来源:中关村在线 作者:张桂林
 
   虚拟化Linux可以通过很多技术来实现,包括从平台到操作系统虚拟化。实际上,Linux可以说是唯一一个具有广泛虚拟化解决方案的操作系统。在本文中,我们将讨论实现Linux虚拟化的多种方式,以及Linux下的多种虚拟化解决方案。
  当我们讨论虚拟化解决方案的时候,常常都要提到具体厂商的具体产品,但是当我们提及Linux虚拟化解决方案的时候,我们更乐意讨论广泛而多样化的开源生态系统。Linux支持多种虚拟化平台,并延伸出多种技术,同样也是一个完整方案的一个元素。
  虚拟化—老树开新花
       虽然虚拟化现在如此的流行,但虚拟化不是一个新的技术,早在半个世纪之前IBM就已经开始部署虚拟化。最早虚拟化技术是在IBM M44计算机上进行实验,然后在IBM System/360大型机产品上开始普及。最早的真正意义上的整体应用虚拟化的硬件平台是IBM CP-40系统,在上世纪60年代末被用在商业应用上。
  虚拟化包含多个层面,比如硬件虚拟化,这种虚拟化从底层的硬件平台直接支持软件环境;另外一种是操作系统虚拟化,这是Linux的一个亮点。
  在硬件层之上,独立于操作系统的一层软件被称之为hypervisor,或者叫做虚拟机监视器。hypervisor创建了虚拟化平台,而操作系统实例则运行在这个平台上,这使得硬件平台可以被多个操作系统和应用所共享,从而降低硬件的成本。
  运行在hypervisor上面的实体被称为虚拟机,即VM,是用来放置操作系统、应用和数据元的“容器”。虚拟机中的操作系统和应用程序的数据被存储在虚拟磁盘中,hypervisor利用虚拟磁盘来启动虚拟化平台。虚拟机被封装为一个文件,这样比分布式的文件更好管理。
 

本地虚拟化和主机虚拟化模型
       早期的虚拟化模型被称为Type 1,或者叫本地虚拟化(native virtualization),这种模型下hypervisor直接运行在硬件之上,在hypervisor上面是虚拟机。后来出现了主机虚拟化(hosted virtualization)模式,被称为Type 2,hypervisor运行在操作系统之上,在同一平台上允许两个或更多的操作系统共存。
Linux虚拟化技术基础
  了解了有关虚拟化的一些基本知识后,我们进入正题,来讨论一下Linux虚拟化的一些知识。首先是模拟(Emulation),是将一个操作系统(Host)的服务转换并显示成另一个操作系统(Guest)的过程,Host和Guest系统不一定是相同的,比如,Host系统可能是x86平台,可以提供PowerPC平台的模拟,即使是指令和架构完全不相同。
  另外,hypervisor的模拟器(emulator)可以提供多个平台的模拟,比如下面的图例,在Host系统上可以仿真出PowerPC和ARM系统。模拟过程并不仅限于Type 2虚拟化模型,在虚拟化技术中都存在这个过程。
 

虚拟化模型中的模拟过程
      Linux中最流行的两个模拟器(emulator)包括QEMU和Bochs(处理器和平台模拟器)。这种解决方案的优点是它们是非常“轻便的”,可以支持在不同的Host操作系统和平台上运行不同的Guest操作系统。而这种解决方案的缺点在于由于要模拟指令,导致效率比较低。QEMU通过动态编码转换的模拟方式,让内核和内部用户代码可以被加速。另外,QEMU是一个很好的嵌入式平台开发工具,可以为与主机相异的CPU开发和测试代码。QEMU还可以被用来其他虚拟化解决方案来进行设备模拟。
平台虚拟化
  更加传统的虚拟化解决方案是平台虚拟化,或者叫做硬件虚拟化,具有两种主要的形式,完全虚拟化( full-virtualization)和半虚拟化(para-virtualization)。
  完全虚拟化,如下图所示,虚拟化平台通过hypervisor来承载虚拟机(VM),完全虚拟化的关键在于这些虚拟机,也就是运行在这些虚拟机里面的操作系统可以在hypervisor上运行,并且不被修改,这在需要一个真正的虚拟平台时是非常理想的,但这种模式具有一个缺点。
  在完全虚拟化下虚拟机VM会把虚拟平台当作物理平台,工作在虚拟平台上的Guest操作系统驱动就好像运行在真实的硬件之上。但需要考虑这意味着什么,Guest操作系统和虚拟平台之间通讯就好像和真实平台一样,在hypervisor里面存在着另外一个模拟层,模拟硬件平台并转发虚拟机对硬件的访问,就好像虚拟机直接在使用真实的硬件。这个过程需要大量的处理,会限制Guest系统的I/O性能。
  解决这个问题的一个方法就是Guest操作系统意识到自身是被虚拟化的,这种形式被称作半虚拟化(para-virtualization),如下图,在这种模式下,Guest系统包含了缩短硬件访问过程所需的驱动程序,这让把Guest系统从不必要的工作中解放出来,来进行更高级别的工作。
 

两种平台虚拟化方式
        虽然完全虚拟化是一个理想的方案,但是通过修改Guest操作系统可以最大限度的减少处理开销,获得相当大的性能提升。
  Linux包含两个重要的解决方案,可以同时实现完全虚拟化和半虚拟化。Citrix的Xen是一个流行的解决方案,可以同时执行Type1和Type2型hypervisor,Amazon的EC2就采用Xen来进行服务器的虚拟化。
  另一个重要的hypervisor是Linux Kernel Virtual Machine(KVM),同样都支持本地虚拟化和主机虚拟化模型。KVM是有特点的,它通过夹在内核模块可以对Linux内核进行小的修改,从而变成一个全特性的hypervisor。KVM通过应用virtio可以支持半虚拟化,在Guest系统中包括用于半虚拟化的标准Linux驱动。
  KVM也是第一个完全集成在主线内核(mainline kernel)的hypervisor,由Rad Hat开发,在一些关键领域被采用,比如IBM对云计算的开发和测试中。
  需要注意的是无论是完全虚拟化还是半虚拟化,每种解决方案都应用了硬件协助虚拟化(hardware-assisted virtualization)。目前新的AMD和英特尔CPU都集成了优化hypervisor的指令集,来增强Guest虚拟机的I/O性能。
操作系统虚拟化
  操作系统虚拟化是另外一个重要的虚拟化技术,正如其名,是对操作系统本身进行虚拟化,而不是平台。在这种方式下,操作系统提供一组用户空间(User-Space)彼此隔离,而应用被限制在每个用户空间里面,就好像一个独立的主机。这种形式的虚拟化在虚拟主机环境中非常流行,让多个独立的用户可以共享一个操作系统。
 

操作系统虚拟化
     操作系统虚拟化依赖于可以创建和隔离用户空间(或者叫做容器或者私有虚拟服务器)的Linux内核,OS虚拟化最大的好处在于几乎没有任何开销,因为用户只是简单的共享OS和主机,而不需要通过虚拟机。而缺点在于目前我们采用的OS虚拟化解决方案缺乏灵活性,不能在任意的操作系统上实施,用户共享主机和操作系统还需要注意版本。尽管有这些不足,服务器虚拟化还是应用的非常广泛。
    Linux包含很多的操作系统解决方案,具有很高的可配置性。比如OpenVZ、Linux-VServer和FreeVPS是其中三个最流行的,均支持CPU、内存网络、I/O和存储配额配置,OpenVZ还支持主机之间的在线VPSes迁移。
其他Linux虚拟化技术
  在上面的文章中,我们讨论了模拟、平台虚拟化和操作系统虚拟化,这三种是最常用的虚拟化技术,除此之外,还有很多其他种类的虚拟化技术可以满足我们的需求,下面我们来看看几种不同于之前谈论范畴的虚拟化技术。
  CoLinux
  CoLinux,或者叫做协作Linux,是一种利用协作虚拟机的虚拟化方式。在CoLinux模式下,Linux Guest系统运行在微软Windows操作系统之上,共享底层的硬件资源。CoLinux需要Guest系统(即CoLinux本身)被修改,让它认为自己运行在其他操作系统之上。CoLinux是一种半虚拟化的方式,是将Windows作为Host操作系统,并且每个Host系统上只能运行一个CoLinux实例。由于这种限制,CoLinux被定义为一种特别的虚拟化技术。

 


CoLinux:特别的半虚拟化架构
    用户模式(User-Mode)Linux
    用户模式(User-Mode)Linux,即UML,和CoLinux有些类似,但是更加灵活。如上图右边的架构,UML允许在一个Linux Host系统上运行多个Linux Guest操作系统,UML也是一种半虚拟化架构,实现更好的性能。UML吸引人的一个方面是可以支持更高一层的UML,所以运行在Linux Host操作系统上的UML Guest内核可以支持更高级别的UML Guest系统。
  Wine和Cygwin
  Wine和Cygwin也是有趣的虚拟化解决方案,Wine实际上是“Wine is Not an Emulator”的缩写,表示“不是一个模拟器”,是在Linux Host操作系统上运行Windows应用的一种方式。Wine并不是完全的表现为Windows应用的模拟层,而是一个DLL(动态链接库)层来表示Windows API。


Wine和Cygwin虚拟化方案
  Cygwin是与之相反的解决方案,即在Windows上运行Linux应用,这是由Rat Hat开发,这是一种模拟的Unix环境,允许在Windows平台上开发Unix应用,比如POSIX以及其他类Unix工具。
    Linux虚拟化的未来
    在虚拟化领域,Linux虚拟化增长的很快速,不仅仅是对核心组件基于Linux的hypervisor的开发,还包括Linux虚拟化生态系统中的其他部分,包括工具和管理应用程序的开发。Linux虚拟化能够延伸出多种虚拟化技术,将不断的推动虚拟化技术的前进发展。