Linux操作系统及虚拟化技术介绍

　　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。

主机虚拟化

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

　　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让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。

平台虚拟化

　　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。如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

　　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