X86虚拟化之三种服务器虚拟化战略架构
这一部分介绍目前市场上各类x86 管理程序(hypervisor)的架构差别，三个最主要的架构类别包括：html
• I型：虚拟机直接运行在系统硬件上，建立硬件全仿真实例，被称为“裸机”。安全
• II型：虚拟机运行在传统操做系统上，一样建立的是硬件全仿真实例，被称为“托管”hypervisor。服务器
• 容器：虚拟机运行在传统操做系统上，建立一个独立的虚拟化实例，指向底层托管操做系统，被称为“操做系统虚拟化”。网络
图 1 三种主要的虚拟化架构类型架构
上图显示了每种架构使用的高层软件“堆栈”，应当指出，在每种模型中，虚拟层是在不一样层实现的，所以成本和效益都会不同。框架
除了上面的架构类别外，知道hypervisor的基本元素也一样重要，它包括：性能
• 虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor，VMM)：它建立、管理和删除虚拟化硬件。测试
• 半虚拟化(Paravirtualization)：修改软件，让它知道它运行在虚拟环境中，对于一个给定的hypervisor，这可能包括下面的一种或两种：网站
- 内核半虚拟化：修改操做系统内核，要求客户机操做系统/hypervisor兼容性。spa
- 驱动半虚拟化：修改客户机操做系统I/O驱动(网络、存储等)，如Vmware Tools，MS Integration Components。
操做系统虚拟化：容器
在容器模型中，虚拟层是经过建立虚拟操做系统实例实现的，它再指向根操做系统的关键系统文件，以下图所示，这些指针驻留在操做系统容器受保护的内存中，提供低内存开销，所以虚拟化实例的密度很大，密度是容器架构相对于I型和II型架构的关键优点之一，每一个虚拟机都要求一个完整的客户机操做系统实例。
图 2 容器型虚拟化架构
经过共享系统文件的优势，全部容器可能只基于根操做系统提供客户机，举一个简单的例子，一个基本的Windows Server 2003操做系统也可用于建立Windows Server 2003容器，一样，任何适用于根操做系统系统文件的补丁和更新，其子容器也会继承，提供了一个方便的维护方法。
但这也可能会形成损害，根操做系统收到破坏，客户机也会跟着被破坏。
在容器内，用户可使用特定应用程序，热修复(但不是服务包)和操做系统服务组件自定义客户机实例，对那些在多数客户机容器中会使用到的服务或应用程序，它们所须要的功能应该安装到根操做系统中，在客户机实例中使用相似于模板的方法自动得到这些功能。
在大多数状况下，容器的数量仅受宿主操做系统可用资源的限制，每一个客户机可能被配置为根操做系统限制的最大硬件资源，这些可扩展的特性与客户机管理的易用性，使容器方法成为须要高虚拟机密度的应用程序颇有实力的候选者，如虚拟桌面。
Parallels Virtuozzo容器是当今业界领先的操做系统虚拟化产品，除了上述功能外，Virtuozzo提供了高可用和跨物理主机迁移客户机的功能(假设根操做系统和补丁级别相同)，架构上，Virtuozzo实现了一个专有的内核服务抽象层(Kernal Service Abstract Layer，KSAL)，保护宿主操做系统文件，在可写入文件系统上保存一份安全的副本，使单独修改客户机成为可能。与混合hypervisor(本文后面会有介绍)中的父分区相似，第一个虚拟实例是一个简单的管理容器，它提供虚拟机监视功能。
在Parallels Virtuozzo容器的最新版本4.5中，包括在Hyper-V中嵌入Virtuozzo的支持，二者都在父分区中。
图 3 Hyper-V中嵌入Virtuozzo容器
这种实现方式虽然复杂，但它展现了Virtuozzo架构的灵活性，提供高虚拟机密度，有关Parallels Virtuozzo容器的更多信息，请参考其网站(http://www.parallels.com/products/pvc45/)。
II型 hypervisor
II型或托管型hypervisor经过一个软件层在现有操做系统上实现硬件虚拟化，与容器架构不同，II型客户机提供了一个完整的、独立的、无依赖的客户机操做系统副本，一般利用半虚拟化驱动网络和I/O提升客户机性能。但因为虚拟化功能必须经过宿主操做系统，客户机的性能大大低于裸机hypervisor。此外，还有一些高可用和企业管理功能。因为这些缘由，II型 hypervisor最经常使用于开发/测试或桌面类应用程序。
流行的II型 hypervisor包括Vmware Workstation，Sun VirtualBox和Microsoft Virtual Server R2，它们的功能都差很少，由于它们都不能胜任企业级工做量，由于后面我也不打算继续介绍它们。
I型hypervisor
I型或裸机hypervisor包括当今主流的企业级虚拟化产品，该类hypervisor直接运行在系统硬件上，提供了更好的客户机性能。经过处理器虚拟化扩展加强，包括英特尔VT和AMD-V技术，I型hypervisor甚至能够超越裸机操做系统性能。使用这一类hypervisor，有几个子类型有必要详细介绍：
• 独立型：VMware vSphere
• 混合型：Microsoft Hyper-V，Citrix XenServer和Sun xVM
• KVM：Linux KVM
I型独立型：VMware vSphere
在一个独立型hypervisor中，全部硬件虚拟化和虚拟机监视器(VMM)功能由一个单一的，紧密集成的代码集提供，这种架构与Vmware vSphere和前几代ESX hypervisor的结构是相同的。下图是Vmware vSphere 4.0(也称为ESX 4)的架构概述图，与通常见解相反，Vmware不是基于Linux的hypervisor，相反，ESX是由一个高度复杂的操做系统VMKernel组成的，并取得了专利权，提供全部虚拟机监控和硬件虚拟化功能。ESX完整版提供了一个基于Linux的服务控制台，但ESXi不包含此服务控制台。
图 4 VmwarevSphere 4.0架构
一般这种模式被称为“胖”或“瘦”hypervisor，但这种说法并不许确，虽然ESX架构通过长期发展变得更加复杂了，但Vmware在hypervisor性能和功能方面一直保持领先的行业地位，最近实现了处理器虚拟化扩展进一步巩固了领导地位。
Vmware在客户机内须要网络和I/O驱动半虚拟化，这些驱动一般包含在Vmware Tools中。
I型混合型：Citrix XenServer，Microsoft Hyper-V和OracleVM
混合I型架构包括一个软件模型，一个“瘦”hypervisor联合一个父分区提供硬件虚拟化，它提供了虚拟机监视功能，这类模型主要包括微软的Hyper-V和基于Xen的hypervisor，如Citrix XenServer和OracleVM。
图 5 I型混合型hypervisor
父分区也叫作Dom0，它一般是一个运行在本地的完整操做系统虚拟机，并具备根权限，例如，开启Xen在Novell SUSE Linux Enterprise Server(SLES)上执行的Dom0将做为一个完整的SLES实例执行，提供虚拟机(VM)建立、修改、删除和其它相似配置任务的管理层，系统启动时，开启Xen的内核载入父分区，以VMM权限运行，做为VM管理的接口，管理I/O堆栈。
与Vmware相似，全部混合型产品都为客户机提供了半虚拟化驱动，从而提升网络和I/O性能，不实现半虚拟化驱动的客户机必须遍历父分区的I/O堆栈，所以客户机的性能会降低。操做系统半虚拟化技术正变得愈来愈流行，以达到最佳的客户机性能，并改进跨hypervisor的互操做性。例如，Microsoft Hyper-V/Windows Server 2008 R2为Windows Server 2008和SUSE Enterprise Linux客户机提供完整的操做系统半虚拟化支持。
虽然操做系统半虚拟化是操做系统发展的一种趋势，但应当指出的是操做系统半虚拟化目前还不是混合模型的一个要求，部分供应商，如VirtualIron(Sun/Oracle)，的目标是SMB级负载，使用全硬件虚拟化实现可接受的客户机性能。混合型架构起源于Xen项目，在性价比方面有不少供应商可供选择，这都得益于开源社区(Xen)的贡献，它可以很好地适应半虚拟化操做系统的将来发展。
I型组合型：基于Linux的内核虚拟机(KVM)
基于Linux的内核虚拟机(KVM)hypervisor模型提供了一个独一无二的I型架构，它不是在裸机上执行hypervisor，KVM利用开源Linux(包括RHEL，SUSE，Ubuntu等)做为基础操做系统，提供一个集成到内核的模块(叫作KVM)实现硬件虚拟化，KVM模块在用户模式下执行(与独立型和混合型hypervisor不同，它们都运行在内核/根模式下)，但可让虚拟机在内核级权限使用一个新的指令执行上下文，叫作客户机模式。
图 6 I型组合型架构
KVM使用一个通过修改的开源QEMU硬件仿真包提供完整的硬件虚拟化，这意味着客户机操做系统不须要操做系统半虚拟化，与Vmware相似，Linux KVM充分利用VirtIO做为实现IO半虚拟化的框架，它利用内置在内核/QEMU中的用户模式VirtIO驱动加强性能。KVM如今已经成为不少Linux发行版的标准模块，包括但不限于Red Hat Enterprise Linux和SUSE Linux Enterprise Server，以及桌面类Linux，如Ubuntu，KVM如今已经成为一个流行的hypervisor。
文章录入：姚泽辉 责任编辑：姚泽辉
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