术。模拟出来的计算机称为虚拟机（Virtual Machine，简称VM）。虚拟化技术的实质是通过中间层次实现计算机资源的管理和再分配，实现资源利用的最大化，虚拟化分区带来的最大好处是使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统，以分别作为不同业务和应用的支撑平台。
        实现虚拟化的技术主要有纯软件的虚拟化技术和硬件辅助虚拟化技术两种。前者是当前主流的虚拟化技术，具有成熟的应用，硬件辅助虚拟化技术是今后的发展方向。
        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（Hardware Layer）、主机操作系统层（Host OS Layer）和应用层（Application Layer），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；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！③计算机的存储系统、IO系统长时间处于“闲”的状态，性能未能充分发挥出来。
        采用纯软件的虚拟化技术可以解决上述问题，在这种结构模式下，硬件层之上仍然安装被称为HOST OS的系统，在其上部署虚拟机软件（Virtual Machine Software，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（Virtual Machine，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（Guest OS Layer）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Ring 0的优先级最高，Ring3最低。Ring0用于操作系统内核，Ring 1和Ring2用于操作系统服务，Ring3用于应用程序。位于Ring 0特权空间的操作系统可以优先访问各种硬件资源。VMS骗过HOST OS直接调用Ring0来控制和排列各个分区（虚拟机）访问硬件资源的优先顺序，它要求在软件堆栈的较高层运行操作系统，通常是在Ring 1或者与系统应用共用Ring3。

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