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用户可以买走一个 64 核 CPU 机器中的 0.25 个 CPU也可以买走一个 128GB 内存机器中的 512M 内存还可以买走 1/2 台机器三个小时了执行时间。
实现以上这些就需要虚拟化技术。以虚拟化技术中两种最具代表性的设计——VMware 和 Docker为你解读解虚拟化技术。
什么是“虚拟化”
顾名思义虚拟是相对于现实而言。虚拟化Virutualization通常是指构造真实的虚拟版本。不严谨地说用软件模拟计算机就是虚拟机用数字模拟价值就是货币用存储空间模拟物理存储就是虚拟磁盘。VMware 和 Docker 是目前虚拟化技术中最具代表性的两种设计。VMware 为应用提供虚拟的计算机虚拟机Docker 为应用提供虚拟的空间被称作容器Container。VMware在 1998 年诞生通过 Hypervisor 的设计彻底改变了虚拟化技术。2005 年VMware 不断壮大在全球雇用了 1000 名员工成为世界上最大的云基础架构提供商。Docker则是 2013 年发布的一个社区产品后来逐渐在程序员群体中流行了起来。大量程序员开始习惯使用 Docker所以各大公司才决定使用它。
虚拟机的设计
要虚拟一台计算机要满足三个条件隔离、仿真、高效。隔离Isolation 很好理解指的是一台实体机上的所有的虚拟机实例不能互相影响。这也是早期设计虚拟机的一大动力比如可以在一台实体机器上同时安装 Linux、Unix、 Windows、MacOS 四种操作系统那么一台实体机器就可以执行四种操作系统上的程序这就节省了采购机器的开销。仿真Simulation指的是用起来像一台真的机器那样包括开机、关机以及各种各样的硬件设备。在虚拟机上执行的操作系统认为自己就是在实体机上执行。仿真主要的贡献是让进程可以无缝的迁移也就是让虚拟机中执行的进程真实地感受到和在实体机上执行是一样的——这样程序从虚拟机到虚拟机、实体机到虚拟机的应用迁移就不需要修改源代码。高效Efficient的目标是减少虚拟机对 CPU、对硬件资源的占用。通常在虚拟机上执行指令需要额外负担 10~15% 的执行成本这个开销是相对较低的。因为应用通常很少将 CPU 真的用满在容器中执行 CPU 指令开销会更低更接近在本地执行程序的速度。为了实现上述的三种诉求最直观的方案就是将虚拟机管理程序 Hypervisor 作为操作系统在虚拟机管理程序Hypervisor之上再去构建更多的虚拟机。像这种管理虚拟机的架构也 称为 Type-1 虚拟机如下图所示 我们通常把虚拟机管理程序Virtual Machine MonitorVMM称为 Hypervisor。在Type-1 虚拟机中Hypervisor 一方面作为操作系统管理硬件另一方面作为虚拟机的管理程序。在 Hypervisor 之上创建多个虚拟机每个虚拟机可以拥有不同的操作系统GuestOS。
二进制翻译
通常硬件的设计假定是由单操作系统管理的。如果多个操作系统要共享这些设备就需要通过Hypervisor。当操作系统需要执行程序的时候程序的指令就通过 Hypervisor 执行。早期的虚拟机设计当中Hypervisor 不断翻译来自虚拟机的程序指令将它们翻译成可以适配在目标硬件上执行的指令。这样的设计我们称为二进制翻译。二进制翻译的弱点在于性能所有指令都需要翻译。相当于在执行所有指令的时候都会产生额外的开销。当然可以用动态翻译技术进行弥补比如说预读指令进行翻译但是依然会产生较大的性能消耗。
世界切换和虚拟化支持
另一种方式就是当虚拟机上的应用需要执行程序的时候进行一次世界切换WorldSwitch。所谓世界切换就是交接系统的控制权比如虚拟机上的操作系统进入内核接管中断成为实际的机器的控制者。在这样的条件下虚拟机上程序的执行就变成了本地程序的执行。相对来说这种切换行为相较于二进制翻译成本是更低的。为了实现世界切换虚拟机上的操作系统需要使用硬件设备比如内存管理单元MMR、TLB、DMA 等。这些设备都需要支持虚拟机上操作系统的使用比如说 TLB 需要区分是虚拟机还是实体机程序。虽然可以用软件模拟出这些设备给虚拟机使用但是如果能让虚拟机使用真实的设备性能会更好。现在的 CPU 通常都支持虚拟化技术比如 Intel 的 VT-X 和 AMD的 AMD-V也称作 Secure Virtual Machine。
Type-2 虚拟机
Type-1 虚拟机本身是一个操作系统所以需要用户预装。为了方便用户的使用VMware 还推出了 Type-2 虚拟机如下图所示 在第二种设计当中虚拟机本身也作为一个进程。它和操作系统中执行的其他进程并没有太大的区别。但是为了提升性能有一部分 Hypervisor 程序会作为内核中的驱动执行。当虚拟机操作系统Guest OS执行程序的时候会通过 Hypervisor 实现世界切换。因此虽然和Type-1 虚拟机有一定的区别但是从本质上来看差距不大同样是需要二进制翻译技术和虚拟化技术。
Hyper-V
随着虚拟机的发展现在也出现了很多混合型的虚拟机比如微软的 Hyper-v 技术。从下图中你会看到虚拟机的管理程序Parent Partition及 Windows 的核心程序都会作为一个虚拟化的节点拥有一个自己的 VMBus并且通过 Hypervisor 实现虚拟化。
在 Hyper-V 的架构当中不存在一个主的操作系统。实际上用户开机之后就在使用虚拟机Windows 通过虚拟机执行。在这种架构下其他的虚拟机比如用 VMware 管理的虚拟机也可以复用这套架构。当然你也可以直接把 Linux 安装在 Hyper-V 下只不过安装过程没有VMWare 傻瓜化其实也是很不错的选择。
容器Container
虚拟机虚拟的是计算机容器虚拟的是执行环境。每个容器都是一套独立的执行环境如下图所示容器直接被管理在操作系统之内并不需要一个虚拟机监控程序。 和虚拟机有一个最大的区别就是容器是直接跑在操作系统之上的容器内部是应用应用执行起来就是进程。这个进程和操作系统上的其他进程也没有本质区别但这个架构设计没有了虚拟机监控系统。当然容器有一个更轻量级的管理程序用户可以从网络上下载镜像启动起来就是容器。容器中预装了一些程序比如说一个 Python 开发环境中还会预装 Web 服务器和数据库。因为没有了虚拟机管理程序在中间的开销因而性能会更高。而且因为不需要安装操作系统因此容器安装速度更快可以达到 ms 级别。容器依赖操作系统的能力直接实现比如
Linux 的 CgroupsLinux Control Groups能力可以用来限制某组进程使用的 CPU资源和内存资源控制进程的资源能使用另外Linux 的 Namespace 能力可以设置每个容器能看到能够使用的目录和文件。
有了这两个能力就可以基本控制容器间的隔离容器中的应用直接以进程的身份执行即可。进程间的目录空间、 CPU 资源已经被隔离了所以不用担心互相影响。
总结
VMware 虚拟机和 Docker 容器的一些基本设计思路。虚拟机可以把一个完整的系统用若干个文件保存下来因此迁移和复制都很容易。但是与其启动一个操作系统还不如直接打开应用因此以 Docker 为代表的容器逐渐发展了起来。容器虽然达到了虚拟机同样的隔离性创建、销毁、维护成本都更低但是从安全性考虑还是要优先选用虚拟机执行操作系统。基础设施是一件大事比如操作系统会发生故障、任何应用都有可能不安全甚至容器管理程序本身也可能出现问题。因此现在更多的情况是Docker 被安装到了虚拟机上。 VMware 提供虚拟机Docker 提供容器。 虚拟机是一台完整的计算机因此需要安装操作系统。虚拟机中的程序执行在虚拟机的操作系统上为了让多个操作系统可以高效率地同时执行虚拟机非常依赖底层的硬件架构提供的虚拟化力。容器则是利用操作系统的能力直接实现隔离容器中的程序可以以进程的身份直接执行。
