．雲端運算 IaaS 的核心技術：虛擬化技術

Introduction to Virtualization - Virtualization and Cloud Computing

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來源： 微說互聯網

我們知道雲端運算平台上面的雲主機，實際上都是虛擬機，但我們感覺不出來，用起來和一台真實的伺服器沒什麼區別，這都要歸功於虛擬化技術（Virtualization）。可以說虛擬化技術，是實現雲端運算基礎架構層面（IaaS）的核心技術。那麼這種虛擬化技術究竟是怎麼回事？

雲端運算所使用的虛擬化技術，其實並不是一項新技術。1998 年成立的 VMWare（威睿）公司，就是做虛擬機軟體的，後來被數據儲存技術公司 EMC（易安信）收購了，再後來 EMC 又被 Dell 收購了。

我們先不談 VMware 公司的歷史，重點說一下他們的虛擬機軟體：VMware Workstation。這個軟體允許多個 x86 虛擬機，同時被創建和運行。每個虛擬機實例，可以運行其自己的客戶機操作系統（Guest OS），如Windows、Linux、BSD 等。說白了就是，VMware Workstation 允許一台真實的電腦，同時運行好幾個操作系統。

從底層操作系統來看，每個虛擬機都是一個用戶進程；從虛擬機中的的 Guest OS 來看，自己擁有整個電腦。

虛擬機的工作原理

虛擬機軟體解決了一個關鍵的技術問題：就是如何讓 Guest OS 認為自己正運行在一個真實的電腦上。

VMware的架構圖

管理多個虛擬機的軟體叫做 VMM（Virtual Machine Monitor），或者叫 hypervisor。VMM 做了三件事來欺騙 Guest OS：分別是虛擬 CPU、虛擬記憶體、虛擬 I/O。

虛擬CPU：為每個虛擬機的 CPU，準備了一個虛擬寄存器的數據結構，跟蹤著 CPU 所有寄存器中的值。CPU 的全部狀態其實就是所有寄存器的值，只要在 Guest OS 看來寄存器的值沒問題，Guest OS 就可以正常執行。

Guest OS 作為一個用戶進程，實際上運行在 CPU 的 ring3 模式（最低權限），但 VMM 讓它以為自己運行在 CPU 的 ring0模式（特權模式）。如果 Guest OS 訪問 ring3 模式的寄存器， VMM 是不會管的。但如果 Guest OS 試圖訪問一些 ring3 模式的寄存器，VMM 就直接修改虛擬寄存器的值，讓 Guest OS 認為自己真的操作了這些特權模式下，才能訪問的寄存器。

虛擬內存：VMM 實現了從虛擬記憶體，到虛擬機物理內存，再到實體記憶體的三級地址轉換，解決了 Guest OS 訪問記憶體的問題，在 Guest OS 看來，地址還是從虛擬記憶體，映射到實體記憶體。

虛擬I/O：如果 VMM 發現 Guest OS，要對某個 I/O 設備進行操作，那麼就用軟體模擬這個過程，比如要對硬碟進行讀寫，VMM 就把這個操作改成對文件的讀寫。

總的來說，Guest OS 的運行在 VMM 的嚴密監控下，在權限允許的範圍內，Guest OS 幹啥都行，但如果超出了權限，VMM 就要干預。

虛擬化技術與雲計算

目前比較常用的虛擬機技術，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，還是有所區別的。

VMWare 是商用軟體，需要付費，且不開源。Xen 和 KVM 都是開源的。不過 Xen 的操作複雜，維護成本較高，Linux 官方內核已經去掉了對 Xen 的支持。KVM 是 Linux Kernel 的一部分，因此會隨著 Linux 內核的升級，而不斷優化和改進。在雲端運算領域目前用的虛擬機技術，最多的也是 KVM。

雲計算管理軟體透過libvirt接口管理虛擬機

目前比較流行的雲端運算管理軟體是 Openstack，支持各種虛擬機技術。libvirt 是一套免費、開源的支持 Linux 下主流虛擬化工具的 C 函數庫。libvirt 起初是專門為 Xen 設計的一種管理 API，後來被擴展為可支持多個虛擬機監控程序。

雲端運算管理軟體，透過 libvirt 接口就可以控制，各種虛擬化技術創建的虛擬機了。311170515

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