浅析虚拟化技术及其发展趋势

刘英哲

（陕西陆军预备役高炮师，西安 710077）

虚拟化（英语：Virtualization）是个通用的术语，就计算机领域而言，它是一种资源管理技术，它通常是将各种物理资源进行抽象转换后用逻辑来表示，从而摆脱物理硬件的约束，使用户可以发更高的效率和更好的方式来应用这些资源。目前的云计算也依赖于虚拟化。

1 虚拟化技术的原理

虚拟机是对真实计算环境的抽象和模拟，在操作系统中加入一个虚拟化层（VMM），VMM 需要为每个虚拟机分配一套数据结构来管理它们状态，它可以对下层（HostOS）的基础硬件资源，如物理内存、寄存器组、存储器等硬件设备进行整体的封装、隔离、抽象、转换，将这些硬件资源抽以逻辑资源的形式表现出来。并将这些逻辑资源提供给客户（GuestOS）调用。我们也可以将VMM看作是联系HostOS和GuestOS的一个桥梁和纽带。虚拟化可以将一个物理资源抽象转化为多个逻辑资源，也可以将多个物理资源抽象转化为一个逻辑资源。通常，我们将物理主机称为HostOS（宿主），而将虚拟机称为GuestOS（客户）。

2 虚拟化技术的分类

2.1 全软件模拟

全软件技术理论上可以模拟所有已知的硬件，甚至不存在的硬件，但由于是软件模拟方式，所以效率很低，不适合商业化推广。采用这种技术的软件有Bochs以及早期的QEMU等。

2.2 虚拟化层翻译

在虚拟化发展的早期，技术主流是借助软件实现的全虚拟化和半虚拟化这两种虚拟化层翻译技术，这两种技术各有优缺点，为充分发挥两者的优越性，就要根据实际情况，灵活的对两种技术加以应用。

以Intel为代表的硬件厂商的介入则开启了硬件虚拟化的新时代，这也使全虚拟化与半虚拟化技术有了合二为一的趋势。当前，单纯靠虚拟化软件来解决问题已不是行业的主流，以软硬件结合的虚拟化平台来解决问题是未来的发展趋势。虚拟化层翻译技术主要的包括硬件辅助虚拟化、全虚拟化、半虚拟化、总线虚拟化、内存虚拟化等。

2.3 容器虚拟化

容器虚拟化不是一种硬件虚拟化方法，它不同于虚拟机方式的虚拟化技术，而是一个操作系统级的虚拟化方法。具体实施可分为三步：第一步要安装主机操作系统，主机操作系统通常是Linux变种。第二步，在主机操作系统之上安装容器层。第三步，在以上操作都完成后，就可以将容器实例分配到系统的可用计算资源中，并在容器中部署企业应用，所有这些容器化应用都共享同一个主机操作系统。

容器虚拟化的实质是以容器为虚拟化的载体单位，容器可以为应用程序提供隔离的运行空间，从而使所有应用都相互独立，互不影响，且容器之间也是相互独立与隔离的，即一个容器内的变动不会影响其它容器的运行。与虚拟机相比较，容器的资源利用率更高，它的规模更小，创建速度更快，消耗的资源更少，这是因为容器不需要为每个应用分配一个单独的操作系统，从而减轻了系统负担，提高了效率和资源利用率。这也意味着，相对于虚拟机而言，同样的操作系统能够容纳与承载更多的容器。对于云提供商而言，容器技术更符合实际需求，因为在硬件设备相同的条件下，可以部署数量更多的容器实例，这也意味着更高的效率和更大的效益。然而，容器是将应用打包并以进程的形式运行在操作系统上的，因此应用之间并不是完全隔离，这是容器虚拟化的一大缺陷。

3 虚拟化技术的特点

3.1 对硬件操控性强，可有效降低管理成本

大多数虚拟机在性能与物理机十分接近，这是因为虚拟机可直接对硬件进行操控，其指令可直接在硬件上运行，当然也有少数敏感指令会由VMM来处理。从用户层面上看，通过对物理资源的封装抽象、实现负载管理自动化等途径，虚拟机可在很大程度上减少对物理资源管理的难度和复杂性，从而有效提高工作人员的效率：

3.2 增强资源可控性，提高资源利用率

虚拟化技术可根据应用的实际需要，实现对物理资源和资源池的动态分配与共享，从而提高资源利用率，尤其对于需求量远高于实际拥有量的资源，这种动态分配能最大限度提高有限资源的利用率。

3.3 提高系统兼容性

虚拟技术一方面可通过动态的资源部署和重配置，满足不断变化的业务需求。另一方面也支持多种操作系统和硬件平台，并能提供底层物理资源无法提供的与各种接口和协议的兼容性。

3.4 提高安全性、可用性和可移植性

虚拟机可提供隔离封闭的运行空间，从而确保对数据和服务的访问能以可控和安全的方式进行。同时，在虚拟机的支持下，对物理资源进行删除、更改、升级等操作，并不影响用户应用的正常运行。如果物理主机发生故障或者因为其它原因停机，虚拟机可以迅速移植到其它物理主机上，从而生产或者服务不会停止；物理主机故障修复后，还可以迅速移植回去，从而充分利用硬件资源。

4 虚拟化技术研究热点及发展趋势

4.1 虚拟化技术研究的重点将有所变化

就当前来看，随着硬件辅助虚拟化技术的日趋成熟以及各个虚拟化厂商对自身软件虚拟化产品的持续优化，不同的服务器虚拟化技术在性能方面的差异日益减小。虚拟化技术的持续扩张遇到的障碍将主要集中在虚拟化的性能、虚拟化软件与存储等设备的兼容性、虚拟化环境的安全以及其他管理方面的问题，未来，虚拟化技术的发展热点将主要集中在安全、存储、管理。

4.2 桌面平台虚拟化及其连接协议标准化将是未来发展的重

点

现阶段，资源整合主要是通过服务器虚拟化实现的，这也是虚拟化技术得到广泛应用的主要原动力，服务器虚拟化的部署远比桌面或者存储虚拟化等多。但从整体来看，桌面和应用虚拟化在虚拟化技术的下一步发展中处于优先地位，仅次于服务器虚拟化。未来，桌面平台虚拟化将得到大量部署。目前，主要的桌面虚拟化连接协议包括MicroSoft的RDP，VMware的PCOIP，Citrix的ICA等。国内比较有影响的是方物软件的FAP。由于多种连接协议存在，且没有统一的标准，因此，针对不同的云平台，终端将需要支持和安装多种虚拟化客户端软件，这将造成终端的复杂性和资源的浪费，也给用户的使用带来不便，从而制约整个行业的发展。所以，标准化的桌面连接协议是下一步研究的重点，它将解决终端和云平台之间的兼容性问题，为整个云应用的发展奠定基础。

4.3 虚拟化客户端硬件化将进一步普及

目前，与传统计算机所拥用的丰富的多媒体设备相比较，由于桌面虚拟化和应用虚拟化技术的相对滞后，其带给客户的体验远远不及前者。这主要是因为针对富媒体硬件辅助虚拟化技术还处于起步阶段，但随着虚拟化技术的不断成熟和应用的进一步扩展，对富媒体的硬件辅助虚拟技术将不断加强，从而全方位提升终端用户体验的质量和感观。尤其是对于数量众多的拥有智能手机的移动用户而言，如果虚拟化技术能不断发展达到用户要求而被接受，将极大提升虚拟化技术的应用规模和水平。