zzuli--2022级云计算虚拟化技术与开发复习资料

1.虚拟化和云计算的关系

虚拟化和云计算是紧密相关的概念，两者常常结合使用，但它们并不完全相同。

虚拟化

虚拟化是一种技术，它允许在一台物理服务器上创建多个虚拟的独立运行环境（虚拟机或容器），每个环境都可以运行自己的操作系统和应用程序。这种技术通过软件层（如Hypervisor或容器引擎）实现，在物理硬件上创建虚拟的、隔离的计算环境。

云计算

云计算是一种提供计算资源和服务的模式，它通过互联网提供各种计算服务，包括计算能力、存储空间、数据库、应用程序等。云计算通过虚拟化技术来实现资源的池化和共享，用户可以根据需求弹性地使用这些资源，按需付费。

关系

• 虚拟化是云计算的基础： 云计算通常使用虚拟化技术来实现资源的隔离、灵活性和可扩展性。虚拟化使得在物理硬件上运行多个虚拟环境成为可能，为云服务的提供和管理提供了基础设施。

• 云计算利用虚拟化来提供服务： 云计算服务提供商（如AWS、Azure、Google Cloud等）利用虚拟化技术在其底层基础设施上提供计算资源和服务，使用户可以通过云平台访问和使用这些资源。

• 虚拟化是云计算的关键组成部分： 虚拟化技术使云计算中的多租户架构、资源池化、自动化管理等功能成为可能。云服务提供商可以通过虚拟化来实现资源的动态分配和灵活管理，以满足用户对可扩展性和弹性的需求。

总体而言，虚拟化为云计算提供了基础架构和灵活性，使得云服务能够以高效、灵活和可扩展的方式提供计算资源和服务。

1.从技术看：虚拟化是云计算的核心组成部分之一，是云计算和云存储服务得以实现的关键技术之一。
2.从软硬件角度分离来看：云计算在某种意义上剥离了软件和硬件之间的关系，虚拟化是有效分离的方法。
3.从网络服务的角度来看：云计算是一种“一切皆服务”的模式，通过该模式在网络上或云上提供服务，虚拟化层的虚拟机提供云计算服务，虚拟化层的网络提供服务。

2.全虚拟化和半虚拟化类型特点

全虚拟化和半虚拟化是两种不同的虚拟化技术，它们有着一些区别和特点。

1. 全虚拟化（Full Virtualization）：

   • 特点：在全虚拟化中，虚拟化层（通常是称为虚拟机监控器或hypervisor）模拟整个硬件环境，包括处理器、内存、存储和其他外设。虚拟机（VM）运行在这个虚拟化层之上，认为自己是在一个完全独立的、未经修改的物理硬件上运行。

   • 优点：支持几乎所有的操作系统，因为它们无需修改即可在虚拟化环境中运行。提供了更高的隔离性和安全性，虚拟机之间相互独立。

   • 缺点：由于需要模拟整个硬件环境，因此会产生性能开销。在处理器的虚拟化上需要更多的计算资源。

2. 半虚拟化（Paravirtualization）：

   • 特点：与全虚拟化不同，半虚拟化要求操作系统的修改，使其能够意识到自己运行在虚拟化环境中。这种修改允许操作系统与虚拟化层直接通信，而不是通过硬件仿真。

   • 优点：性能更高，因为虚拟机和虚拟化层之间的通信更为高效，不需要对硬件进行模拟。减少了性能开销，提高了整体系统性能。

   • 缺点：需要对操作系统进行修改，这可能限制了可支持的操作系统范围。同时，安全性方面也有一些问题，因为虚拟机可以直接与虚拟化层通信。

选择全虚拟化还是半虚拟化通常取决于应用场景和需求。全虚拟化适合需要在虚拟化环境中运行各种操作系统的情况，而半虚拟化则更适合追求性能和效率的场景，但需要对操作系统进行修改以实现这种效率。

全虚拟化：虚拟化层模拟整个硬件环境，认为自己在完全独立的物理硬件上运行。优点：几乎支持所有操作系统，更高的隔离性和安全性，虚拟机之间相互独立。缺点：花销大。
半虚拟化：半虚拟化要求操作系统更改，使其自己意识到自己运行在虚拟环境中，允许操作系统与虚拟化层直接通信。优点：性能更高，虚拟机和虚拟化层之间通信更有效。缺点：需要修改操作系统，限制了操作系统范围。

3.虚拟化从实现结构角度的分类 (Bare metal/Hosted/混合型)

虚拟化从实现结构的角度可以分为三种主要类型：

1. Bare Metal 虚拟化（裸金属虚拟化）

这种虚拟化方式也被称为硬件级别的虚拟化，它在物理硬件上直接运行虚拟化层（Hypervisor），并在其上创建和管理多个虚拟机。Bare Metal 虚拟化的 Hypervisor 直接访问物理硬件，因此它可以提供更高的性能和效率。常见的 Bare Metal 虚拟化技术包括 VMware vSphere/ESXi、Microsoft Hyper-V、Xen等。

2. Hosted 虚拟化（托管式虚拟化）

Hosted 虚拟化需要在宿主操作系统之上安装虚拟化软件，这个软件称为 Hypervisor 或虚拟机监视器（VMM）。这个 Hypervisor 在宿主操作系统上运行，并管理虚拟机。相比于 Bare Metal 虚拟化，由于需要经过宿主操作系统，Hosted 虚拟化的性能可能会稍微降低。常见的 Hosted 虚拟化技术包括 VirtualBox、VMware Workstation、Parallels Desktop 等。

3. 混合型虚拟化

混合型虚拟化结合了 Bare Metal 和 Hosted 两种方式的特点。它可以在特定的情况下结合两种虚拟化方式的优势。例如，某些虚拟化技术可能会在宿主操作系统上运行 Hypervisor，但同时也会允许 Hypervisor 直接访问硬件资源，类似于 Bare Metal 虚拟化的方式。

每种虚拟化方式都有其自身的优势和适用场景。Bare Metal 虚拟化提供更高的性能和资源控制，适合于需要高性能和安全性的企业级应用。Hosted 虚拟化则更适用于个人用户或开发环境，因为它更易于部署和管理。混合型虚拟化则可以根据特定的需求灵活地选择合适的方式。

1.Bare mental虚拟化：原生架构，硬件资源上没有操作系统，直接由虚拟机监控器接管，负责所有资源和虚拟环境。
2.Host虚拟化：Hypevisor或VMM直接运行在宿主机的操作系统上，很多虚拟化的功能依赖于宿主机操作系统或者专门的硬件功能，性能会稍微降低。
3.混合型虚拟化：综合以上两种虚拟化的特点，VMM直接管理硬件，一部分的设备控制权会交给特权虚拟机的操作系统来管理。

4.CPU虚拟化面临的问题及软硬件解决方案 (部分敏感指令捕获)

CPU虚拟化面临的问题之一是处理敏感指令。这些指令在虚拟化环境中可能会引起问题，因为它们需要对硬件进行特定的访问或操作，这与虚拟化的隔离性和安全性相悖。

软硬件解决方案可以帮助解决这些问题：

软件解决方案：

1. 指令拦截和仿真：虚拟机监控器（VMM）可以拦截敏感指令并对其进行仿真。这意味着当