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云计算如今已是一个相当热门的概念，各行各业包括政府，云建设都如火如荼地进行。华为正借助开源技术，向不同领域的客户提供多样化的云服务,包括提供全面的私有云、公有云和混合云。云简而言之就是把IT资源服务化。过去办公场景中我们每人一台PC，拥有独立的IT资源，而云可以将IT资源按需分配给需要的租户，实现按需、弹性拓展。以前每个人一台PC。现在大家共享一台超级PC，按需访问，不用时资源自动释放，可供其他用户使用，这样资源得以最大化利用，并且可以按需扩展，及时满足使用需求。
深入内容参考「 「、「 」、「 」，主要介绍虚拟化的产生与发展， KVM的CPU、内存和IO虚拟化，ARM和X86的比较。
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云操作系统功能有些类似，但功能更复杂。云操作系统它负责管理和调配一个或多个数据中心的硬件资源，这些资源可能由数量巨大的服务器、存储设备组成，并逻辑上把它们整合一台虚拟计算机系统，供上层云应用使用。为了提升硬件资源使用效率，一台硬件设备会首先被虚拟成多个具备独立功能的虚拟设备，以便同时供多个应用调用，这就涉及到虚拟化技术，这也是云操作系统的关键技术之一。而当前具备这种虚拟化功能的技术维基百科列举的就有超过60种，其中有四种虚拟化技术是当前最为成熟而且运用最广泛的，分别是：VMware的ESX、微软Hyper-V、开源的Xen和KVM等，下面将针对这4种虚拟化技术架构进行分析。
一、虚拟化架构分析
1、虚拟化架构
从虚拟化的实现方式来看，虚拟化架构主要有三种形式：寄居虚拟化架构、裸金属虚拟化架构和操作系统虚拟化架构，其性能及主流产品如下
以虚拟化架构维度，分类如下
寄居虚拟化架构：Hypervisor运行在基础操作系统上，构建出一整套虚拟硬件平台，支持创建各种操作系统类型虚拟机。代表性产品：VMware WorkStation、Redhat KVM。优点：简单、易实现。缺点：上层Guest OS的处理需要逐层转换，发送到底层进行处理，依赖于Host OS。
裸金属虚拟化架构：Hypervisor直接运行在硬件上，直接与硬件交互提升效率。代表性产品：VMware ESXServer、Citrix XenServer、Microsoft Hyper-V。优点：交互效率提升，不依赖操作系统。
操作系统虚拟化架构：隔离性差，最后一种不常用，虚拟机运行在传统操作系统上，创建一个独立的虚拟化实例（容器Container），指向底层托管操作系统，缺点是操作系统唯一，如果底层操作系统跑的是Windows，那么VPS/VE就都得跑Windows，
在宿主架构中的虚拟机作为主机操作系统的一个进程来调度和管理，裸金属架构下 则不存在主机操作系统，它是以Hypervisor直接运行在物理硬件之上，即使是有类似主机操作系统的父分区或Domain 0，也是作为裸金属架构下的虚拟机存在的。宿主架构通常用于个人PC上的虚拟化，如WindowsVirtual PC，VMware Workstation，Virtual Box，Qemu等，而裸金属架构通常用于服务器的虚拟化。
2、虚拟化技术
以虚拟化技术维度，分类如下
全虚拟化：也称为原始虚拟化技术，运行在虚拟机上的操作系统通过Hypervisor来最终分享硬件，所以虚拟机发出的指令需经过Hypervisor捕获并处理。
半虚拟化：半虚拟化技术是后来才出现的技术，它就是在全虚拟化的基础上，把客户操作系统进行了修改，增加了一个专门的API，这个API可以将客户操作系统发出的指令进行最优化，即不需要Hypervisor耗费一定的资源进行翻译操作，因此Hypervisor的工作负担变得非常的小，因此整体的性能也有很大的提高。
硬盘辅助虚拟化：Hypervisor可以在部分功能上与硬件直接交互，提升性能。比如在CPU性能较差的网络IO方面与硬件直接交互。
二、ESX虚拟化架构
ESX虚拟化架构示意图
ESX是VMware的企业级虚拟化产品，ESX服务器启动时，首先启动Linux Kernel，通过这个操作系统加载虚拟化组件，最重要的是ESX的Hypervisor组件，称之为VMkernel，VMkernel会从 LinuxKernel完全接管对硬件的控制权，而该Linux Kernel作为VMkernel的首个虚拟机，用于承载ESX的serviceConsole，实现本地的一些管理功能。
VMkernel负责为所承载的虚拟机调度所有的硬件资源，但不同类型的硬件会有些区别。
虚拟机对于CPU和内存资源是通过VMkernel直接访问，最大程度地减少了开销，CPU的直接访问得益于CPU硬件辅助虚拟化(Intel VT-x和AMD AMD-V，第一代虚拟化技术)，内存的直接访问得益于MMU(内存管理单元)硬件辅助虚拟化。
虚拟机对于I/O设备的访问则有多种方式，以网卡为例，有两种方式可供选择：一是利用I/O MMU硬件辅助虚拟化的VMDirectPath I/O，使得虚拟机可以直接访问硬件设备，从而减少对CPU的开销；二是利用半虚拟化的设备VMXNETx，网卡的物理驱动在VMkernel中，在虚拟机中装载网卡的虚拟驱动，通过这二者的配对来访问网卡，与仿真式网卡相比有着较高的效率。半虚拟化设备的安装是由虚拟机中 VMware tool来实现的，可以在Windows虚拟机的右下角找到它。
三、Hyper-V虚拟化架构
Hyper-V虚拟化架构示意图
Hyper-V是微软新一代的服务器虚拟化技术，首个版本于2008年7月发布，Hyper-V有两种发布版本：一是独立版，如Hyper-V Server 2008，以命令行界面实现操作控制，是一个免费的版本；二是内嵌版，如Windows Server 2008，Hyper-V作为一个可选开启的角色。
其实Hypervisor仅实现了CPU的调度和内存的分配，而父分区控制着I/O设备，它通过物理驱动直接访问网卡、存储等。子分区要访问I/O设备需要通过子分区操作系统内的VSC(虚拟化服务客户端)，对VSC的请求由VMBUS（虚拟机总线）传递到父分区操作系统内的VSP(虚拟化服务提供者)，再由VSP重定向到父分区内的物理驱动，每种I/O设备均有各自的VSC和VSP配对，如存储、网络、视频和输入设备等，整个I/O设备访问过程对于子分区的操作系统是透明的。其实在子分区操作系统内，VSC和VMBUS就是作为I/O设备的虚拟驱动，它是子分区操作系统首次启动时由Hyper-V 提供的集成服务包安装，这也算是一种半虚拟化的设备，使得虚拟机与物理I/O设备无关。如果子分区的操作系统没有安装Hyper-V集成服务包或者不支持 Hyper-V集成服务包(对于这种操作系统，微软称之为Unenlightened OS，如未经认证支持的Linux版本和旧的Windows版本)，则这个子分区只能运行在仿真状态。其实微软所宣称的启蒙式 (Enlightenment)操作系统，就是支持半虚拟化驱动的操作系统。
Hyper-V的Hypervisor是一个非常精简的软件层，不包含任何物理驱动，物理服务器的设备驱动均是驻留在父分区的Windows Server 2008中，驱动程序的安装和加载方式与传统Windows系统没有任何区别。因此，只要是Windows支持的硬件，也都能被Hyper-V所兼容。
四、Xen虚拟化架构
XEN的虚拟化架构示意图
相对于ESX和Hyper-V来说，XEN支持更广泛的CPU架构，前两者只支持CISC的X86/X86_64 CPU架构，XEN除此之外还支持RISC CPU架构，如IA64、ARM等。
XEN的Hypervisor是服务器经过BIOS启动之后载入的首个程序，然后启动一个具有特定权限的虚拟机，称之为Domain 0(简称Dom 0)。Dom 0的操作系统可以是Linux或Unix，Domain 0实现对Hypervisor控制和管理功能。在所承载的虚拟机中，Dom 0是唯一可以直接访问物理硬件(如存储和网卡)的虚拟机，它通过本身加载的物理驱动，为其它虚拟机(Domain U，简称DomU)提供访问存储和网卡的桥梁。
XEN支持两种类型的虚拟机，一类是半虚拟化，另一类是全虚拟化(XEN称其为 HVM)。半虚拟化需要特定内核的操作系统，如基于Linux paravirt_ops(Linux内核的一套编译选项)框架的Linux内核，而Windows操作系统由于其封闭性则不能被XEN的半虚拟化所支持，XEN的半虚拟化有个特别之处就是不要求CPU具备硬件辅助虚拟化，这非常适用于2007年之前的旧服务器虚拟化改造。全虚拟化支持原生的操作系统， 特别是针对Windows这类操作系统，XEN的全虚拟化要求CPU具备硬件辅助虚拟化，它修改的Qemu仿真所有硬件，包括：BIOS、IDE控制器、 VGA显示卡、USB控制器和网卡等。
五、KVM虚拟化架构
KVM虚拟化架构示意图
KVM 与XEN类似，KVM支持广泛的CPU架构，除了X86/X86_64 CPU架构之外，还将会支持大型机(S/390)、小型机(PowerPC、IA64)及ARM等。
KVM充分利用了CPU的硬件辅助虚拟化能力，并重用了Linux内核的诸多功能，使得KVM本身是非常瘦小的，KVM的创始者Avi Kivity声称KVM模块仅有约10000行代码，但我们不能认为KVM的Hypervisor就是这个代码量，因为从严格意义来说，KVM本身并不是 Hypervisor，它仅是Linux内核中的一个可装载模块，其功能是将Linux内核转换成一个裸金属的Hypervisor。
KVM 用来模拟 CPU 的运行，但缺少了对 Network 和 I/O 的支持。QEMU-KVM 是一个完整的模拟器，它基于 KVM 上，提供了完整的 Network 和 I/O 支持。其中 Openstack 为了跨 VM 性，所以不会直接控制 QEMU-KVM，而是通过 libvit 的库去间接控制 QEMU-KVM 。
KVM利用修改的QEMU提供BIOS、显卡、网络、磁盘控制器等的仿真，但对于I/O设备(主要指网卡和磁盘控制器)来说，则必然带来性能低下的问题。因此，KVM也引入了半虚拟化的设备驱动，通过虚拟机操作系统中的虚拟驱动与主机Linux内核中的物理驱动相配合，提供近似原生设备的性能。从此可 以看出，KVM支持的物理设备也即是Linux所支持的物理设备。
六、总结
当前具备虚拟化功能的技术有多种，如微软Hyper-V、VMware Vsphere、KVM、Xen等，为了方便管理多种虚拟化技术并向上提供统一、标准的接口。
传统概念下的半虚拟化和全虚拟化的界线越来越模糊了，而且半虚拟化和全虚拟化得到了有机的整合，如半虚拟化的设备驱动和全虚拟化的虚拟机在上述四种虚拟化架构中得到了统一，很多虚拟化厂商也不再明确自己的虚拟化产品归类(如VMware和微软)。
随着CPU硬件辅助虚拟化技术发展到了二代，而且新版的操作系统对虚拟化技术的原生支持(如Windows7的Natively Enlightened，Linux的paravirt_ops内核选项)，以及Hypervisor对虚拟机的CPU调度和内存管理越来越少的干预。则软件做得越少而硬件做得越多，如虚拟机之间内存管理所需用到的地址翻译由软件的影式分页(Shadow Paging)转变为由CPU硬件加速的嵌套分页(Nested Paging)，各种虚拟化技术既有全虚拟化技术对操作系统的兼容性，又有半虚拟化技术所带来的性能优势。
从架构上来看，各种虚拟化技术没有明显的性能差距，稳定性也在逐渐逼近中，各自有着自身的优势场景和市场群体。因此，我们在进行虚拟化技术选型时，不应局限于某一种虚拟化技术，而应该有一套综合管理平台实现对各种虚拟化技术的兼容并蓄，实现不同技术架构的统一管理及跨技术架构的资源调度，最终达到云计算可运营的目。众望所归我司扮演重要角色的OpenStack就是这样一个平台。
来源：
https://support.huawei.com/enterprise/zh/knowledge/EKB1002005920
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