傳統(tǒng)的電腦主機(jī)(Server,Desktop,Laptop)安裝完一種作業(yè)系統(tǒng)(Windows , Linux...),就只能提供其作業(yè)系統(tǒng)所能提供的服務(wù),我們無(wú)法在同一主機(jī)上同時(shí)提供 Windows 的服務(wù)又同時(shí)提供 Linux的服務(wù),或者其他作業(yè)系統(tǒng)的服務(wù).也因此虛擬化由此誕生.而虛擬化的目的就是為了要讓多個(gè)作業(yè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)作在同一臺(tái)機(jī)臺(tái)上.

目前虛擬化可以分成下面這幾種.
1- Emulation 虛擬出來(lái)一個(gè)與現(xiàn)行完全不同的硬體環(huán)境
2- Full Virtualization 使用的是 - Binary Translation
3- 另一種需要修改作業(yè)系統(tǒng)的核心才能支援 - Paravirtualization
4- Hardware-assisted virtualization 這也是最新的方式需要有硬體(CPU) 的支援 - Intel VT 或者 AMD-V
5- Application-Level Virtualization 不需要 VT 或是額外的硬體來(lái)支援

上面的種類的產(chǎn)品一開(kāi)始會(huì)讓使用者搞不清楚到底是要用什麼產(chǎn)品,這一類的產(chǎn)品多到不勝枚舉.基本上企業(yè)要用的就是可以全虛擬化的環(huán)境如 FullVirtualization 或是 Paravirtualization 這一類像是 VMware ESX 或是XenServer.至於學(xué)生而言可以在原先的 Windows 系統(tǒng)下使用 Linux 或是其他非 Windows 系統(tǒng).就可以直接選擇Application-Level Virtualization 像是 VMware Server 等的產(chǎn)品.

Ring
在還未解說(shuō) CPU 虛擬化之前先解釋一個(gè)東西就是 Ring(環(huán)), 在 Intel x86 系統(tǒng)架構(gòu)下為了保護(hù)指令的運(yùn)行,提供了 4 種不同Privilege 特權(quán)級(jí)別的指令.也就是俗稱的 Ring,可以區(qū)分成為 Ring 0,Ring 1,Ring 2 和 Ring 3.Ring0 擁有最高的權(quán)限,通常是由系統(tǒng)核心才會(huì)有 Ring0 的權(quán)限,Ring 0 可以直接和硬體溝通讀取 IO,CPU,Memory與周邊裝置.其次是 Ring 1,以此類推.一般 Kernel,driver 會(huì)存在 Ring 0.一般 AP 存在 Ring3,一般的作業(yè)系統(tǒng)也只運(yùn)用到 Ring 0 和 Ring3.採(cǎi)取這種方式的優(yōu)點(diǎn)是一般運(yùn)行的程式?jīng)]有辦法直接與硬體溝通,所以不會(huì)有像Window 3.1 時(shí)一樣的狀況發(fā)生,一個(gè)程式就能把整個(gè)系統(tǒng)摧毀(Crash)掉.

VMM(Virtual Machine Monitor)
一個(gè)機(jī)臺(tái)要能同時(shí)執(zhí)行很多作業(yè)系統(tǒng)時(shí)不能像是傳統(tǒng)的方式讓 OS 的核心存放在 Ring0.取而代之的就是 VMM((VirtualMachine Monitor) 也可以稱作Hybervisor.也為了虛擬化的資源分配管理,所以必須有一個(gè)東西來(lái)管理所有虛擬化的作業(yè)系統(tǒng)(Guest OS).也就是所謂的VMM(Virtual Machine Monitor).

此時(shí)的 VMM 主要工作為
模擬出一個(gè)完整的硬體環(huán)境給每一個(gè) Guest OS
分配硬體支援給每一個(gè) Guest OS
每一個(gè) Guest OS 都是獨(dú)立出來(lái)不會(huì)被彼此影響的

1 - Emulation
這一類的虛擬化,比較像是藉由應(yīng)用程式虛擬出來(lái)一個(gè)與現(xiàn)行完全不同的硬體環(huán)境.像是一些可以在 PC環(huán)境上模擬出來(lái)的遊戲機(jī)之類的,或是透過(guò)虛擬的硬體環(huán)境去模擬 smart phones 以及 PDAs .可以提供給程式開(kāi)發(fā)者在 PC的環(huán)境下開(kāi)發(fā)出 smart phones 或是 PDAs 的應(yīng)用程式.

2- Full Virtualization 使用的是 - Binary Translation
也正因?yàn)?Intel CPU 架構(gòu)的關(guān)係,不少的 CPU 指令必須執(zhí)行在 Ring 0 底下,而傳統(tǒng)的作業(yè)系統(tǒng)核心也必須放在 Ring 0讓他們能直接存取硬體.所以一開(kāi)始的虛擬化幾乎不能在 X86的系統(tǒng)上使用.但是 VMware 使用了一種方式讓虛擬化能夠執(zhí)行在 X86的系統(tǒng)上.他們使用一種稱為 Binary Translation 加上 direct execution 的方式,所謂的 Binarytranslation 就是將原本要執(zhí)行不能虛擬化的指令(nonvirtualizable instructions)VMM會(huì)轉(zhuǎn)換成另一種語(yǔ)法,然後再交由 VMM 去執(zhí)行.就像是 Guest OS 要將資料寫入硬碟中,但是其實(shí) Guest OS的硬碟可能只是硬碟中的一塊磁碟區(qū)塊(partition)或是檔案(Loop file),所以 VMM會(huì)把他的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成另一種方式再來(lái)向硬體提出要求.而不再是用原本的指令去執(zhí)行了.至於 direct execution 是一般性的指令不需要在Ring0 才能執(zhí)行就直接可以向硬體提出請(qǐng)求.

這樣的缺點(diǎn)是會(huì)造成效率的低落,但好處是虛擬出來(lái)的作業(yè)系統(tǒng)(Guest OS)並不知道有 VMM的存在,他會(huì)以為自己擁有整個(gè)機(jī)器,而且虛擬出來(lái)的作業(yè)系統(tǒng)(Guest OS)也不需要修改核心去配合 VMM.加上 VMM會(huì)去虛擬整個(gè)機(jī)器包括了虛擬化的 BIOS,devices 和 memory的管理,.而且每一個(gè)虛擬出來(lái)的作業(yè)系統(tǒng)(GuestOS)都是獨(dú)立而且安全性高不會(huì)受到其他虛擬出來(lái)的作業(yè)系統(tǒng)(Guest OS)影響.

目前採(cǎi)用這種方式的有 IBM System/370, VirtualBox, VMware Workstation (32-bit guests) 以及 Microsoft Virtual PC.

3 - 另一種需要修改作業(yè)系統(tǒng)的核心才能支援 - Paravirtualization
剛才有說(shuō)明為什麼在一般 x86 系統(tǒng)下沒(méi)有辦法做虛擬化,大部分的原因是不能虛擬化的指令(nonvirtualizableinstructions)必須直接在 Ring 0 執(zhí)行.但是 Paravirtualization使用了另一種方式,修改虛擬化作業(yè)系統(tǒng)(Guest OS)的核心,讓虛擬的作業(yè)系統(tǒng)(GuestOS)可以直接將不能虛擬化的指令(nonvirtualizable instructions)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成 VMM可以執(zhí)行的指令(hypercall),再由 VMM 去向硬體提出請(qǐng)求.目前像是 Linux 或是 FreeBSD都可以透過(guò)修改核心去支援這項(xiàng)技術(shù)但是像是 Windows 的系統(tǒng)不能去修改它的核心(Microsoft也不願(yuàn)意讓別人來(lái)修改它的核心),所以無(wú)緣使用 Paravirtualization.而所謂的 hypercall 就像是 OS kernel的 syscall 只不過(guò) hypercall 是針對(duì) hypvisor(VMM)的.

目前採(cǎi)用這種方式的有  XenSource 以及 GNU/Linux distributors(RHEL 5 和 SLES10 以上的版本).

4 - Hardware-assisted virtualization 這也是最新的方式需要有硬體(CPU) 的支援 - Intel VT 或者 AMD-V
在沒(méi)有 VT 的時(shí)代 VMM 是直接載入在 Ring 0 裡面,Dom0 的 kernel 則是被放在 Ring1(Dom0 是第一個(gè)在Xen 底下運(yùn)行的虛擬機(jī)器).後來(lái)產(chǎn)生出的 DomU 也是存放在 Ring1(需為 Para-Virtualized,沒(méi)有 VT 的支援Xen 不支援 full-Virtualized).不過(guò)一般的 AP 還是運(yùn)行在 Ring 3.也正因?yàn)槿绱?Para-Mode 的Guest OS 必須知道 VMM 的存在.此時(shí)是不支援 Full-Mode 的.後來(lái)有了 VT 這一項(xiàng)技術(shù).VMM 和GuestOS(Para/Full-Mode)都可以直接執(zhí)行在 Ring0 運(yùn)行.不過(guò) VMM 是存在比 Guest OS 還要低的一層.RootMode Privilege Levels.不能虛擬化的指令(nonvirtualizable instructions)會(huì)自動(dòng)被hypervisor 截取不需要再經(jīng)過(guò) binary translation 或 paravirtualization 的模式轉(zhuǎn)換.

目前 Intel 推出含有 VT 的技術(shù)包括了下面幾項(xiàng).
VT-x 這是屬於 IA-32 和 Intel 64 架構(gòu)的
VT-i 這是屬於 Itanium 架構(gòu)的
VT-d refers to Intel VT for Directed I/O
目前 Intel 推出的 CPU 並未包過(guò)下面這項(xiàng),這是未來(lái) Intel 將計(jì)畫推出的.
VT-c refers to Intel VT for Connectivity

Hardware-assisted virtualization 在不同的平臺(tái)上有著不同的名稱,比如你在 Xen 這種技術(shù)被稱為hardware virtual machine (HVM), Virtual Iron 稱他為 native virtualization.
目前採(cǎi)用這種方式的有 VMware Workstation (64-bit guests only), Xen 3.x , Virtual Iron, Linux KVM 以及 Microsoft Hyper-V.

5 - Application-Level Virtualization
還有一種是 Application-Level Virtualization 他是架構(gòu)在其他作業(yè)系統(tǒng)上的,像是 VMware Server它的架構(gòu)很簡(jiǎn)單,它只是一個(gè)作業(yè)系統(tǒng)下的一個(gè)應(yīng)用程式,優(yōu)點(diǎn)是它不需要 VT或是額外的硬體來(lái)支援,但相對(duì)的缺點(diǎn)就是他的效能相對(duì)的不佳.它提供一個(gè)全虛擬化的架構(gòu)虛擬出來(lái)的作業(yè)系統(tǒng)幾乎都可以包括,像是 Windows,Linux ,Netware 都有支援,如果你沒(méi)有特別的需求可以考慮這一類的虛擬化方式.它像是其他虛擬化的環(huán)境為每個(gè)虛擬出來(lái)的 GuestOS 提供了獨(dú)立不受其他的 Guest OS 影響的獨(dú)立環(huán)境,但整體是你的最原始的作業(yè)系統(tǒng)沒(méi)有被破壞.做出來(lái)的 Guest Os還可以輕易的移到不同的機(jī)臺(tái)下繼續(xù)使用.

在正式講 Virtualization 時(shí)我先介紹一下針對(duì)虛擬化我的的裝置硬體有什麼改變.
1.CPU
2.Memory
3.Networking
4.I/O Devices
5.KVM
6.QEMU

這邊介紹一下常用的幾種 virtualization 的應(yīng)用
1.VMware
2.Citrix - XenServer
3.RHEL5 update4 - KVM(Kernel Based Virtual Machine)
4.Solaris - Virtual-Box
5.Windows - Virtual Server
7.RHEL5 - XEN