虚拟化技术介绍

概述

在计算机技术中，虚拟化 是一种资源管理技术，它将计算机的各种实体资源进行抽象转换，并呈现出来，从而打破实体结构间不可分割的障碍，使得用户可更高效地使用这些资源。

虚拟化技术比较复杂，本文仅介绍其中两个点 —— 硬件层的虚拟化 和 操作系统层的虚拟化。

硬件层的虚拟化

硬件层的虚拟化 借助于 Hypervisor 抽象管理硬件资源，并为上层提供虚拟硬件以构建虚拟机，从而实现虚拟化。此种虚拟化技术比较简单、常见，代表性产品有 VMware、VirtualBox。

下图所示为物理机与虚拟机的结构分层图。

对于物理机而言，操作系统所发指令直接作用于硬件之上。对于虚拟机而言，操作系统所发指令作用于虚拟机 (虚拟硬件) 之上，随后虚拟机将指令传递给 Hypervisor，最终指令作用于硬件之上。

据此可以得知：由于虚拟机指令的执行涉及若干次传递，因此其性能劣于物理机 (实际情况是，虚拟机性能相当劣于物理机性能)。

就 硬件层的虚拟化 而言，Hypervisor 属于核心点。对于下层，它负责抽象并管理物理资源；对于上层，它负责分配虚拟资源并管理虚拟机。

根据 Hypervisor 的所处位置，可具体分为如下两种 (Type-1 和 Type-2)：

对于 Type-1 而言，Hypervisor 直接位于硬件之上；对于 Type-2 而言，Hypervisor 位于操作系统之上或之内。

在此两种类型之上，又可具体分为如下几种：

• 寄居虚拟化

  属于 Type-2。它是最为常见的虚拟化架构，VMware Workstation 即是此种。

  优点：简单、易于实现。

  缺点：依赖于物理机操作系统、性能开销大。

• 裸金属虚拟化

  属于 Type-1。

  优点：不依赖于具体操作系统。

  缺点：虚拟层内核开发难度很大。

• 操作系统虚拟化 (容器化)

  既不属于 Type-1，也不属于 Type-2。对于该种架构而言，其中并不存在 Hypervisor，即不存在对硬件资源的抽象化。它对操作系统内核进行虚拟化，从而实现用户应用隔离。因为用户应用之外需要添加额外的模板库文件，因此其整体称为容器。

  优点：简单、易于实现、管理开销十分低。

  缺点：隔离性差，多应用共享同一操作系统。

• 混合虚拟化

  属于 Type-2，其虚拟化层直接嵌于操作系统之内。

  优点：相比于寄居虚拟化而言，指令所需传递次数较少，因而具有更高性能。

  缺点：底层硬件需支持扩展功能。

操作系统层的虚拟化

操作系统层的虚拟化 借助于操作系统提供的若干特性，为应用提供相互隔离的资源以构建不同的虚拟环境，从而实现虚拟化。此种虚拟化技术比较流行，代表性产品有 Docker。

下图所示为此种虚拟化技术的结构分层图。

从中可以看到：应用与必须的系统模板库共同构建成为虚拟容器，该虚拟容器作为一个 单独应用 运行于操作系统之上 (正因如此，操作系统层的虚拟化 也称为 容器化)。相比于物理机运行应用而言，该种虚拟化技术仅在应用之上添加了一个外层，因此其性能略差于物理机性能。

两种虚拟化的比较

对于 硬件层的虚拟化 和 操作系统层的虚拟化 而言，二者区别如下：

容器化与 Docker

容器化基于操作系统提供的若干特性以构建容器。基于操作系统直接构建容器比较麻烦，因此众多容器技术出现以简化此过程，例如 Docker、Rocket。

Docker 是一个开源引擎，可以轻松地为任何应用创建一个轻量级的、可移植的、自给自足的容器。在此基础之上，它为应用的开发和部署提供一站式解决方案。

下图所示为 Docker 的结构分层图，其中 Docker Engine 仅负责管理容器，指令运行不涉及 Docker Engine 的传递。