我們知道云計(jì)算平臺(tái)上面的云主機(jī)實(shí)際上都是虛擬機(jī)，但我們感覺(jué)不出來(lái)，用起來(lái)和一臺(tái)真實(shí)的服務(wù)器沒(méi)什么區(qū)別，這都要?dú)w功于虛擬化技術(shù)(Virtualization)。可以說(shuō)虛擬化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)層面(IaaS)的核心技術(shù)。那么這種虛擬化技術(shù)究竟是怎么回事?

云計(jì)算所使用的虛擬化技術(shù)，其實(shí)并不是一項(xiàng)新技術(shù)。1998年成立的VMWare(威睿)公司就是做虛擬機(jī)軟件的，后來(lái)被數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)公司EMC(易安信)收購(gòu)了，再后來(lái)EMC又被Dell收購(gòu)了。

我們先不談VMware公司的歷史，重點(diǎn)說(shuō)一下他們的虛擬機(jī)軟件：VMware Workstation。這個(gè)軟件允許多個(gè)x86虛擬機(jī)同時(shí)被創(chuàng)建和運(yùn)行。每個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例可以運(yùn)行其自己的客戶機(jī)操作系統(tǒng)(Guest OS)，如Windows、Linux、BSD等。說(shuō)白了就是，VMware Workstation允許一臺(tái)真實(shí)的計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行好幾個(gè)操作系統(tǒng)。

從底層操作系統(tǒng)來(lái)看，每個(gè)虛擬機(jī)都是一個(gè)用戶進(jìn)程;從虛擬機(jī)中的的Guest OS來(lái)看，自己擁有整個(gè)計(jì)算機(jī)。

虛擬機(jī)的工作原理

虛擬機(jī)軟件解決了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題：就是如何讓Guest OS認(rèn)為自己正運(yùn)行在一個(gè)真實(shí)的計(jì)算機(jī)上。

VMware的架構(gòu)圖

管理多個(gè)虛擬機(jī)的軟件叫做VMM(Virtual Machine Monitor)，或者叫hypervisor。VMM做了三件事來(lái)欺騙Guest OS：分別是虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬I/O。

虛擬CPU：為每個(gè)虛擬機(jī)的CPU準(zhǔn)備了一個(gè)虛擬寄存器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，跟蹤著CPU所有寄存器中的值。CPU的全部狀態(tài)其實(shí)就是所有寄存器的值，只要在Guest OS看來(lái)寄存器的值沒(méi)問(wèn)題，Guest OS就可以正常執(zhí)行。

Guest OS作為一個(gè)用戶進(jìn)程，實(shí)際上運(yùn)行在CPU的ring3模式(***權(quán)限)，但VMM讓它以為自己運(yùn)行在CPU的ring0模式(特權(quán)模式)。如果Guest OS訪問(wèn)ring3模式的寄存器，VMM是不會(huì)管的。但如果Guest OS試圖訪問(wèn)一些ring3模式的寄存器，VMM就直接修改虛擬寄存器的值，讓Guest OS認(rèn)為自己真的操作了這些特權(quán)模式下才能訪問(wèn)的寄存器。

虛擬內(nèi)存：VMM實(shí)現(xiàn)了從虛擬內(nèi)存到虛擬機(jī)物理內(nèi)存再到物理內(nèi)存的 三級(jí)地址轉(zhuǎn)換，解決了Guest OS訪問(wèn)內(nèi)存的問(wèn)題，在Guest OS看來(lái)，地址還是從虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存。

虛擬I/O：如果VMM發(fā)現(xiàn)Guest OS要對(duì)某個(gè)I/O設(shè)備進(jìn)行操作，那么就用軟件模擬這個(gè)過(guò)程，比如要對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)，VMM就把這個(gè)操作改成對(duì)文件的讀寫(xiě)。

總的來(lái)說(shuō)，Guest OS的運(yùn)行在VMM的嚴(yán)密監(jiān)控下，在權(quán)限允許的范圍內(nèi)，Guest OS干啥都行，但如果超出了權(quán)限，VMM就要干預(yù)。

虛擬化技術(shù)與云計(jì)算

目前比較常用的虛擬機(jī)技術(shù)有VMWare，Xen，KVM，雖然虛擬化的思路差不多，但具體所使用的虛擬化技術(shù)還是有所區(qū)別的。

VMWare是商用軟件，需要付費(fèi)，且不開(kāi)源。Xen和KVM都是開(kāi)源的。不過(guò)Xen的操作復(fù)雜，維護(hù)成本較高，Linux官方內(nèi)核已經(jīng)去掉了對(duì)Xen的支持。KVM是Linux Kernel的一部分，因此會(huì)隨著Linux內(nèi)核的升級(jí)而不斷優(yōu)化和改進(jìn)。在云計(jì)算領(lǐng)域目前用的虛擬機(jī)技術(shù)最多的也是KVM。

云計(jì)算管理軟件通過(guò)libvirt接口管理虛擬機(jī)

目前比較流行的云計(jì)算管理軟件是Openstack，支持各種虛擬機(jī)技術(shù)。libvirt是一套免費(fèi)、開(kāi)源的支持Linux下主流虛擬化工具的C函數(shù)庫(kù)。libvirt 起初是專門為 Xen 設(shè)計(jì)的一種管理 API，后來(lái)被擴(kuò)展為可支持多個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控程序。云計(jì)算管理軟件通過(guò)libvirt接口就可以控制各種虛擬化技術(shù)創(chuàng)建的虛擬機(jī)了。