一文帶你了解虛擬機(jī)

今天的許多前沿技術(shù)，如云計(jì)算、邊緣計(jì)算和微服務(wù)，都源于虛擬機(jī)的概念——將操作系統(tǒng)和軟件實(shí)例從底層物理計(jì)算機(jī)中分離出來(lái)。

什么是虛擬機(jī)？

虛擬機(jī)指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在虛擬機(jī)中，一臺(tái)或多臺(tái)客戶機(jī)可以運(yùn)行在一臺(tái)主機(jī)上。 虛擬機(jī)的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代早期。每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的操作系統(tǒng)，獨(dú)立于其他虛擬機(jī)，即使它們位于同一物理主機(jī)上。虛擬機(jī)通常運(yùn)行在服務(wù)器上，但也可以運(yùn)行在桌面系統(tǒng)上，甚至是嵌入式平臺(tái)上。多個(gè)虛擬機(jī)可以共享一個(gè)物理主機(jī)的資源，包括 CPU 周期、網(wǎng)絡(luò)帶寬和內(nèi)存。 虛擬機(jī)在過(guò)去的20年里獲得了很大的發(fā)展，企業(yè)通過(guò)服務(wù)器虛擬化可以更有效地利用其物理服務(wù)器的計(jì)算能力，減少物理服務(wù)器的數(shù)量并節(jié)省數(shù)據(jù)中心的空間。

虛擬機(jī)如何工作？

一般來(lái)說(shuō)，有兩種類型的虛擬機(jī)：程序虛擬機(jī)（將單個(gè)程序分開(kāi)）和系統(tǒng)虛擬機(jī)（將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序與物理計(jì)算機(jī)完全分離）。程序虛擬機(jī)的例子包括 Java 虛擬機(jī)、.NET Framework 和 Parrot 虛擬機(jī)。 系統(tǒng)虛擬機(jī)依賴管理程序（hypervisor）作為中間人，提供軟件對(duì)硬件資源的訪問(wèn)。hypervisor模擬計(jì)算機(jī)的 CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)和其他硬件資源，創(chuàng)建一個(gè)資源池，可以根據(jù)各個(gè)虛擬機(jī)的特定需求將資源分配給它們。Hypervisor 可以支持多個(gè)相互隔離的虛擬硬件平臺(tái)，使虛擬機(jī)能夠在同一物理主機(jī)上運(yùn)行 Linux 和 Windows Server 操作系統(tǒng)。 該領(lǐng)域的知名企業(yè)包括 VMware (ESX/ESXi)、Intel/Linux Foundation (Xen)、Oracle（適用于 SPARC 的 MV 服務(wù)器和適用于 x86 的 Oracle VM 服務(wù)器）和微軟（Hyper-V）。 臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也可以使用虛擬機(jī)。例如Mac 用戶在自己的Mac上運(yùn)行虛擬Windows系統(tǒng)。

管理程序有哪兩種類型？

管理程序負(fù)責(zé)管理資源，并將資源分配給虛擬機(jī)使用。它還可以根據(jù)管理程序和虛擬機(jī)的配置方式來(lái)調(diào)度和調(diào)整資源的分配方式，并且可以根據(jù)需求波動(dòng)重新分配資源。大多數(shù)虛擬機(jī)管理程序可分為以下兩類:

Type1：裸機(jī)管理程序直接在物理主機(jī)上運(yùn)行，并且可以直接訪問(wèn)硬件。這類管理程序通常在服務(wù)器上運(yùn)行，通常比 2 類管理程序更高效、性能更好，非常適合服務(wù)器、桌面和應(yīng)用程序虛擬化。這類管理程序包括 Microsoft Hyper-V 和 VMware ESXi。

Type2：有時(shí)稱為托管管理程序，這類管理程序安裝在主機(jī)操作系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)管理對(duì)硬件資源的調(diào)用，通常部署在最終用戶系統(tǒng)上。這類管理程序包括 VMware Workstation 和 Oracle VirtualBox。

虛擬機(jī)有什么優(yōu)勢(shì)？

由于軟件與物理主機(jī)分離，用戶可以在單個(gè)硬件上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，從而節(jié)省企業(yè)的時(shí)間、管理成本和物理空間。虛擬機(jī)還可以支持舊版應(yīng)用程序，從而減少或消除將舊應(yīng)用遷移到更新或不同操作系統(tǒng)的需求和成本。 此外，開(kāi)發(fā)人員可以使用虛擬機(jī)在安全的沙盒環(huán)境中測(cè)試應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)人員想知道他們的應(yīng)用程序是否能在新的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，可以利用虛擬機(jī)來(lái)測(cè)試他們的軟件，而不必提前購(gòu)買新的硬件和操作系統(tǒng)。這也有助于隔離惡意軟件，由于虛擬機(jī)內(nèi)的軟件無(wú)法篡改主機(jī)，惡意軟件無(wú)法傳播。

虛擬機(jī)的缺點(diǎn)是什么？

虛擬機(jī)同樣也存在一些缺點(diǎn)。在一臺(tái)物理主機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致性能不穩(wěn)定，尤其是在不滿足特定應(yīng)用程序的基礎(chǔ)架構(gòu)要求的情況下。這也使它們?cè)诤芏嗲闆r下比物理計(jì)算機(jī)效率低。 此外，如果物理服務(wù)器崩潰，在其上運(yùn)行的所有應(yīng)用程序都會(huì)崩潰。

還有哪些其他形式的虛擬化？

虛擬機(jī)在服務(wù)器虛擬化方面的成功促使虛擬化應(yīng)用到了很多其他領(lǐng)域，包括存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和桌面。 在網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面的探索包括NaaS（網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)）和NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化），通過(guò)商用服務(wù)器代替專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更靈活和可擴(kuò)展的服務(wù)。這與SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）略有不同，SDN是將網(wǎng)絡(luò)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)更自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)資源分配和基于策略的網(wǎng)絡(luò)資源管理。VNF（虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）是可以在 NFV 環(huán)境中運(yùn)行的基于軟件的服務(wù)，包括路由、防火墻、負(fù)載平衡、廣域網(wǎng)加速和加密等。

虛擬機(jī)和容器

虛擬機(jī)的增長(zhǎng)促進(jìn)了容器等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使這一概念又向前邁進(jìn)了一步。容器可以對(duì)單個(gè)應(yīng)用程序及其依賴項(xiàng)進(jìn)行虛擬化。與虛擬機(jī)相比，容器的開(kāi)銷要少得多，只包含二進(jìn)制文件、庫(kù)和應(yīng)用程序。 雖然有些人認(rèn)為容器的開(kāi)發(fā)可能會(huì)扼殺虛擬機(jī)，但虛擬機(jī)有足夠的能力和優(yōu)勢(shì)來(lái)推動(dòng)技術(shù)向前發(fā)展。例如，在同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序或在舊操作系統(tǒng)上運(yùn)行傳統(tǒng)應(yīng)用程序時(shí)，虛擬機(jī)仍然發(fā)揮很大作用。 此外，還有人認(rèn)為容器不如虛擬機(jī)管理程序安全，因?yàn)槿萜髦挥幸粋€(gè)應(yīng)用程序共享的操作系統(tǒng)，而虛擬機(jī)可以隔離應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。 IDC 軟件定義計(jì)算部門的研究經(jīng)理 Gary Chen 在IDC的《2019-2022年全球虛擬機(jī)軟件預(yù)測(cè)》中寫道:“虛擬機(jī)軟件市場(chǎng)非常有彈性，并將在未來(lái)五年繼續(xù)積極增長(zhǎng)，盡管該市場(chǎng)已經(jīng)非常成熟并接近飽和?！?

虛擬機(jī)、5G 和邊緣計(jì)算

虛擬機(jī)被視為 5G 和邊緣計(jì)算等新技術(shù)的一部分。例如，微軟、VMware 和 Citrix 等虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu) (VDI) 供應(yīng)商正在尋找將其 VDI 系統(tǒng)擴(kuò)展到居家辦公的方式，作為疫情后混合辦公方式的補(bǔ)充。 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Mahadev Satyanarayanan說(shuō):“使用VDI，你需要極低的延遲，因?yàn)槟慊旧鲜前涯愕逆I盤敲擊和鼠標(biāo)移動(dòng)發(fā)送到遠(yuǎn)程桌面?！?009年，Satyanarayanan寫了一篇文章，介紹了如何利用基于虛擬機(jī)的云為互聯(lián)網(wǎng)邊緣的移動(dòng)設(shè)備提供更好的處理能力，這促進(jìn)了邊緣計(jì)算的發(fā)展。 在 5G 無(wú)線領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)切片過(guò)程使用SDN和 NFV 技術(shù)來(lái)幫助將網(wǎng)絡(luò)功能安裝到虛擬服務(wù)器上的虛擬機(jī)上，以提供曾經(jīng)只能在專有硬件上運(yùn)行的服務(wù)。 就像今天使用的許多其他技術(shù)一樣，如果沒(méi)有幾十年前引入的原始虛擬機(jī)的概念，這些新興的創(chuàng)新就不會(huì)得到發(fā)展。

編輯：何安