什么是硬件虚拟化？

在全虚拟化中，虚拟机模拟足够的硬件，允许在隔离环境中运行未经修改的"客户机"操作系统，该操作系统设计用于相同的指令集。这种方法始于 20 世纪 60 年代的一些早期系统。

硬件辅助虚拟化是指硬件提供架构支持，有助于构建虚拟机监视器，并允许在隔离环境中运行客户机操作系统。硬件辅助虚拟化最早于 20 世纪 70 年代引入，用于第一个虚拟机操作系统。

除了这两种主要类型外，还有其他平台虚拟化方法，如操作系统级虚拟化，所有实例（通常称为容器）共享单个内核，但可以有不同的用户空间。

完全虚拟化是一种虚拟化技术，其中虚拟机会模拟出一个强大的环境，让客户机操作系统能够在该虚拟环境中独立运行。在完全虚拟化中，虚拟机监控程序（Hypervisor）会模拟整个硬件环境，包括 CPU、内存、存储设备和网络设备等。客户机操作系统无需任何修改即可在虚拟机上运行。这种虚拟化方式提供了高度的隔离性和安全性，但也需要更多的硬件资源和性能开销。

硬件辅助虚拟化是一种利用硬件支持来提高虚拟化效率的技术。在这种方式中，硬件会提供专门的架构支持，包括为虚拟机监视器（Hypervisor）的构建提供支持，以及为客户操作系统独立运行提供支持。硬件辅助虚拟化通过引入新的 CPU 指令集和内存管理单元（MMU）等硬件扩展，使得虚拟机监视器能够更高效地管理和调度虚拟机资源。这种虚拟化方式可以显著提高性能，减少开销，同时保持与完全虚拟化相似的隔离性和安全性。

部分虚拟化是一种介于完全虚拟化和硬件辅助虚拟化之间的虚拟化技术。在部分虚拟化中，虚拟机会对地址空间以及部分底层硬件环境进行模拟，但不会完全模拟整个硬件环境。这种虚拟化环境不支持独立的客户机操作系统运行，但支持资源共享和线程独立。部分虚拟化通常用于提供应用程序级别的隔离和资源管理，而不是完整的操作系统虚拟化。它的优点是开销较小，但隔离性和安全性也相对较低。

平行虚拟化（Paravirtualization）是一种特殊的虚拟化技术，它不需要完全模拟硬件环境。在平行虚拟化中，只需要提供一个特殊的 API，供特制的客户机操作系统使用。客户机操作系统需要进行修改，以便能够与虚拟机监视器（Hypervisor）进行通信和协作。这种虚拟化方式的优点是性能开销较小，但需要对客户机操作系统进行定制，因此缺乏灵活性和兼容性。平行虚拟化常用于云计算和虚拟化环境中，以提高性能和效率。

操作系统层虚拟化（OSlevel virtualization）是一种在操作系统层面上实现虚拟化的技术。在这种虚拟化方式中，独立主机会被以虚拟化的形式呈现至操作系统层当中，从而让多个独立、安全的虚拟化服务器能够在一台计算机上运行。操作系统层虚拟化不需要模拟整个硬件环境，而是利用操作系统内核的功能来实现虚拟化。这种虚拟化方式的优点是开销较小、部署简单，但隔离性和安全性相对较低。操作系统层虚拟化常用于 Web 服务器、数据库服务器等应用场景，以提高资源利用率和可扩展性。

虚拟化技术允许创建受保护的环境，如果虚拟机（VM）的客户操作系统受到损坏（如研究恶意软件或安装有问题的软件时），可以将其丢弃并用干净的副本替换，保护主机系统免受伤害。这种隔离和保护虚拟环境的能力增强了系统的安全性。

配置管理（CM）可用于管理虚拟化环境中硬件、软件和固件的安全功能和保证。CM 依赖 IT 平台和产品的性能、功能和物理属性确定给定系统配置的适当安全功能和保证。例如，组织互联网边界的安全设备与内部使用的安全设备的配置要求可能不同。通过严格的配置管理实践，硬件虚拟化可以增强安全性。

虚拟机监控程序通过确保虚拟机上的软件程序不会干扰其他客户操作系统上的应用程序，从而提供一定程度的安全性。然而，虚拟化环境依赖于虚拟机监控程序的健全安全态势，影响虚拟机监控程序的任何问题都将影响在其之上运行的所有虚拟机。因此，使用具有内置安全防护措施的虚拟机监控程序确保工作负载的完整性至关重要。

像亚马逊云服务（Amazon）这样的云服务提供商通过其轻量级虚拟机监控程序，将虚拟机监控程序管理任务委派给特定的硬件和软件，从而在安全的云环境中实现更快的创新。此外，在虚拟机监控程序上运行的虚拟机还可以享受操作系统的本地安全功能，确保所有虚拟环境严格遵守各自的安全边界，加强数据隐私和治理。

虚拟化概念最早可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时"虚拟机"一词被提出，用于指代一种模拟计算机环境。硬件虚拟化的最早实现是允许多个操作系统在独立的虚拟机环境中并行运行。这是通过虚拟化硬件的监管程序状态以及用户应用程序来实现。

随着虚拟化技术的发展，某些主机系统中的虚拟化成为一项关键特性，通过允许多个操作系统并行运行而不中断，提高了系统的稳健性和可靠性。

进入 21 世纪，一些处理器厂商引入了硬件辅助虚拟化技术，在架构层面为构建虚拟机监控程序和隔离运行客户机操作系统提供了支持。这些硬件辅助虚拟化技术推动了虚拟化在服务器环境中的广泛采用，使得多个虚拟服务器可以整合在单个物理服务器上运行。

通过将多个物理服务器整合到一台更大的服务器上，硬件虚拟化可以减少与设备维护相关的设备和人工成本，从而减少对诸如 CPU 和硬盘等昂贵硬件资源的需求。服务器整合还可以降低能源消耗和全球环境足迹。

与物理机相比，虚拟机可以更容易地从远程站点进行控制和检查，并允许对虚拟机进行更灵活的配置。这对于内核开发、教学操作系统课程以及运行不支持现代硬件的旧操作系统非常有用。虚拟机可以根据需要更轻松地供应、重新定位和恢复，而不受物理硬件的限制。这种灵活性使虚拟机可以在灾难恢复场景中得到广泛使用。

如果虚拟机操作系统受损，可以轻松地将其丢弃并用干净的副本替换，而不会影响主机系统。此外，虚拟化还可以提高业务连续性，因为当灾难或网络攻击影响运营时，恢复对虚拟化环境的访问只需几分钟时间，而不是几个小时或几天。

硬件虚拟化使 IT 管理员能够配置、部署和管理软件应用程序，而不受特定硬件设置的约束。它还通过允许在单个物理机器上运行多个工作负载来提高效率，并提高了可扩展性。