服务器虚拟化技术深度科普

从IBM大型机的虚拟化技术说起，服务器虚拟化的发展历程可谓源远流长。从早期的z/VM在z系列大型机上的实现，到今天我们所熟知的CPU虚拟化、内存虚拟化等，技术不断演进，深度不断扩展。尽管容器技术风头正劲，但在许多场景中，服务器虚拟化技术依然具有不可替代的价值。对于想要踏入云计算领域的初学者来说，深入理解服务器虚拟化仍然具有重要意义。

服务器虚拟化技术的核心在于其分区技术，这一技术使得多个虚拟机可以在同一物理服务器上共享资源，每个虚拟机只能看到虚拟化层为其提供的虚拟硬件。这种技术带来了虚拟机之间的隔离性，一个虚拟机的崩溃或故障不会影响到其他虚拟机。虚拟化技术的封装特性使得整个虚拟机可以在文件形式下被复制、保存和移动，极大地提高了系统的灵活性和可扩展性。

在CPU虚拟化方面，服务器虚拟化技术可分为全虚拟化、半虚拟化以及硬件辅助虚拟化。CPU本身具有不同的运行级别和权限，为了保证虚拟机的稳定运行，虚拟化平台需要解决在执行敏感指令时可能出现的问题。全虚拟化通过二进制转换提供到物理资源的接口，模拟硬件环境；半虚拟化则通过改变Guest OS的部分代码，通过Hypercall处理特权指令；硬件辅助虚拟化则通过引入新的指令和运行模式，提高虚拟机的运行效率。

裸金属虚拟化和混合虚拟化架构代表了未来虚拟化架构的发展趋势。它们配合硬件辅助虚拟化技术，可以达到接近物理机的运行性能。随着技术的不断进步，服务器虚拟化将在云计算领域发挥更加重要的作用。对于初学者来说，深入了解并掌握这些技术，将为他们在云计算领域的发展打下坚实的基础。内存虚拟化

在虚拟环境中，虚拟化管理程序模拟内存分配，确保虚拟机的内存符合客户机操作系统（OS）的预设和认知。面对物理内存被多个客户操作系统同时使用的挑战，如何解决物理内存分配并确保客户机OS内存连续性是一大关键。

为解决这一问题，引入了客户机物理地址空间的新层次，为虚拟机OS呈现一个虚拟的物理地址，而虚拟化管理程序负责将这些地址转化为物理地址供物理处理器执行。也就是说，为每个虚拟机维护一个从客户机物理地址到宿主机物理地址的映射关系。当虚拟机尝试访问客户机物理地址时，虚拟化管理程序会截获这些请求并将其转化为物理地址。

关于内存虚拟化技术，我们可以进一步了解：

内存全虚拟化：为每个Guest（客户机）维护一个影子页表，该页表记录虚拟地址（VA）到机器地址（MA）的映射关系。

内存半虚拟化技术：当Guest OS创建新的页表时，它会向VMM（虚拟化管理程序）注册。之后，VMM将不断管理和维护这个表，使得Guest上的程序能够直接访问到合适的地址。

硬件辅助内存虚拟化：在原有的页表基础上增加了EPT（扩展页表），通过这个页表，Guest的物理地址可以直接翻译为主机的物理地址。

I/O虚拟化技术

在虚拟化后，服务器的以太网端口被分割，网络、存储及服务器间的流量可能会成为瓶颈。当遇到I/O瓶颈时，CPU会空闲等待数据，导致计算效率降低。虚拟化必须扩展至I/O系统，实现工作负载、存储及服务器间的动态带宽共享，最大化利用网络接口。

I/O虚拟化的目标不仅是让虚拟机访问所需的I/O资源，更重要的是做好隔离工作并减轻虚拟化带来的开销。具体技术包括：

全虚拟化：通过模拟I/O设备（如磁盘和网卡）实现虚拟化。Guest OS看到的是一组统一的I/O设备。VMM截获这些请求并通过软件模拟真实硬件。这种方式对Guest而言非常透明。

半虚拟化：采用前端和后端架构，将Guest的I/O请求通过环状队列传递到特权域（Domain0）。

硬件辅助虚拟化：以Intel的VT-d/VT-c、AMD的IOMMU和PCI-SIG的IOV为代表。例如，VMDq通过为每台虚拟机在物理网卡中分配独立队列，实现流量直接通过软件交换机发送。SR-IOV则通过创建虚拟功能（VF）实现虚拟机与物理网卡的直接通信。

Intel硬件对虚拟化的支持

Intel的VT-x技术为IA 32处理器增加了两种操作模式，以支持虚拟化。VMM运行在VMX root operation模式，而Guest OS运行在VMX non-root operation模式。这两种模式都支持Ring 0-Ring 3特权运行级别，使VMM和Guest OS可以自由选择运行级别。VT-x允许虚拟机直接执行某些指令，减少VMM的负担。而VT-d则在芯片组中实现，允许虚拟机直接访问I/O设备。VT-c主要在网卡上实现，包括VMDq和VMDc两大核心技术，通过网卡硬件优化虚拟机之间的数据包分类和传输。在VMDc的技术架构下，虚拟机不再受限于间接访问网卡设备的束缚，而是可以直接与网卡设备进行交互。这一功能的实现得益于Single Root I/O Virtualization（SR-IOV），它是PCI-SIG规范的一部分，能够有效将一个PCIe设备分配给多个虚拟机，确保它们能够直接访问。

与此可信执行技术（TXT）通过运用先进的模块芯片，致力于保护用户计算机免受各类安全威胁的侵袭。这项技术的独特之处在于，它通过控制硬件内核和子系统来严格管理计算机资源的访问，从而杜绝了计算机病毒、恶意代码、间谍软件等安全隐忧的存在。

在GPU技术领域，GPU直通、GPU共享和GPU虚拟化是三种重要的技术形态。GPU直通直接将GPU设备分配给虚拟机使用，功能专一，但只能满足单一虚拟机的需求。而GPU共享则通过设立GPU server和GPU client，构建了一种高速的通讯机制，使得GPU设备能够在server和client之间共享，其功能实现完全依赖于GPU server的配置。

更为值得关注的是GPU虚拟化技术。通过VGX GPU硬件虚拟化功能，一个物理GPU设备可以被虚拟化成多个vGPU，这意味着多个虚拟机可以同时直接使用该GPU设备。这些vGPU不仅能够分时共享物理GPU的3D图形引擎和视频编解码引擎，而且每个vGPU还拥有独立的显存资源。系统智能分配物理GPU设备的处理能力给各个虚拟机，确保它们互不干扰，为虚拟化环境带来了更高的效率和灵活性。

这些技术革新了计算机硬件资源的访问方式，使得虚拟机能够更加高效、灵活地运用硬件资源，从而提高了整体的系统性能和使用体验。