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x86平台三种不同的虚拟化之路
从1998年开始,VMware创造性的将虚拟化引入x86平台,通过二进制翻译(BT,Binary Translation)和直接执行的模式,让x86芯片可以同时运行不同的几种操作系统,并且确保性能、稳定性和安全性。 从那时起,数以万计的企业已经从虚拟化中获得了极大的收益。但是,关于虚拟化的几种实现方式,引起了很多误解,为此,希望通过此文澄清几种虚拟化道路的优缺点,以及VMware公司对几种虚拟化之路的支持情况。图1总结了x86虚拟化技术的进展情况,从VMware的BT最近的内核部分虚拟化和硬件辅助虚拟化。
1. x86虚拟化概览
 所谓x86服务器的虚拟化,就是在硬件和操作系统之间引入了虚拟化层,如图2所示。 虚拟化层允许多个操作系统实例同时运行在一台物理服务器上,动态分区和共享所有可用的物理资源,包括:CPU、内存、存储和I/O设备。
图2. x86架构上的虚拟化层
近年来,随着服务器和台式机的计算能力急剧增加,虚拟化技术应用广泛普及,很多用户已经在开发/测试、服务器整合、数据中心优化和业务连续性方面证实了虚拟化的效用。虚拟架构已经可以将操作系统和应用从硬件上分离出来,打包成独立的、可移动的虚拟机,从来带来了极大的灵活性。例如:现在可以通过虚拟架构,让服务器7x24x365运行,避免因为备份或服务器维护而带来的停机。已经有用户在VMware平台上运行3年而没有发生任何的停机事件。
对于x86虚拟化,有两种常见的架构:寄居架构和裸金属架构。寄居架构将虚拟化层运行在操作系统之上,当作一个应用来运行,对硬件的支持很广泛。相对的,裸金属架构直接将虚拟化层运行在x86的硬件系统上,可以直接访问硬件资源,无需通过操作系统来实现硬件访问,因此效率更高。VMware Player、ACE、Workstation和VMware Server都是基于寄居架构而实现的,而VMware ESX Server是业界第一个裸金属架构的虚拟化产品,目前已经发布了第四代产品。ESX Server需要运行在VMware认证的硬件平台上,可以提供出色的性能,完全可以满足大型数据中心对性能的要求。
为了更好的理解x86平台虚拟化,在此简要介绍一下部件虚拟化的背景。虚拟化层是运行在虚拟机监控器(VMM,Virtual Machine Monitor)上面、负责管理所有虚拟机的软件。如图3所示,虚拟化层就是hypervisor(管理程序)直接运行在硬件上,因此,hypervisor的功能极大地取决于虚拟化架构和实现。运行在hypervisor(管理程序)上的每个VMM进行了硬件抽取,负责运行传统的操作系统。每个VMM必须进行分区和CPU、内存和
I/O设备的共享,从而实现系统的虚拟化。
图3. Hypervisor通过VMM管理虚拟机
 
2. CPU虚拟化
根据原来的设计,x86上的操作系统需要直接运行在裸机上,因此默认拥有和控制所有的硬件。如图4所示,x86架构提供了四种特权级别Ring 0、1、2和3,通过这四种级别来控制和管理对硬件的访问。通常,用户级的应用一般运行在Ring 3级别,操作系统需要直接访问内存和硬件,需要在Ring 0执行它的特权指令。为了虚拟x86架构,需要在操作系统下面运行虚拟化层,由虚拟化层来创建和管理虚