【探索嵌入式虚拟化技术与应用】— 虚拟化技术深入浅出自学系列

一、虚拟技术的发展历史

计算机的运行通常离不开合适的操作系统的,而传统操作系统必须运行在具有特定的指令集(实现它的处理器)、内存系统和I／O系统的物理计算机上。

1.1传统技术的局限性：

（１）随着计算机技术飞速发展，计算机系统结构、操作系统及应用程序变得越来越复杂。

（２）传统操作系统上由于应用程序之间无法真正相互隔离，因此一个应用程序的错误可能导致整个系统的奔溃。

这些推动了９０年代末　——　新一轮虚拟计算机（Vｉｒｔｕａｌ　Mａｃｈｉｎｅ）技术的发展。一些基于　Ｘ８６　架构的商用虚拟机产品的推出，如VMware Workstation 、 Virtual PC 等，使得虚拟计算机技术发展到一个新阶段。　

1.2云计算和万物互联技术的发展机遇：

进入21世纪，计算机领域出现两大新的虚拟化应用场景 ——

（1）云计算

云计算技术发展，使得作为标准化产品的虚拟机作为服务，成为各家IT企业的选择

降低企业自建服务器的IT服务成本和投入

（2）万物互联

万物互联技术把100亿数量级的嵌入式设备整合在一起，并通过云连接起来。

虚拟化技术也因此在嵌入式领域得到广泛应用，以此整合各种单一功能的设备，通过共同的接口接入互联网，构建高效、低成本的万物互联系统。

1.3虚拟化技术介绍

Hypervisor 将一个物理的ISA转换成一个虚拟机

左图：展示的是虚拟技术通过现有平台（机器）上添加一层虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor ， VMM）软件实现对系统的虚拟化，如：虚拟处理器，虚拟内存管理器（MMU）和 虚拟I/O系统等。

虚拟机监控器（VMM）也被称作 —— 超级管理者（Hypervisor）---> 主流叫法，它对应操作系统中的（普通）管理者（Supervisor），但Hypervisor 比 Supervisor 权力更大、更加基础。

如右图所示：从应用程序角度看，程序运行在虚拟机上与运行在其对应的实体计算机上一样，都运行在某一特定的指令体系(Instruction Set Architecture,ISA) 和 / 操作系统上。

1.4虚拟机分类

基于左图所示指令体系接口抽象的虚拟机称为系统虚拟机（System VM）

基于 右图所示应用程序二进制接口（Application Binary Interface， ABI）抽象的虚拟机称为进程虚拟机（Process VM）。

二、VMM

2.1什么是VMM

虚拟机监控器（VMM，Virtual Machine Monitor）是一种软件或固件层，它在计算机硬件和操作系统之间运行，并允许多个虚拟机共享计算机资源。

虚拟机监控器的作用主要包括以下几点：

1. 提供虚拟化的环境：虚拟机监控器创建虚拟机并提供虚拟化的环境，使得多个虚拟机可以在同一台物理计算机上同时运行。
2. 管理虚拟机的资源：虚拟机监控器负责管理虚拟机的硬件资源，例如CPU、内存和硬盘等，以确保多个虚拟机之间可以平稳共享计算机资源。
3. 提供安全隔离：虚拟机监控器提供安全隔离机制，使得不同虚拟机之间的操作系统和应用程序可以独立运行，互不干扰，从而提高了系统的安全性和稳定性。
4. 提供虚拟机的管理工具：虚拟机监控器提供一系列的工具和界面，用于管理和监控虚拟机的运行状态，以及对虚拟机进行配置和管理。这些工具可以帮助管理员轻松地管理多个虚拟机。

虚拟机监视器（Hypervisor）安装在物理硬件上的软件层，是实现虚拟化的核心组件。可以将物理机通过虚拟化分成许多虚拟机，它可以提供虚拟化的环境，管理虚拟机的资源，提供安全隔离和管理工具等功能，从而使得多个虚拟机可以在同一台物理计算机上高效地运行。。安装在虚拟机上的操作系统称为虚拟操作系统，也称为实例。有虚拟机监视器运行的硬件称为主机。虚拟机管理控制台（也称为虚拟机管理员（VMM））是一种计算机软件，可以轻松管理虚拟机。

2.2VMM的模型分类

有三种类型的虚拟机监视器：Type1虚拟机监视器（Hypervisor Model）模型和Type2虚拟机监视器 (Host-based Model) 模型 和 混合模型 （Hybrid Model）。

监控模型（虚拟机监控器模型 - Type - 1 Hypervisor）中：VMM直接运行在裸机上（无操作系统）。 采用该模型的VMM运行在处理器的最高特权级，而所有客户则运行在较低特权级，以便VMM可以截获所有客户机OS对系统资源的访问，从而实现对系统资源的虚拟化。

宿主模型 （二型虚拟机监控器 - Type - 2 Hypervisor）中： VMM运行在宿主机OS（Host OS）内，作为宿主机操作系统的扩充。 优点：VMM可以充分利用宿主机OS提供的设备驱动程序及底层服务，并且不需要去除原来机器上已经安装的操作系统，安装和部署较容易。 缺点：VMM的开发受限制于宿主机的OS接口，有些功能实现较困难或需要修改宿主机OS。

混合模型集两者的优点，既可以利用宿主机OS的现成设备驱动实现虚拟机的设备模型，又可以实现不同的安全模型，他的典型代表是微软公司的Hyper - V 和 Citrix 公司的 Xen 开源 Hypervisor。

三、虚拟监视器的类型

3.1Type1虚拟机监视器

Type1虚拟机监视器也称为原生或裸机虚拟机监视器，可直接安装在硬件上，将硬件拆分为多个虚拟机，我们可以在其中安装虚拟机操作系统。虚拟机管理软件有助于管理此虚拟机监视器，允许根据当前资源要求在物理服务器之间自动移动虚拟机操作系统。 Type1虚拟机监视器的优势 容错：当实例所在的物理服务器出现故障时，虚拟机管理软件会将实例自动迁移到可用的服务器上，我们甚至可能都注意不到物理硬件出现故障。用户不会遇到任何宕机，并且可以在维护和操作人员方便的时间修理或更换发生故障的硬件。 RAM容量的超量/动态分配：在服务器上运行多个实例时，分配给虚拟机的总RAM可以大于底层硬件的总物理内存容量。

RAM代表随机存储器（Random Access Memory），是一种计算机[硬件]组件，也被称为内存。 RAM用于临时存储正在运行的程序和数据，以便系统可以快速读取和写入数据，从而提高计算机的性能。 RAM是易失性存储器，这意味着当计算机关闭时，所有存储在RAM中的数据都将被删除。

3.2Type2虚拟机监视器

Type2虚拟机监视器也称为主机虚拟机监视器，它安装在主机操作系统中，其优点是不需要虚拟机管理控制台。Type2虚拟机监视器不支持RAM的动态/动态分配，因此在为虚拟机分配资源时需要小心。

📝全文总结

本文主要讲解：     本文主要从虚拟技术的发展历史开始，主要介绍了虚拟机的三种模型：监控模型、宿主模型、混合模型。