1.1 虚拟化技术的发展历史

计算机的运行通常都离不开合适的操作系统，而传统的操作系统都必须运行在一个具有特定的指令集（实现它的处理器）、内存系统和I/O系统的物理计算机上。随着计算机技术的飞速发展，计算机的系统架构、操作系统以及应用程序都变得越来越复杂，比如安装了Linux的计算机无法直接运行Windows的应用程序，同样安装了Windows的计算机也无法直接运行Linux的应用程序，更不用说在Linux上安装Windows和在Windows上安装Linux了。另外，传统操作系统上由于应用程序之间无法真正相互隔离，因此一个应用程序的错误可能导致整个系统的崩溃。这些都推动了90年代末期开始的新一轮虚拟计算机（Virtual Machine）技术的发展。一些基于x86架构的商用虚拟机产品的推出，如VMware Workstation、Virtual PC等，使得虚拟计算机技术的发展到了一个新的阶段。

进入21世纪后，计算机领域出现了两大新的虚拟化应用场景，即云计算和万物互联，进一步极大促进了虚拟化技术的发展和应用落地。云计算技术的发展，使得作为标准化产品的虚拟机作为服务成为各家IT企业的选择，大大降低了企业自建服务器的IT服务成本和投入，成为千千万万大中小型公司的IT服务的首选。万物互联更是把100亿数量级的嵌入式设备整合在一起，并通过云连接起来。虚拟化技术也因此在嵌入式领域得到广泛的应用，以此整合各种单一功能设备，通过共同的网络接口接入互联网，构建更加高效、低成本的万物互联系统。

虚拟计算机由IBM公司在20世纪六七十年代提出并运用于VM/370系统，以共享昂贵的Main Frame系统。如图1-1a所示，虚拟化技术通过在现有平台（机器）上添加一层虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）软件实现对系统的虚拟化，如虚拟处理器、虚拟内存管理器（MMU）和虚拟I/O系统等。虚拟机监控器也被称作超级管理者（Hypervisor），Hypervisor逐渐取代VMM成为主流叫法（在本书中，Hypervisor和VMM这两种说法并存，两者含义相同），对应操作系统中的（普通）管理者（Supervisor），但是Hypervisor比Supervisor权力更大、更加基础。从应用程序的角度看，程序运行在虚拟机上与运行在其对应的实体计算机上一样，都运行在某一特定的指令体系（Instruction Set Architecture，ISA）和/或操作系统上，如图1-1b所示。

图1-1 Hypervisor将一个物理的ISA转化成一个虚拟机

根据应用程序、操作系统和硬件平台之间的关系与Hypervisor向客户机（Guest）抽象的层次不同，威斯康星大学麦迪逊分校电子与计算机工程系的James E. Smith教授和IBM公司的Ravi Nair将基于图1-2a所示指令体系接口抽象的虚拟机称为系统虚拟机（System VM），而将基于图1-2b所示应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）抽象的虚拟机称为进程虚拟机（Process VM）。Smith和Nair认为从本质上说，现代OS所具有的多进程（Multiprogramming）机制提供给用户的独立进程就已经是一个完整的虚拟机（进程虚拟机）[1]。进程虚拟机的发展随着现代OS的发展而发展已经相当成熟，而系统虚拟机技术则直到20世纪90年代才开始迅猛发展。

图1-2 不同层面的抽象