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wiki/Tech/operating-system/Virtualization/1.虚拟化概述/虚拟化概述.html

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<html><head><title>虚拟化概述</title><meta charSet="utf-8"/><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"/><meta property="og:title" content="虚拟化概述"/><meta property="og:description" content="本文详细介绍了虚拟化技术的概念、起源及其在现代IT基础设施中的重要应用。虚拟化技术通过将物理资源抽象为多个逻辑虚拟资源，提高了资源利用率、降低了成本，并增强了灵活性和安全性。文章还回顾了虚拟化技术的发展历程，从IBM大型机到现代云计算和容器化技术的发展。."/><meta property="og:image" content="https://wiki.7wate.com/static/og-image.png"/><meta property="og:width" content="1200"/><meta property="og:height" content="675"/><link rel="icon" href="../../../../static/icon.png"/><meta name="description" content="本文详细介绍了虚拟化技术的概念、起源及其在现代IT基础设施中的重要应用。虚拟化技术通过将物理资源抽象为多个逻辑虚拟资源，提高了资源利用率、降低了成本，并增强了灵活性和安全性。文章还回顾了虚拟化技术的发展历程，从IBM大型机到现代云计算和容器化技术的发展。."/><meta name="generator" content="Quartz"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.googleapis.com"/><link rel="preconnect" href="https://fonts.gstatic.com"/><script async src="https://umami.7wate.com/script.js" data-website-id="c061efdc-95dd-4d21-9d04-a1ffda0a85b9"></script><script>
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<h3 id="虚拟化的概念">虚拟化的概念<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化的概念" class="internal"> §</a></h3>
<p><strong>虚拟化是指利用软件技术将计算机的物理资源（如 CPU、内存、存储、网络等）进行抽象和转换，并将其呈现为多个逻辑虚拟资源。</strong> 虚拟化技术通过创建多个虚拟资源，打破了物理硬件的限制，使得资源可以<strong>更加灵活、高效</strong>地使用。</p>
<p>虚拟化的本质在于将物理资源与软件应用解耦，实现资源的弹性化和高效利用。这不仅提高了资源利用率，还简化了 IT 管理，并为企业带来了更高的灵活性和可扩展性。</p>
<h3 id="虚拟化的起源">虚拟化的起源<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化的起源" class="internal"> §</a></h3>
<p>虚拟化技术并不是一个新概念，其历史可以追溯到 <strong>20 世纪 60 年代。当时，IBM 首次提出了虚拟机的概念，用于大型机资源共享。</strong> 通过虚拟化技术，多个用户可以共享一台大型计算机的资源，而互不干扰。</p>
<p>到了 20 世纪 70 年代，IBM 发布了 VM/370 虚拟机操作系统，这一操作系统大大推动了虚拟化技术的发展。进入 20 世纪 90 年代，随着个人电脑的普及，虚拟化技术逐渐应用于个人电脑领域，VMware 和 VirtualBox 等虚拟化软件相继出现。</p>
<p>进入 21 世纪，虚拟化技术在云计算、大数据等领域得到了广泛应用，近年来随着容器化技术（如 Docker 和 Kubernetes）的兴起，虚拟化技术再次得到了快速发展。</p>
<h3 id="虚拟化的优势">虚拟化的优势<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化的优势" class="internal"> §</a></h3>
<p>虚拟化技术带来了诸多显著的优势，使其在现代 IT 基础设施中占据重要地位。以下是虚拟化技术的主要优势：</p>
<ul>
<li>
<p><strong>提高资源利用率</strong>：虚拟化可以打破物理硬件的限制，使资源利用更加高效。在一台物理机上运行多个虚拟机，不仅提高了资源利用率，还减少了资源浪费，从而降低了 IT 成本。</p>
</li>
<li>
<p><strong>降低成本</strong>：虚拟化减少了对物理硬件的投资需求，并简化了 IT 管理。通过虚拟化技术，企业可以降低服务器采购和维护成本，提高资源利用率，减少资源浪费，从而降低运营成本。</p>
</li>
<li>
<p><strong>提高灵活性</strong>：虚拟化技术使 IT 基础设施的部署和管理更加灵活。可以快速创建和部署新的虚拟机，满足不断变化的业务需求。虚拟机可以轻松迁移，提高了业务的敏捷性。</p>
</li>
<li>
<p><strong>增强安全性</strong>：虚拟化技术增强了 IT 基础设施的安全性。通过隔离不同的虚拟机，可以有效防止病毒和恶意软件的传播。此外，虚拟化还可以实现更安全的备份和恢复。</p>
</li>
</ul>
<h2 id="虚拟化技术">虚拟化技术<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化技术" class="internal"> §</a></h2>
<p>虚拟化技术主要依赖于以下几个基本技术：</p>
<h3 id="1-虚拟机">1. 虚拟机<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#1-虚拟机" class="internal"> §</a></h3>
<p>虚拟机（Virtual Machine，VM）是一种模拟物理机的软件环境，可以运行操作系统和应用软件。每个虚拟机都有自己的虚拟硬件和独立的操作系统，使得多个虚拟机可以在同一台物理机上独立运行。</p>
<ul>
<li><strong>虚拟硬件</strong>：包括虚拟 CPU、虚拟内存、虚拟存储和虚拟网络接口等。</li>
<li><strong>虚拟机的优点</strong>：提高资源利用率、隔离性好、支持多种操作系统。</li>
<li><strong>虚拟机的缺点</strong>：开销较大，性能可能略低于直接运行在物理机上的操作系统。</li>
</ul>
<h3 id="2-hypervisor虚拟机监控器">2. Hypervisor（虚拟机监控器）<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#2-hypervisor虚拟机监控器" class="internal"> §</a></h3>
<p>Hypervisor 是虚拟机的管理程序，负责资源分配、调度和隔离。Hypervisor 在物理硬件和虚拟机之间进行协调，确保资源的高效利用和虚拟机的安全隔离。</p>
<p><img src="https://static.7wate.com/2024/07/15/b506eeb644613.png" alt="Type 1 vs. Type 2 Hypervisors"/></p>
<ul>
<li><strong>Type 1 Hypervisor（裸机型）</strong>：直接运行在物理硬件上，无需宿主操作系统。例如 VMware ESXi、Microsoft Hyper-V 和 Citrix XenServer。</li>
<li><strong>Type 2 Hypervisor（托管型）</strong>：运行在宿主操作系统之上。例如 VMware Workstation、Oracle VirtualBox。</li>
</ul>
<h3 id="3-虚拟化软件">3. 虚拟化软件<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#3-虚拟化软件" class="internal"> §</a></h3>
<p>虚拟化软件是实现虚拟化功能的核心工具，提供了创建和管理虚拟机的接口和工具。常见的虚拟化软件包括：</p>
<ul>
<li><strong>VMware vSphere</strong>：企业级虚拟化解决方案，提供高级功能如 vMotion、DRS 和 HA。</li>
<li><strong>Microsoft Hyper-V</strong>：集成在 Windows Server 中的虚拟化平台，广泛用于 Windows 环境。</li>
<li><strong>Red Hat KVM</strong>：基于 Linux 内核的开源虚拟化技术，适用于各种 Linux 发行版。</li>
<li><strong>Oracle VirtualBox</strong>：跨平台的开源虚拟化软件，适用于个人用户和开发测试环境。</li>
</ul>
<h3 id="4-容器">4. 容器<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#4-容器" class="internal"> §</a></h3>
<p>容器是一种轻量级的虚拟化方式，通过提供隔离的用户空间环境，实现应用的快速部署和运行。容器技术共享宿主操作系统内核，但每个容器有自己的文件系统、进程空间和网络接口。</p>
<p><img src="https://static.7wate.com/2024/07/17/7b656946d8d95.png" alt="Containers"/></p>
<ul>
<li><strong>Docker</strong>：最流行的容器技术，提供简单易用的工具来创建、管理和分发容器化应用。</li>
<li><strong>Kubernetes</strong>：容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。</li>
<li><strong>LXC（Linux Containers）</strong>：基于 Linux 的轻量级容器技术。</li>
</ul>
<h3 id="5-软件定义网络sdn">5. 软件定义网络（SDN）<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#5-软件定义网络sdn" class="internal"> §</a></h3>
<p>SDN 通过软件控制网络硬件，实现网络资源的虚拟化和集中管理。SDN 使网络管理员能够灵活配置和管理网络资源，提升网络效率和灵活性。</p>
<ul>
<li><strong>OpenFlow</strong>：一种开放标准协议，允许 SDN 控制器与网络设备进行通信，实现网络资源的虚拟化。</li>
<li><strong>SDN 控制器</strong>：管理和控制网络设备的软件平台，常见的控制器包括 OpenDaylight、ONOS 和 Cisco APIC。</li>
<li><strong>虚拟网络设备</strong>：如虚拟交换机（vSwitch）、虚拟路由器（vRouter），用于实现网络资源的虚拟化和管理。</li>
</ul>
<h3 id="6-存储虚拟化">6. 存储虚拟化<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#6-存储虚拟化" class="internal"> §</a></h3>
<p>存储虚拟化通过将物理存储资源抽象为逻辑存储资源，实现存储资源的集中管理和优化利用。</p>
<ul>
<li><strong>SAN（Storage Area Network）虚拟化</strong>：将多个存储设备连接成一个高性能存储网络，提供统一管理和高可用性。</li>
<li><strong>NAS（Network Attached Storage）虚拟化</strong>：通过网络提供文件级存储服务，实现灵活的文件共享和存储管理。</li>
<li><strong>分布式存储</strong>：将数据分布存储在多个物理设备上，实现高可用性和扩展性，代表技术包括 Ceph、GlusterFS 和 Hadoop HDFS。</li>
</ul>
<h2 id="虚拟化分类">虚拟化分类<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化分类" class="internal"> §</a></h2>
<p>虚拟化技术根据其应用层次和实现方式，可以分为多个类别。以下是对虚拟化分类的全面介绍：</p>
<h3 id="1-物理硬件">1. 物理硬件<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#1-物理硬件" class="internal"> §</a></h3>
<p>硬件虚拟化通过将物理硬件资源（如 CPU、内存、存储）虚拟化为多个逻辑硬件资源，使得多个虚拟机可以共享同一套物理硬件资源。硬件虚拟化提供了高效的资源利用率和良好的隔离性。</p>
<ul>
<li><strong>全虚拟化</strong>：虚拟机<strong>直接使用物理硬件资源</strong>，无需对操作系统进行任何修改。代表技术包括 VMware ESXi 和 Microsoft Hyper-V。</li>
<li><strong>半虚拟化</strong>：虚拟机<strong>需要部分修改硬件驱动程序</strong>，以提高性能和兼容性。典型实现有 Xen。</li>
<li><strong>准虚拟化</strong>：虚拟机<strong>需要修改操作系统内核</strong>，以实现更高的性能和兼容性，常用于特定高性能需求场景。</li>
</ul>
<h3 id="2-操作系统">2. 操作系统<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#2-操作系统" class="internal"> §</a></h3>
<p>操作系统虚拟化在一个物理机上运行多个虚拟操作系统，每个虚拟操作系统都有自己独立的运行环境，能够有效隔离不同的操作系统和应用程序。</p>
<ul>
<li><strong>基于 Hypervisor 的虚拟化</strong>：Hypervisor 直接管理物理硬件资源，为每个虚拟操作系统分配资源。分为 <strong>Type 1（裸机型）</strong> 和 <strong>Type 2（托管型）</strong>。常见技术包括 KVM 和 Xen。</li>
<li><strong>容器化虚拟化</strong>：容器共享物理硬件资源，但拥有独立的操作系统环境和应用程序。容器通过共享宿主机内核实现轻量级虚拟化，代表技术包括 Docker 和 LXC。</li>
</ul>
<h3 id="3-应用程序">3. 应用程序<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#3-应用程序" class="internal"> §</a></h3>
<p>应用虚拟化将应用程序与操作系统解耦，使其可以在不同的操作系统环境中运行。应用虚拟化使得应用程序可以跨平台运行，简化了部署和管理。</p>
<ul>
<li><strong>字节码虚拟化</strong>：应用程序代码被编译成字节码，可以在支持相应虚拟机的平台上运行。典型例子是 Java 虚拟机（JVM）。</li>
<li><strong>沙盒虚拟化</strong>：应用程序运行在一个独立的沙盒环境中，与其他应用程序隔离，保证了更高的安全性和稳定性。示例包括 Google Chrome 的沙盒技术。</li>
</ul>
<h3 id="4-网络">4. 网络<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#4-网络" class="internal"> §</a></h3>
<p>网络虚拟化通过将物理网络资源虚拟化为逻辑网络资源，实现灵活的网络配置和管理。网络虚拟化提高了网络资源的利用效率和管理灵活性。</p>
<ul>
<li><strong>软件定义网络（SDN）</strong>：通过软件控制网络硬件，实现网络资源的虚拟化和集中管理。代表技术包括 VMware NSX 和 Cisco ACI。</li>
<li><strong>虚拟局域网（VLAN）</strong>：通过逻辑分区实现网络隔离和资源优化配置。</li>
</ul>
<h3 id="5-存储">5. 存储<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#5-存储" class="internal"> §</a></h3>
<p>存储虚拟化通过将物理存储资源虚拟化为逻辑存储资源，实现存储资源的集中管理和优化利用。存储虚拟化提供了更高的存储利用率和灵活性。</p>
<ul>
<li><strong>块级存储虚拟化</strong>：将物理存储设备虚拟化为<strong>逻辑存储块</strong>，代表技术包括 EMC VPLEX 和 IBM SVC。</li>
<li><strong>文件级存储虚拟化</strong>：将物理文件系统资源虚拟化为<strong>逻辑文件系统资源</strong>，代表技术包括 VMware vSAN 和 NetApp ONTAP。</li>
</ul>
<h2 id="虚拟化的应用与前景">虚拟化的应用与前景<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化的应用与前景" class="internal"> §</a></h2>
<h3 id="虚拟化在企业中的应用">虚拟化在企业中的应用<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化在企业中的应用" class="internal"> §</a></h3>
<p>虚拟化技术在企业中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：</p>
<ul>
<li><strong>桌面虚拟化</strong>：将桌面操作系统虚拟化，提供云桌面服务。桌面虚拟化可以实现统一管理、降低成本、提高安全性。用户可以通过任何设备访问虚拟桌面，提高了工作灵活性和效率。</li>
<li><strong>服务器虚拟化</strong>：在物理服务器上运行多个虚拟机，提高资源利用率、降低成本、简化管理。服务器虚拟化可以有效整合服务器资源，减少硬件需求，优化数据中心的运行效率。</li>
<li><strong>云计算</strong>：虚拟化技术是云计算的基础，实现资源的弹性化和扩展性。通过虚拟化，云服务提供商可以灵活管理计算资源，提供按需服务，满足客户的各种需求。</li>
<li><strong>大数据</strong>：虚拟化技术支持大数据的快速部署和扩展。通过虚拟化，可以高效管理和调度大数据处理任务，提高数据处理效率和灵活性。</li>
<li><strong>移动应用</strong>：虚拟化技术支持移动应用的开发和部署。通过应用虚拟化，可以确保移动应用在不同操作系统环境中的兼容性，简化开发和测试流程，提高应用的可靠性和安全性。</li>
</ul>
<h3 id="虚拟化的未来发展趋势">虚拟化的未来发展趋势<a aria-hidden="true" tabindex="-1" href="#虚拟化的未来发展趋势" class="internal"> §</a></h3>
<p>随着技术的不断发展，虚拟化技术也在不断演进，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：</p>
<ul>
<li><strong>云计算的普及</strong>：虚拟化技术是云计算的基础，随着云计算的普及，虚拟化技术将得到更广泛的应用。</li>
<li><strong>容器化技术的发展</strong>：容器化技术是虚拟化技术的延伸，具有更高的灵活性和效率，未来将得到更多应用。</li>
<li><strong>边缘计算的兴起</strong>：虚拟化技术可以应用于边缘计算，提供更灵活的计算资源配置和管理。</li>
<li><strong>安全性增强</strong>：随着虚拟化技术的普及，虚拟化安全性将成为关注的重点，未来将会有更多的安全技术和方案应用于虚拟化环境。</li>
</ul>
<p>通过虚拟化技术的不断发展和应用，未来的 IT 基础设施将更加高效、灵活和安全，为企业的数字化转型提供有力支持。</p></article></div><div class="right sidebar"><div class="graph "><h3>Graph View</h3><div class="graph-outer"><div id="graph-container" data-cfg="{&quot;drag&quot;:true,&quot;zoom&quot;:true,&quot;depth&quot;:1,&quot;scale&quot;:1.1,&quot;repelForce&quot;:0.5,&quot;centerForce&quot;:0.3,&quot;linkDistance&quot;:30,&quot;fontSize&quot;:0.6,&quot;opacityScale&quot;:1,&quot;showTags&quot;:true,&quot;removeTags&quot;:[]}"></div><svg version="1.1" id="global-graph-icon" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlnsXlink="http://www.w3.org/1999/xlink" x="0px" y="0px" viewBox="0 0 55 55" fill="currentColor" xmlSpace="preserve"><path d="M49,0c-3.309,0-6,2.691-6,6c0,1.035,0.263,2.009,0.726,2.86l-9.829,9.829C32.542,17.634,30.846,17,29,17
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C46.042,11.405,47.451,12,49,12c3.309,0,6-2.691,6-6S52.309,0,49,0z M11,9c0-1.103,0.897-2,2-2s2,0.897,2,2s-0.897,2-2,2
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function toggleCallout() {
const outerBlock = this.parentElement;
outerBlock.classList.toggle(`is-collapsed`);
const collapsed = outerBlock.classList.contains(`is-collapsed`);
const height = collapsed ? this.scrollHeight : outerBlock.scrollHeight;
outerBlock.style.maxHeight = height + `px`;
let current = outerBlock;
let parent = outerBlock.parentElement;
while (parent) {
if (!parent.classList.contains(`callout`)) {
return;
}
const collapsed2 = parent.classList.contains(`is-collapsed`);
const height2 = collapsed2 ? parent.scrollHeight : parent.scrollHeight + current.scrollHeight;
parent.style.maxHeight = height2 + `px`;
current = parent;
parent = parent.parentElement;
}
}
function setupCallout() {
const collapsible = document.getElementsByClassName(
`callout is-collapsible`
);
for (const div of collapsible) {
const title = div.firstElementChild;
if (title) {
title.removeEventListener(`click`, toggleCallout);
title.addEventListener(`click`, toggleCallout);
const collapsed = div.classList.contains(`is-collapsed`);
const height = collapsed ? title.scrollHeight : div.scrollHeight;
div.style.maxHeight = height + `px`;
}
}
}
document.addEventListener(`nav`, setupCallout);
window.addEventListener(`resize`, setupCallout);
</script><script type="module">
import mermaid from 'https://cdn.jsdelivr.net/npm/mermaid/dist/mermaid.esm.min.mjs';
const darkMode = document.documentElement.getAttribute('saved-theme') === 'dark'
mermaid.initialize({
startOnLoad: false,
securityLevel: 'loose',
theme: darkMode ? 'dark' : 'default'
});
document.addEventListener('nav', async () => {
await mermaid.run({
querySelector: '.mermaid'
})
});
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