软件模拟虚拟化、全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化和容器

目前虚拟化技术有软件模拟、全虚拟化(使用二进制翻译)、半虚拟化(操作系统辅助)、硬件辅助虚拟化和容器虚拟化这几种。
(1)软件模拟
软件模拟是通过软件完全模拟cpu、芯片组、磁盘、网卡等计算机硬件:
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因为是软件模拟,所以理论上可以模拟任何硬件,但是非常低效,一般只用于研究测试的场景,典型的有QEMU。
(2)全虚拟化
x86平台指令集分为4个特权模式:Ring0 、Ring1、Ring2、Ring3、OS工作在Ring0级别,应用软件工作在Ring3级别,驱动程序工作在Ring1和Ring2。
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如何将虚拟机越级的指令使用进行隔离,1998年VMware首次找到了解决办法,通过虚拟化引擎,捕获虚拟机的指令,并进行处理,即全虚拟化方案。
在全虚拟化的情况下,VMM工作在Ring 0 ,Guest OS工作在Ring 1 ,应用程序工作在Ring 3,可是这时候Guest OS是不知道自己工作在虚拟机里的,认为自己还是工作在Ring 0 ,所以它还是按照Ring 0级别产特权生指令,Guest OS产生的每一条指令都会被VMM截取,并翻译成宿主机平台的指令,然后交给实际的物理平台执行,由于每一条指令都需要这么翻译一下,所以这种虚拟化性能比较差。
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(3)半虚拟化**
半虚拟化是对Guest OS做相应修改,以便和VMM协同运作。在硬件辅助虚拟化兴起之前,半虚拟化性能胜过全虚拟化。在半虚拟化情况下,Guest OS知道自己并不是直接运行在硬件资源上,而是运行在虚拟化环境里,工作在非Ring 0,那么它原先在物理机上执行的一些特权指令,就会修改成其他方式(超级调用),这种方式是可以和VMM约定好的,半虚拟化不需要VMM层进行二进制翻译,所以性能较好,但是实现比较麻烦(要修改OS内核代码),典型的半虚拟化技术有xen。
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(4)硬件辅助虚拟化**
2005年,Intel推出了硬件辅助虚拟化方案,对CPU指令进行改造,即VT-x,VT-x提供了两种操作模式:VMX root operation和VMX non-root operation,VMM运行在 VMX root operation,虚拟机运行在VMX non-root operation。在绝大多数情况下,客户机在此模式下运行与原生系统在非虚拟化环境中运行性能一样,不需要像全虚拟化那样每条指令都要先翻译再执行;在少数必要的时候,某些客户机指令的运行才需要被VMM截获并做相应处理。这种方案因为是基于硬件的,所以效率非常高。
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现在不仅CPU指令有硬件虚拟化方案,I/O通信也有硬件解决方案,称为VT-d;网络通信的称为VT-c。
(5)容器虚拟化
容器虚拟化是基于CGroups、Namespace等技术将进程进行隔离,每个进程就像一台独立的虚拟机,拥有自己被隔离出来的资源,也有自己的根目录、独立的进程编号、被隔离的内存空间。基于容器的虚拟化可以实现在单一内核上运行多个实例。目前热门的容器虚拟化技术Docker,Docker可以将一个开发环境进行打包,很方便在另一个系统上运行起来。

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