Virtualisation 虚拟化

实现虚拟化的主要技术是 Hypervisor。Hypervisor 提供了一种运行在物理硬件和操作系统之之间的中间层，允许多个系统访问系统硬件，并对其做出合理的调配。Hypervisor也可以叫做Virtual Machine Manager/Monitor (VMM) 。

我们可以理解，Hypervisor 是 操作系统 的 操作系统，相较于操作系统拥有更低的层级，为操作系统提供服务。

虚拟化的实现层级

Hypervisor 的虚拟化级别

• Full Virtualisation (完全虚拟化) Type-1：

  完全虚拟化允许未经修改的客操作系统（Guest OS）隔离运行。硬件虚拟化对客操作系统隐藏了真实的硬件，虚拟机运行在一个架设在硬件或主机操作系统（Host OS）之上的Virtual Machine Monitor中。拥有完全虚拟化能力的Hypervisor，将真实的硬件特征映射到虚拟机上，并且映射出了完整的指令集，I/O, 中断/内存管理等。Guest OS并不需要知道是否运行在虚拟机内，仅需按照正常在裸机上运行的那样即可。虚拟机发出的指令需经过Hypervisor捕获并处理。这带来了一个问题：过大的开销。

  但是，Full Virtualisation 允许任何未经修改的操作系统和客户端程序直接在其上运行。在这里，Hypervisor实质上成为了比操作系统优先级更高的Super OS。

  代表： VMWare, Microsoft Virtual Server

• Para-Virtualisation(半虚拟化) Type-2:

  半虚拟化要求操作系统进行了适应性修改: 将会拥有于Hypervisor交互的API，服从Hypervisor的调度。同时，经过修改的Host OS使得非虚拟化指令被 HyperCalls(超调用) 代替，这允许Applications直接调用系统底层资源，无需经过Hypervisor翻译。由于虚拟化的开销减少了，性能也提高了

  

  Supported by Xen, KVM, VMware ESX

• Hardware-Assisted Virtualisation(硬件辅助的虚拟化) Type-3 :

目前，硬件设备生产商往往为虚拟化在硬件设备中增加了虚拟化功能。这些功能允许一些来自 Guest OS 的 privilege calls 直接交由CPU处理，从而越过Hypervisor的翻译过程。

Supported by Intel-VT AMD-V

虚拟化架构的运行模式

​ a) 操作系统在特权模式下执行

​ b) VMM在特权模式下运行

​ c) 受信任的主机操作系统在托管的虚拟机系统中以特权模式执行。客户操作系统驻留在虚拟机 中，以较低的特权级别运行。

​ d) VMM的一部分在特权模式下运行。

References

• Cloud Computing for Science and Engineering. I. Foster and D.B. Gannon. MIT Press, 2017
• S. Bhowmik, Cloud computing. Cambridge University Press, Chapter 7, 2017