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一、前言
服務器虛擬化技術是雲計算的基石，在最大化利用硬件資源的同時，又降低了使用成本，讓系統具備彈性伸縮能力，促使現代系統的架構出現了革命性的變化。無論是微服務架構還是服務網格架構，都是在服務器虛擬化技術日漸成熟後才得以大規模使用。本文主要介紹 CPU 虛擬化技術的演進過程，以英特爾的 x86 平臺爲主，爲掌握雲計算相關知識打好基礎。
二、CPU 保護環
爲了提升系統的安全性，避免惡意操作，CPU 廠商設計了一種分級保護的機制。以 x86 芯片爲例，就分爲 Ring 0 到 Ring 3 幾個級別。
Ring 0 擁有最高特權，可以和硬件直接交互，操作系統就是跑在 Ring 0。而應用軟件一般跑在 Ring 3 上，當需要調用特權指令（如寫內存）的時候，就會觸發一個軟中斷，操作系統捕獲到後再去做相應的操作，操作完再將控制權交還給應用。
保護環暫且聊到這裏，下面還會講這種設計存在的一些問題，請繼續往下看。
三、CPU 虛擬化技術的演進
服務器虛擬化最早在 19 世紀 60 年代就提出了，當時的機器都是單線程的，一臺機只能跑一個程序，很浪費硬件資源。於是就有人研究在一臺物理機上跑多個操作系統，這樣就能跑多個程序了。但後來由於操作系統的改進，出現了多進程和多線程技術，於是虛擬化技術就被暫時擱置了。
到了 1998 年，隨着二進制翻譯技術的成熟，就能在一臺機器上跑不同的操作系統了。二進制翻譯技術簡稱BT，是一種直接翻譯可執行二進制程序的技術，能夠把一種處理器上的二進制程序翻譯到另外一種處理器上執行。二進制翻譯技術將機器代碼從源機器平臺映射(翻譯)至目標機器平臺，包括指令語義與硬件資源的映射，使源機器平臺上的代碼“適應”目標平臺。最早作出嘗試的是 VMware，實現原理見下圖：
操作系統和 VMM （Virtual Machine Monitor）跑在 Ring 0 上，虛擬化的 OS 跑在 Ring 1 上。當虛擬化 OS 需要跑內核指令的時候，就會觸發軟中斷，VMM 捕獲後就會進行必要的翻譯和執行操作。但x86架構有一類特殊的指令，稱爲敏感指令，它既能執行特權操作，又無法被 Ring 0 捕獲，導致虛擬機無法正確的執行這些指令。
爲了解決這個問題，前後發展出3種方法：
- 二進制翻譯（Binary Translation）
- 超虛擬化（Para Virtualization）
- 硬件輔助虛擬化（Hardware Assistance）
二進制翻譯原理就是 VMM 動態的掃描虛擬操作系統的內核，一旦發現不能被捕獲的敏感指令，就將其替換爲一條或多條的特權指令，這樣就能保證指令的正確執行。典型的代表就是 VMware 的第一代虛擬桌面。這種技術有一個致命的弱點，就是明顯的感覺到虛擬機會卡頓，因爲動態的掃描和替換指令是一種很耗資源的操作。
超虛擬化技術就能很好的解決二進制翻譯的問題。它的原理是提前修改安裝在虛擬機上的操作系統，將敏感指令替換掉，這樣所有的特權指令都能被 VMM 捕捉到了，典型的代表就是第一代的 Xen。但這又帶來另一個問題，就是安裝的操作系統必須是內核被修改過的系統，不能隨意安裝任意的系統。
英特爾慢慢也意識到自己芯片存在的問題，於是改良了芯片設計，在 CPU 保護環中新增了 Ring -1層。VMM 跑在 Ring -1 層後，所有的指令都能被捕捉了，而且還新增了一些爲虛擬化服務的指令，這就是 VT-X 技術。最早使用這一技術的 KVM 公司，在成功商業化後就被英特爾收購，並將技術開源。
CPU 的虛擬化是服務器虛擬化的關鍵技術，但其它硬件，如內存和網卡的虛擬化技術也不容忽視，在這方面 QEME 公司就做得很好。於是 KVM 和 QEMU 的組合奠定了服務器虛擬化的基石。
四、Hypervisor 類型
虛擬化層，也就是上文提到的 VMM，現在一般會命名爲 Hypervisor。Hypervisor 有 2 種類型：
- Type 1，裸金屬（Bare Mental）
- Type 2，基於操作系統
Type 1 的 Hypervisor 不依賴操作系統，直接安裝在硬件之上，典型的代表是 Xen 和 KVM。
Type 2 的 Hypervisor 安裝在特定的操作系統之上，像跑應用一樣的啓動和操作虛擬機，典型的代表是 Oracle VirtualBox 和 VMware Workstation。
總結
本文介紹了 CPU 虛擬化技術的演進過程，從二進制翻譯、超虛擬化再到終極的解決方案硬件輔助虛擬化。虛擬化技術的不斷演進，爲雲計算的工業化鋪平了道路。在後面的文章中，爲還會介紹雲計算的相關知識，敬請期待。