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[26338] 2020-12-25_懂了！VMwareKVMDocker原来是这么回事儿

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-12-25_懂了！VMwareKVMDocker原来是这么回事儿 懂 了 ！ V M w a r e / K V M / D o c k e r 原 来 是 这 么 回 事 儿 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 1 2 - 2 5 以 下 文 章 来 源 于 编 程 技 术 宇 宙   ， 作 者 轩 辕 之 风 O 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 编 程 技 术 宇 宙 编 程 技 术 宇 宙 云 计 算 时 代 ， 计 算 资 源 如 同 小 马 哥 当 年 所 言 ， 已 经 成 为 了 互 联 网 上 的 水 和 电 。 虚 拟 主 机 、 w e b 服 务 器 、 数 据 库 、 对 象 存 储 等 等 各 种 服 务 我 们 都 可 以 通 过 各 种 各 样 的 云 平 台 来 完 成 。 而 在 云 计 算 欣 欣 向 荣 的 背 后 ， 有 一 个 重 要 的 功 臣 ， 那 就 是 虚 拟 化 技 术 虚 拟 化 技 术 。 可 以 毫 不 客 气 的 说 ， 没 有 了 虚 拟 化 技 术 ， 云 计 算 无 从 谈 起 。 说 起 虚 拟 化 你 会 想 到 什 么 ？ 从 我 们 常 用 的 虚 拟 机 三 件 套 V M w a r e 、 V i r t u a l P C 、 V i r u t a l B o x 到 如 今 大 火 的 K V M 和 容 器 技 术 D o c k e r ？ 编 程 技 术 宇 宙 编 程 技 术 宇 宙   . 一 个 文 章 很 酷 的 公 众 号 ~
这 些 技 术 是 什 么 关 系 ， 背 后 的 技 术 原 理 是 怎 样 的 ， 又 有 什 么 样 的 区 别 ， 各 自 应 用 的 场 景 又 是 什 么 样 的 ？ 看 完 这 篇 文 章 ， 相 信 大 家 都 能 回 答 上 面 问 题 。 历 史 背 景 历 史 背 景 什 么 是 虚 拟 化 技 术 ？ 维 基 百 科 中 的 解 释 是 这 样 的 ： 虚 拟 化 （ 技 术 ） 是 一 种 资 源 管 理 技 术 ， 是 将 计 算 机 的 各 种 实 体 资 源 （ C P U 、 内 存 、 磁 盘 空 间 、 网 络 适 配 器 等 ） ， 予 以 抽 象 、 转 换 后 呈 现 出 来 并 可 供 分 割 、 组 合 为 一 个 或 多 个 电 脑 配 置 环 境 。 对 于 一 台 计 算 机 ， 我 们 可 以 简 单 的 划 分 为 三 层 ： 从 下 到 上 依 次 是 物 理 硬 件 层 ， 操 作 系 统 层 、 应 用 程 序 层
1 9 7 4 年 ， 两 位 计 算 机 科 学 家 G e r a l d   P o p e k   和   R o b e r t   G o l d b e r g 发 表 了 一 篇 重 要 的 论 文 《 虚 拟 化 第 三 代 《 虚 拟 化 第 三 代 体 系 结 构 的 正 式 要 求 》 体 系 结 构 的 正 式 要 求 》 ， 在 这 篇 论 文 中 提 出 了 虚 拟 化 的 三 个 基 本 条 件 ： ： 程 序 在 本 地 计 算 机 执 行 和 在 虚 拟 机 中 执 行 应 该 表 现 出 一 样 的 结 果 （ 不 包 括 执 行 时 间 的 差 异 ） ： 虚 拟 机 彼 此 隔 离 ， 与 宿 主 计 算 机 隔 离 ： 绝 大 多 数 情 况 下 虚 拟 机 中 的 代 码 指 令 应 该 直 接 在 物 理 C P U 中 执 行 ， 少 部 分 特 殊 指 令 可 由 V M M 参 与 。 那 如 何 实 现 对 计 算 机 底 层 的 物 理 资 源 的 虚 拟 化 分 割 呢 ？ 在 计 算 机 技 术 的 发 展 历 史 上 ， 出 现 了 两 种 著 名 的 方 案 ， 分 别 是 I 型 虚 拟 化 和 I I 型 虚 拟 化 等 价 性 安 全 性 性 能
I 型 虚 拟 化 I I 型 虚 拟 化 图 中 的 V M M 意 为 V i r t u a l   M a c h i n e   M o n i t o r ， 虚 拟 机 监 控 程 序 ， 或 者 用 另 一 个 更 专 业 的 名 词 ： H y p e r V i s o r 从 图 中 可 以 清 楚 的 看 到 两 种 虚 拟 化 方 案 的 区 别 ： T y p e   I :   直 接 凌 驾 于 硬 件 之 上 ， 构 建 出 多 个 隔 离 的 操 作 系 统 环 境 T y p e   I I :   依 赖 于 宿 主 操 作 系 统 ， 在 其 上 构 建 出 多 个 隔 离 的 操 作 系 统 环 境 我 们 熟 知 的 V M w a r e 事 实 上 有 两 个 产 品 线 ， 一 个 是 V M w a r e   E S X i ， 直 接 安 装 在 裸 金 属 之 上 ， 不 需 要 额 外 的 操 作 系 统 ， 属 于 第 一 类 虚 拟 化 。 另 一 个 是 我 们 普 通 用 户 更 加 熟 知 的 V M w a r e   W o r k S t a t i o n ， 属 于 第 二 类 虚 拟 化 。 如 何 实 现 上 述 的 虚 拟 化 方 案 呢 ？ 一 个 典 型 的 做 法 是 — — 技 术 什 么 意 思 ？ 简 单 来 说 就 是 正 常 情 况 下 直 接 把 虚 拟 机 中 的 代 码 指 令 放 到 物 理 的 简 单 来 说 就 是 正 常 情 况 下 直 接 把 虚 拟 机 中 的 代 码 指 令 放 到 物 理 的 C P U 上 去 执 行 ， 一 旦 执 行 上 去 执 行 ， 一 旦 执 行 到 一 些 敏 感 指 令 ， 就 触 发 异 常 ， 控 制 流 程 交 给 到 一 些 敏 感 指 令 ， 就 触 发 异 常 ， 控 制 流 程 交 给 V M M ， 由 ， 由 V M M 来 进 行 对 应 的 处 理 ， 以 此 来 营 造 出 一 来 进 行 对 应 的 处 理 ， 以 此 来 营 造 出 一 陷 阱   &   模 拟
个 虚 拟 的 计 算 机 环 境 。 个 虚 拟 的 计 算 机 环 境 。 不 过 这 一 经 典 的 虚 拟 化 方 案 在 I n t e l   x 8 6 架 构 上 却 遇 到 了 问 题 。 全 虚 拟 化 ： 全 虚 拟 化 ： V M w a r e   二 进 制 翻 译 技 术 二 进 制 翻 译 技 术 不 同 于 8 0 8 6 时 代 1 6 位 实 地 址 工 作 模 式 ， x 8 6 架 构 进 入 3 2 位 时 代 后 ， 引 入 了 保 护 模 式 、 虚 拟 内 存 等 一 系 列 新 的 技 术 。 同 时 为 了 安 全 性 隔 离 了 应 用 程 序 代 码 和 操 作 系 统 代 码 ， 其 实 现 方 式 依 赖 于 x 8 6 处 理 器 的 工 作 状 态 。 这 就 是 众 所 周 知 的 x 8 6 处 理 器 的 R i n g 0 - R i n g 3 四 个 “ 环 ” 。 操 作 系 统 内 核 代 码 运 行 在 最 高 权 限 的 R i n g 0 状 态 ， 应 用 程 序 工 作 于 最 外 围 权 限 最 低 的 R i n g 3 状 态 ， 剩 下 的 R i n g 1 和 R i n g 2 主 流 的 操 作 系 统 都 基 本 上 没 有 使 用 。 这 里 所 说 的 权 限 ， 有 两 个 层 面 的 约 束 ： 能 访 问 的 内 存 空 间 能 执 行 的 特 权 指 令 来 关 注 一 下 第 二 点 ， 特 权 指 令 。 C P U 指 令 集 中 有 一 些 特 殊 的 指 令 ， 用 于 进 行 硬 件 I / O 通 信 、 内 存 管 理 、 中 断 管 理 等 等 功 能 ， 这 一 些 指 令 只 能 在 R i n g 0 状 态 下 执 行 ， 被 称 为 特 权 指 令 。 这 些 操 作 显 然 是 不 能 让 应 用 程 序 随 便 执 行 的 。 处 于 R i n g 3 工 作 状 态 的 应 用 程 序 如 果 尝 试 执 行 这 些 指 令 ， C P U 将 自 动 检 测 到 并 抛 出 异 常 。
回 到 我 们 的 主 题 虚 拟 化 技 术 上 面 来 ， 如 同 前 面 的 定 义 所 言 ， 虚 拟 化 是 将 计 算 资 源 进 行 逻 辑 或 物 理 层 面 的 切 割 划 分 ， 构 建 出 一 个 个 独 立 的 执 行 环 境 。 按 照 我 们 前 面 所 说 的 手 段 ， 可 以 让 虚 拟 机 中 包 含 操 作 系 统 在 内 的 程 序 统 一 运 行 在 低 权 限 的 R i n g 3 状 态 下 ， 一 旦 虚 拟 机 中 的 操 作 系 统 进 行 内 存 管 理 、 I / O 通 信 、 中 断 等 操 作 时 ， 执 行 特 权 指 令 ， 从 而 触 发 异 常 ， 物 理 机 将 异 常 派 遣 给 V M M ， 由 V M M 进 行 对 应 的 模 拟 执 行 。 这 本 来 是 一 个 实 现 虚 拟 化 很 理 想 的 模 式 ， 不 过 x 8 6 架 构 的 C P U 在 这 里 遇 到 了 一 个 跨 不 过 去 的 坎 。 到 底 是 什 么 问 题 呢 ？ 回 顾 一 下 前 面 描 绘 的 理 想 模 式 ， 要 这 种 模 式 能 够 实 现 的 前 提 是 执 行 敏 感 指 令 的 时 候 能 够 触 发 异 常 能 够 触 发 异 常 ， 让 V M M 有 机 会 介 入 ， 去 模 拟 一 个 虚 拟 的 环 境 出 来 。 但 现 实 是 ， x 8 6 架 构 的 C P U 指 令 集 中 有 那 么 一 部 分 指 令 ， 它 不 是 特 权 指 令 ， R i n g 3 状 态 下 也 能 够 执 行 ， 但 这 些 指 令 对 于 虚 拟 机 来 说 却 是 敏 感 的 ， 不 能 让 它 们 直 接 执 行 。 一 旦 执 行 ， 没 法 触 发 异 常 ， V M M 也 就 无 法 介 入 ， 虚 拟 机 就 露 馅 儿 露 馅 儿 了 ！ 这 结 果 将 导 致 虚 拟 机 中 的 代 码 指 令 出 现 无 法 预 知 的 错 误 ， 更 严 重 的 是 影 响 到 真 实 物 理 计 算 机 的 运 行 ， 虚 拟 化 所 谓 的 安 全 隔 离 、 等 价 性 也 就 无 从 谈 起 。 怎 么 解 决 这 个 问 题 ， 让 x 8 6 架 构 C P U 也 能 支 持 虚 拟 化 呢 ？ V M w a r e 和 Q E M U 走 出 了 两 条 不 同 的 路 。 V M w a r e 创 造 性 的 提 出 了 一 个 二 进 制 翻 译 技 术 二 进 制 翻 译 技 术 。 V M M 在 虚 拟 机 操 作 系 统 和 宿 主 计 算 机 之 间 扮 演 一 个 桥 梁 的 角 色 ， 将 虚 拟 机 中 的 要 执 行 的 指 令 “ 翻 译 ” 成 恰 当 的 指 令 在 宿 主 物 理 计 算 机 上 执 行 ， 以 此 来 模 拟 执 行 虚 拟 机 中 的 程 序 。 你 可 以 简 单 理 解 成 J a v a 虚 拟 机 执 行 J a v a 字 节 码 的 过 程 ， 不 同 的 是 J a v a 虚 拟 机 执 行 的 是 字 节 码 ， 而 V M M 模 拟 执 行 的 就 是 C P U 指 令 。 陷 阱   &   模 拟
另 外 值 得 一 提 的 是 ， 为 了 提 高 性 能 ， 也 并 非 所 有 的 指 令 都 是 模 拟 执 行 的 ， V M w a r e 在 这 里 做 了 不 少 的 优 化 ， 对 一 些 “ 安 全 ” 的 指 令 ， 就 让 它 直 接 执 行 也 未 尝 不 可 。 所 以 V M w a r e 的 二 进 制 翻 译 技 术 也 融 合 了 部 分 的 直 接 执 行 。 对 于 虚 拟 机 中 的 操 作 系 统 ， V M M 需 要 完 整 模 拟 底 层 的 硬 件 设 备 ， 包 括 处 理 器 、 内 存 、 时 钟 、 I / O 设 备 、 中 断 等 等 ， 换 句 话 说 ， V M M 用 纯 软 件 的 形 式 “ 模 拟 ” 出 一 台 计 算 机 供 虚 拟 机 中 的 操 作 系 统 使 用 。 这 种 完 全 模 拟 一 台 计 算 机 的 技 术 也 称 为 全 虚 拟 化 全 虚 拟 化 ， 这 样 做 的 好 处 显 而 易 见 ， 虚 拟 机 中 的 操 作 系 统 感 知 不 到 自 己 是 在 虚 拟 机 中 ， 代 码 无 需 任 何 改 动 ， 直 接 可 以 安 装 。 而 缺 点 也 是 可 以 想 象 ： 完 全 用 软 件 模 拟 ， 转 换 翻 译 执 行 ， 性 能 堪 忧 ！ 而 Q E M U 则 是 完 全 软 件 层 面 的 “ 模 拟 ” ， 乍 一 看 和 V M w a r e 好 像 差 不 多 ， 不 过 实 际 本 质 是 完 全 不 同 的 。 V M w a r e 是 将 原 始 C P U 指 令 序 列 翻 译 成 经 过 处 理 后 的 C P U 指 令 序 列 来 执 行 。 而 Q E M U 则 是 完 全 模 拟 执 行 整 个 C P U 指 令 集 ， 更 像 是 “ 解 释 执 行 ” ， 两 者 的 性 能 不 可 同 日 而 语 。
半 虚 拟 化 ： 半 虚 拟 化 ： X e n   内 核 定 制 修 改 内 核 定 制 修 改 既 然 有 全 虚 拟 化 ， 那 与 之 相 对 的 也 就 有 半 虚 拟 化 ， 前 面 说 了 ， 由 于 敏 感 指 令 的 关 系 ， 全 虚 拟 化 的 V M M 需 要 捕 获 到 这 些 指 令 并 完 整 模 拟 执 行 这 个 过 程 ， 实 现 既 满 足 虚 拟 机 操 作 系 统 的 需 要 ， 又 不 至 于 影 响 到 物 理 计 算 机 。 但 说 来 简 单 ， 这 个 模 拟 过 程 实 际 上 相 当 的 复 杂 ， 涉 及 到 大 量 底 层 技 术 ， 并 且 如 此 模 拟 费 时 费 力 。 而 试 想 一 下 ， 如 果 把 操 作 系 统 中 所 有 执 行 敏 感 指 令 的 地 方 都 改 掉 ， 改 成 一 个 接 口 调 用 （ H y p e r C a l l ） ， 接 口 的 提 供 方 V M M 实 现 对 应 处 理 ， 省 去 了 捕 获 和 模 拟 硬 件 流 程 等 一 大 段 工 作 ， 性 能 将 获 得 大 幅 度 提 升 。 这 就 是 半 虚 拟 化 半 虚 拟 化 ， 这 项 技 术 的 代 表 就 是 X e n ， 一 个 诞 生 于 2 0 0 3 年 的 开 源 项 目 。 这 项 技 术 一 个 最 大 的 问 题 是 ： 需 要 修 改 操 作 系 统 源 码 ， 做 相 应 的 适 配 工 作 。 这 对 于 像 L i n u x 这 样 的 开 源 软
件 还 能 接 受 ， 充 其 量 多 了 些 工 作 量 罢 了 。 但 对 于 W i n d o w s 这 样 闭 源 的 商 业 操 作 系 统 ， 修 改 它 的 代 码 ， 无 异 于 痴 人 说 梦 。 硬 件 辅 助 虚 拟 化 硬 件 辅 助 虚 拟 化   V T   /   A M D - v 折 腾 来 折 腾 去 ， 全 都 是 因 为 x 8 6 架 构 的 C P U 天 然 不 支 持 经 典 虚 拟 化 模 式 ， 软 件 厂 商 不 得 不 想 出 其 他 各 种 办 法 来 在 x 8 6 上 实 现 虚 拟 化 。 如 果 进 一 步 讲 ， C P U 本 身 增 加 对 虚 拟 化 的 支 持 ， 那 又 会 是 一 番 怎 样 的 情 况 呢 ？ 在 软 件 厂 商 使 出 浑 身 解 数 来 实 现 x 8 6 平 台 的 虚 拟 化 后 的 不 久 ， 各 家 处 理 器 厂 商 也 看 到 了 虚 拟 化 技 术 的 广 阔 市 场 ， 纷 纷 推 出 了 硬 件 层 面 上 的 虚 拟 化 支 持 ， 正 式 助 推 了 虚 拟 化 技 术 的 迅 猛 发 展 。 这 其 中 为 代 表 的 就 是 I n t e l 的 V T 系 列 技 术 和 A M D 的 A M D - v 系 列 技 术 。 硬 件 辅 助 虚 拟 化 细 节 较 为 复 杂 ， 简 单 来 说 ， 新 一 代 C P U 在 原 先 的 R i n g 0 - R i n g 3 四 种 工 作 状 态 之 下 ， 再 引 入 了 一 个 叫 工 作 模 式 的 概 念 ， 有 和 两 种 模 式 ， 每 种 模 式 都 具 有 完 整 的 R i n g 0 - R i n g 3 四 种 工 作 状 态 ， 前 者 是 V M M 运 行 的 模 式 ， 后 者 是 虚 拟 机 中 的 O S 运 行 的 模 式 。 V M M 运 行 的 层 次 ， 有 些 地 方 将 其 称 为 R i n g   - 1 ， V M M 可 以 通 过 C P U 提 供 的 编 程 接 口 ， 配 置 对 哪 些 指 令 的 劫 持 和 捕 获 ， 从 而 实 现 对 虚 拟 机 操 作 系 统 的 掌 控 。 V M X   r o o t   o p e r a t i o n V M X   n o n - r o o t   o p e r a t i o n
换 句 话 说 ， 原 先 的 V M M 为 了 能 够 掌 控 虚 拟 机 中 代 码 的 执 行 ， 不 得 已 采 用 “ 中 间 人 ” 来 进 行 翻 译 执 行 ， 现 在 新 的 C P U 告 诉 V M M ： 不 用 那 么 麻 烦 了 ， 你 提 前 告 诉 我 你 对 哪 些 指 令 哪 些 事 件 感 兴 趣 ， 我 在 执 行 这 些 指 令 和 发 生 这 些 事 件 的 时 候 就 通 知 你 ， 你 就 可 以 实 现 掌 控 了 。 完 全 由 硬 件 层 面 提 供 支 持 ， 性 能 自 然 高 了 不 少 。 上 面 只 是 硬 件 辅 助 虚 拟 化 技 术 的 一 个 简 单 理 解 ， 实 际 上 还 包 含 更 多 的 要 素 ， 提 供 了 更 多 的 便 利 给 V M M ， 包 括 内 存 的 虚 拟 、 I / O 的 虚 拟 等 等 ， 让 V M M 的 设 计 开 发 工 作 大 大 的 简 化 ， V M M 不 再 需 要 付 出 昂 贵 的 模 拟 执 行 成 本 ， 整 体 虚 拟 化 的 性 能 也 有 了 大 幅 度 的 提 升 。 V M w a r e 从 5 . 5 版 本 开 始 引 入 对 硬 件 辅 助 虚 拟 化 的 支 持 ， 随 后 在 2 0 1 1 年 的 8 . 0 版 本 中 正 式 全 面 支 持 。 于 是 乎 ， 我 们 在 创 建 虚 拟 机 的 时 候 ， 可 以 选 择 要 使 用 哪 一 种 虚 拟 化 引 擎 技 术 ， 是 用 原 先 的 二 进 制 翻 译 执 行 ， 还 是 基 于 硬 件 辅 助 虚 拟 化 的 新 型 技 术 。 同 一 时 期 的 X E N 从 3 . 0 版 本 也 加 入 对 硬 件 辅 助 虚 拟 化 的 支 持 ， 从 此 基 于 X E N 的 虚 拟 机 中 也 能 够 运 行 W i n d o w s 系 统 了 。 K V M - Q E M U 有 了 硬 件 辅 助 虚 拟 化 的 加 持 ， 虚 拟 化 技 术 开 始 呈 现 井 喷 之 势 。 V i r t u a l B o x 、 H y p e r - V 、 K V M 等 技 术 如 雨 后 春 笋 般 接 连 面 世 。 这 其 中 在 云 计 算 领 域 声 名 鹊 起 的 当 属 开 源 的 K V M 技 术 了 。 K V M 全 称 f o r   K e r n e l - b a s e d   V i r t u a l   M a c h i n e ， 意 为 基 于 内 核 的 虚 拟 机 。 在 虚 拟 化 底 层 技 术 上 ， K V M 和 V M w a r e 后 续 版 本 一 样 ， 都 是 基 于 硬 件 辅 助 虚 拟 化 实 现 。 不 同 的 是 V M w a r e 作 为 独 立 的 第 三 方 软 件 可 以 安 装 在 L i n u x 、 W i n d o w s 、 M a c O S 等 多 种 不 同 的 操 作 系 统 之 上 ， 而 K V M 作 为 一 项 虚 拟 化 技 术 已 经 集 成 到 L i n u x 内 核 之 中 ， 可 以 认 为 L i n u x 内 核 本 身 就 是 一 个 H y p e r V i s o r ，
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