浅析虚拟化和Intel硬件虚拟技术

　　UNIX可能很多人都不了解，不过对很多伴随电脑长大的朋友而言，相信很多人都用过虚拟光驱软件。虚拟光驱软件就是一种虚拟技术，通过这种软件它可以将本来在物理硬件中没有的光驱虚拟出来，并且让它在操作系统中真实的存在——在操作系统中完全就是一个真正的光驱。

　　在虚拟光驱的实现过程中，通过程序对系统的欺骗，在硬盘上某个区块的数据，就被解释转换成为了光盘的数据。通过系统读取，我们就可以在“光驱”中读出这些实际在硬盘上的数据。

　　而虚拟技术，在本质上来说，其实和虚拟光驱是完全一样的。

　　以目前最常应用的虚拟操作系统而言，其实就是可以让一个或者多个操作系统在另外一个平台上运行。比如，在Windows中运行另外一个Linux系统，或者在Linux系统中跑另外一个Windows，这些实际上已经是不少用户做过的事情。Windows下的操作系统模拟软件，相信有一部分人都是实际使用过的。

　　实际上在虚拟化中，所有虚拟的操作系统都是运行在VMM(Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)。而这个VMM也就是可以看作一个特殊的操作系统，其余的虚拟操作系统就如同安装的应用程序一般，运行在VMM上。虚拟操作系统很多情况下是通过VMM(Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)来与硬件进行数据通信，由VMM来决定其对系统上所有虚拟机的访问。也就是说，在VMM之上运行的所有虚拟操作系统，和实际上电脑之间的硬件数据交换都是通过VMM来进行处理的。

　　这其实就是目前大多数的虚拟技术在做的事情——将一个或者多个操作系统运行在VMM之上。
　　
在纯软件虚拟化解决方案中，VMM在软件套件中的位置是传统意义上操作系统所处的位置，而操作系统的位置是传统意义上应用程序所处的位置。这一额外的通信层需要进行二进制转换，以通过提供到物理资源(如处理器、内存、存储、显卡和网卡等)的接口，模拟硬件环境。

　　简单来说，操作系统运行在硬件之上，就需要和硬件之间打交道。而在传统的过程中，操作系统对硬件所有的控制都是翻译成为二进制数据来进行的。但是在虚拟操作系统中，操作系统是运行在VMM的虚拟硬件环境中，一切和硬件打交道的数据都是通过VMM来进行的。那么对虚拟操作系统而言，用户在虚拟操作系统上的操作，将首先被机器翻译为专门的二进制数据给虚拟硬件环境(实际上就是VMM)，然后还需要再通过一次翻译将这些数据翻译为VMM这个操作系统能够“读懂”的数据，再通过VMM对实际的物理硬件进行翻译。

　　不过，对传统的纯软件虚拟化解决方案而言，虚拟的操作系统在和硬件之间进行数据通信的过程中，所有的数据需要全部被翻译一次，以便VMM可以理解并且实际来控制硬件。这种转换必然会增加系统的复杂性，此外，客户操作系统的支持受到虚拟机环境的能力限制，这会阻碍特定技术的部署，如64位客户操作系统。在纯软件解决方案中，软件堆栈增加的复杂性意味着，这些环境难于管理，因而会加大确保系统可靠性和安全性的困难。

　　而CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能。虚拟化技术可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM软件能够改进纯软件解决方案。由于虚拟化硬件可提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，从而无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写，性能更加强大。另外，在纯软件VMM中，目前缺少对64位客户操作系统的支持，而随着64位处理器的不断普及，这一严重缺点也日益突出。而CPU的虚拟化技术除支持广泛的传统操作系统之外，还支持64位客户操作系统。

　　同样的简单来说，正如同当年英特尔通过加入MMX指令使得处理器对多媒体应用性能得到了大大的提升，在电脑上播放VCD再也不需要专门的解压卡而仅凭借处理器的运算能力就足够了。英特尔新的虚拟化技术，也是通过在处理器的内部加入专门的支持虚拟化的硬件指令，使得电脑在运行虚拟化软件和虚拟操作系统时的性能大幅度提升，将原本大量需要由软件进行的翻译工作、对平台控制权切换等复杂的工作全部交给了处理器硬件来直接处理，减轻了VMM工作时的运算负担。

　　一般来说，基于硬件的解决方案比基于软件的解决方案更加高效安全，这一点相信大家都可以感受的到，最好的例子就是在玩3D游戏时软加速的效果和硬加速的效果相差甚远，并且后者的对游戏速度的提升更高。如果采用软加速，哪怕购买市场中最好的处理器，可能也无法达到满意的画面效果，而选用一款中等的处理器加一张主流显卡，往往就可以轻松达到纯处理器无法达到的画面效果。

　　我们可以了解到的是，虚拟技术就是使一个虚拟操作系统可以运行在VMM之上。而类似于英特尔处理器内部内建的硬件虚拟技术，则可以使得虚拟操作系统运行在VMM上的时候更加安全高效。