1.1 虛擬化技術的發展歷史

計算機的運行通常都離不開合適的操作系統，而傳統的操作系統都必須運行在一個具有特定的指令集（實現它的處理器）、內存系統和I/O系統的物理計算機上。隨著計算機技術的飛速發展，計算機的系統架構、操作系統以及應用程序都變得越來越復雜，比如安裝了Linux的計算機無法直接運行Windows的應用程序，同樣安裝了Windows的計算機也無法直接運行Linux的應用程序，更不用說在Linux上安裝Windows和在Windows上安裝Linux了。另外，傳統操作系統上由于應用程序之間無法真正相互隔離，因此一個應用程序的錯誤可能導致整個系統的崩潰。這些都推動了90年代末期開始的新一輪虛擬計算機（Virtual Machine）技術的發展。一些基于x86架構的商用虛擬機產品的推出，如VMware Workstation、Virtual PC等，使得虛擬計算機技術的發展到了一個新的階段。

進入21世紀后，計算機領域出現了兩大新的虛擬化應用場景，即云計算和萬物互聯，進一步極大促進了虛擬化技術的發展和應用落地。云計算技術的發展，使得作為標準化產品的虛擬機作為服務成為各家IT企業的選擇，大大降低了企業自建服務器的IT服務成本和投入，成為千千萬萬大中小型公司的IT服務的首選。萬物互聯更是把100億數量級的嵌入式設備整合在一起，并通過云連接起來。虛擬化技術也因此在嵌入式領域得到廣泛的應用，以此整合各種單一功能設備，通過共同的網絡接口接入互聯網，構建更加高效、低成本的萬物互聯系統。

虛擬計算機由IBM公司在20世紀六七十年代提出并運用于VM/370系統，以共享昂貴的Main Frame系統。如圖1-1a所示，虛擬化技術通過在現有平臺（機器）上添加一層虛擬機監控器（Virtual Machine Monitor，VMM）軟件實現對系統的虛擬化，如虛擬處理器、虛擬內存管理器（MMU）和虛擬I/O系統等。虛擬機監控器也被稱作超級管理者（Hypervisor），Hypervisor逐漸取代VMM成為主流叫法（在本書中，Hypervisor和VMM這兩種說法并存，兩者含義相同），對應操作系統中的（普通）管理者（Supervisor），但是Hypervisor比Supervisor權力更大、更加基礎。從應用程序的角度看，程序運行在虛擬機上與運行在其對應的實體計算機上一樣，都運行在某一特定的指令體系（Instruction Set Architecture，ISA）和/或操作系統上，如圖1-1b所示。

圖1-1 Hypervisor將一個物理的ISA轉化成一個虛擬機

根據應用程序、操作系統和硬件平臺之間的關系與Hypervisor向客戶機（Guest）抽象的層次不同，威斯康星大學麥迪遜分校電子與計算機工程系的James E. Smith教授和IBM公司的Ravi Nair將基于圖1-2a所示指令體系接口抽象的虛擬機稱為系統虛擬機（System VM），而將基于圖1-2b所示應用程序二進制接口（Application Binary Interface，ABI）抽象的虛擬機稱為進程虛擬機（Process VM）。Smith和Nair認為從本質上說，現代OS所具有的多進程（Multiprogramming）機制提供給用戶的獨立進程就已經是一個完整的虛擬機（進程虛擬機）[1]。進程虛擬機的發展隨著現代OS的發展而發展已經相當成熟，而系統虛擬機技術則直到20世紀90年代才開始迅猛發展。

圖1-2 不同層面的抽象