什麼是虛擬機管理程序 Hypervisor ? Type 1 Hypervisor ? Type 2 Hypervisor 詳細解釋

小編最近在作虛擬化的相關研究，因此把自己對虛擬機管理程序 Hypervisor的相關筆記整理分享給大家參考， 服務器虛擬化目前是 IT 界的熱門話題，目前虛擬化的技術愈來愈普及愈來愈多企業環境採用VM技術，Hypervisor 虛機管理程序使得虛擬化成為可能。服務器虛擬化允許不同的操作系統在一台實體機器上運行，同時仍使用相同的物理資源。網絡系統管理員可以透過虛擬機技術讓需要運行的每項服務都能夠獨立的在一台專用VM虛擬機器上執行。這不僅減少了所需的物理服務器數量，而且還節省問題處理的時間。在本文中，我們將討論什麼是虛擬機管理程序以及它們如何工作還有虛擬機的不同類型。

什麼是虛擬機管理程序 Hypervisor

• 管理程序 Hypervisor 是使虛擬化成為可能的關鍵軟件。它從實體硬體中抽像出來Guest machine 和它們運行的操作系統。
• 管理程序 Hypervisor 創建一個虛擬化層，將 中央處理器CPU、RAM 和其他物理資源與您創建的虛擬機分開。
• 安裝管理程序 Hypervisor 的機器稱為 Host Machine ，而在上面運行的就是 Guest Machine 也就是 VM 虛擬機。

管理程序 Hypervisor 模擬可用資源，以便 Guest Machine 可以使用模擬出來的虛擬資源。無論您在VM虛擬機上安裝執行什麼OS操作系統，該作業系統都會認為底層是實體的硬體主機，那個作業系統感覺不出來 Hypervisor 提供給他的硬體是虛擬出來的，因此對於安裝在 Guest Machine 上面的OS來說他要作的事情並沒有任何改變，也不需要對OS或是OS上面執行的應用程式去作任何特別的設定，從 VM 的角度來看，物理環境和虛擬環境之間沒有區別。Guest Machine 不知道 Hypervisor 在虛擬環境中創建它們的，而 Guest Machine 也不知道它正在和其它的 Guest Machine 共享 Hypervisor 提供的可用計算能力，虛擬機是執行在實體的硬件上面透過 Hypervisor 管理的instance，因此它們完全依賴於底層硬體的穩定運行。

• Type 1 Hypervisor 也稱為 bare metal hypervisor 也就是  裸機 Hypervisor  或是叫 native hypervisor 也就是 原生 Hypervisor
• Type 2 Hypervisor 也稱為 hosted hypervisor 也就是 託管 Hyperviosr

Type 1 Hypervisor

裸機管理程序（類型 1）是我們直接安裝在物理服務器及其底層硬件之上的一層軟件。兩者之間沒有軟件或任何操作系統，因此稱為裸機管理程序。事實證明，Type 1 管理程序可提供出色的性能和穩定性，因為它不在 Windows 或任何其他操作系統中運行。

Type 1 Hypervisor本身就是一個OS操作系統，一個非常基本的操作系統，您可以在其上運行虛擬機。運行管理程序的物理機僅用於虛擬化目的。你不能將它用於其他任何事情。類型 1 管理程序主要存在於企業環境中。

Type 1 Hypervisor Performance ( Type 1 VM 管理器效能)

因為 Type 1 hypervisor 架構相對簡單，它們不提供很多功能。啟動安裝了裸機管理程序(Type 1 Hypervisor) 的Compute host物理服務器後，它會顯示類似BIOS 操作介面或是DOS command line 的操作畫面。如果您將顯視器連接到服務器，您會看到一些硬件和網路配置的詳細信息。這包括 CPU 類型、記憶體容量、IP 位址和 MAC 位址。

下面是Compute Host 裸機安裝了 Citrix-XenServer （Type 1 Hypervisor） 電源開啟後的開機畫面

VMware 管理程序示例

另一種Type1 hypervisor 可能看起來介面和 Xen Server 完全不同，但它們也只允許簡單的服務器配置。這包括更改日期和時間、IP 地址、密碼等。為了創建虛擬機的 Instance實例，您需要在另一台機器上設置管理控制台。使用控制台，您可以連接到服務器上的管理程序，並管理您的虛擬環境。管理控制台可以是基於 Web 的，也可以是安裝在需要遠程管理的機器上的單獨軟件包。根據您需要的功能，管理控制台的許可成本差異很大。您可以執行的一項操作包括手動或自動在物理服務器之間移動虛擬機。這一舉措基於給定時刻虛擬機的資源需求，並且不會對最終用戶產生任何影響。如果一個硬件或整個服務器出現故障，也是同樣的過程。一旦出現問題，正確配置的管理軟件就會將虛擬機移至工作服務器。檢測和恢復過程自動無縫地進行。

下面是Compute Host 裸機安裝了 VMWare ESXi （Type 1 Hypervisor）電源開啟後的開機畫面

Type 1 Hyperviso 的最佳特性之一是它們允許過度分配物理資源 (over allocating resource , over commit)：

使用 Type 1 Hypervisor，您可以為虛擬機分配比可用資源更多的資源，也就是可以分配超出實體機的資源，很詭異吧?  例如，您的服務器上有 128GB 的​​ RAM 和 8 個虛擬機，則可以為每個虛擬機分配 24GB 的 RAM。總共有 192GB 的 RAM，但實際上這八台虛擬機在運行的時後幾乎不可能同時每一台VM都用光了24GB RAM配額， 因此 Hypervisor 會動態調整每台VM使用的RAM大小，每台VM 可能都以為他有 24GB 的RAM，但實際上他們只使用執行特定任務所需的 RAM 量。Hypervisor 僅是不停的觀察 VM Instance 運行時RAM or CPU 之類 resource 的實際需求，並且動態的拿閒置的 resource 去給繁忙的VM使用，很聰明的動態分配每個VM 即時所需的RAM or CPU 等等的資源量。這是所有現代企業數據中心DC（例如 phoenixNAP）都使用 Type 1 hypevisor 的原因之一。

Type 1 Hyperviso 廠商

有許多不同的管理程序供應商可用。大多數提供試用期以在您購買之前測試他們的服務。如果您想要他們提供的所有進階功能，那麼就需要花錢購買。

這些是最常見的 1 類管理程序：

VMware vSphere with ESX/ESXi

VMware 是業界領先的虛擬化技術供應商，許多大型數據中心都在其產品上運行。對於較小的 IT 環境，它可能不是最具成本效益的解決方案。如果您不需要 VMware vSphere 提供的所有高級功能，可以使用此虛擬機管理程序的免費版本和多個商業版本會比較便宜， vSphere 貴貴的啊。

KVM (Kernel-Based Virtual Machine)

KVM 作為附加功能內置於 Linux kernel中，它其實只是和Linux Kernel 綁在一起，實際運作起來是完全獨立於OS。它允許您將 Linux Kernel 內核直接轉換為VM的 hypervisor 管理器，千萬另誤以為 KVM 是Type 2 hypervisor 別混淆了，因為你會說它不是裝在 Linux 上嗎? Type 1 hypervisor 不是不需要安裝OS就可以直接 run 了嗎? 其實它還真的是獨立在作業系統之外，因為它不需要透過OS層就可以直接接觸到 HW Layer 直接訪問硬體，並且也不需要透過OS Linux 就可以直接訪問其託管的VM虛擬機。 KVM 是一個開源管理程序，它包含 Linux 的所有特性以及許多其他功能。這使其成為企業環境的首選之一，KVM的強大亮點包括 Live Migration 線上即時遷移、排程Scheduling 調度和資源控制，以及更高的優先級。

要了解有關使用 KVM 的更多信息，請訪問我們的教程如何在 Ubuntu 上安裝 KVM 和如何在 CentOS 上安裝 KVM。

How To Install KVM On Ubuntu

How To Install KVM On CentOS

Microsoft Hyper-V

儘管 VMware 的虛擬機管理程序憑藉其眾多的高級功能在業界處於較高的地位，但微軟的 Hyper-V 已成為一個有價值的對手。 Microsoft 還提供了他們的免費版本Hypervisor，但如果您想要的是有 GUI 和附加功能的 Hyper-V，您就要買商業版本。 Hyper-V 可能沒有提供與 VMware vSphere 軟件包一樣多的功能，但您仍然可以獲得Live Migration 實時遷移、虛擬機複製replication、動態內存dynamic memor和許多其他功能。

Oracle VM Server for x86

這個Oracle 推出的 Hypervisor 是以開源 Xen 為核心並且是免費的，不過也有付費的高級功能版本。儘管 Oracle VM 本質上是一個穩定的產品，但它不如 vSphere、KVM 或 Hyper-V 強大。Oracle VM Server for x86 是 Oracle Corporation 提供的服務器虛擬化產品。 Oracle VM Server for x86 整合了免費和開源的 Xen 管理程序技術，支持 Windows、Linux 和 Solaris Guest OS，並包括一個 Web base 的管理控制台。

Citrix Xen Server (Citrix Hypervisor)

Citrix 的這個服務器虛擬化平台最適合企業環境。它可以處理所有類型的工作負載 (workloads)，並為最苛刻的任務提供功能。 Citrix 為其專有功能感到自豪，例如 Intel 和 NVIDIA 通過 Direct Inspect API 增強了虛擬化圖形(enhanced virtualized graphics) 和工作負載安全性(workload security )。它最初由劍橋大學計算機實驗室開發，現在由 Linux 基金會在英特爾、思傑、Arm Ltd、華為、AWS、阿里雲、AMD、Bitdefender 和 epam 的支持下開發。

Type 2 Hypervisor

這種type 2 hypervisor 在實體主機上面必需先安裝作業系統，然後以一個 Application 的形式在OS內部運行，Type 2 就記憶成VM下面有2層，一層是 Hypervisor 另外一層是 OS作業系統，這樣就很容易記了，記得 Type 2的 Hypervisor 叫作 hosted Hypervisor ，也就是OS主機託管的 Hypervisor，Type 2 Hypervisor 必需依附在OS，它無法將VM傳來的指令直接下發給底層的 Hardware而是要先下發給OS層，然後透過OS層去和 HW 溝通，與直接在硬件上運行的 Type 1 Hypervisor 很不同效能當然比較差，例如我們 windows 上常裝的 virtual box 就是 Type 2 的 hypervisor，它包含了下列的項目。

• A physical machine.
• An operating system installed on the hardware (Windows, Linux, macOS).
• A type 2 hypervisor software within that operating system.
• The actual instances of guest virtual machines.

Type 2 Hypervisor 通常出現在具有少量 實體主機可用的環境中，例如你的個人電腦或是個人筆電中，裝一個 Virtual Box ，方便的是管理程式 Hypervisor 和 虛擬機同時存在一台機器上面，您不需要在另一台機器上安裝Hyperviosr management console來設置和管理虛擬機，啟動 Type2 hypervisor 的VM虛擬機時，您會看到一個獨立的窗口VM。

Type 2 Hypervisor Performance

Hosted hypervisors 本質上還充當虛擬機的管理控制台，您可以使用內置功能執行任何任務。無需在另一台機器上安裝單獨的軟件來Create or Maintain 您的 VM環境。您只需安裝和運行類型 2 管理程序，就像在您的操作系統中安裝任何其他Application一樣。有了它，您可以創建快照或克隆您的虛擬機、import or export 設備等。

以下是 Type 2 Hypervisor  （Oracle 的 VirtualBox）的一個展示畫面：

VirtualBox

在使用這種類型的虛擬機管理程序分配實際資源時，您確實需要小心，裸機管理程序可以根據特定 VM 的當前需求動態分配可用資源。而 Type 2 Hypervisor 管理程序則是直接佔用您分配給虛擬機的任何資源。

當您為 VM 分配 8GB 的​​ RAM 時，即使 VM 僅使用其中的一小部分，VM機器 Instance 起來時也會直接佔滿8G。如果主機具有 32GB 的 RAM，並且您創建了三個每個 8GB 的​​ VM，則剩下 8GB 的​​ RAM 來保持物理機的運行。你如果再多創建另一個具有 8GB 內存的 VM那總共就使用完了 32G RAM，那你的物理器的 RAM就被用光了，這會導致系統崩潰。記住這一點至關重要，以避免過度分配資源和主機崩潰。

在 Type 2 hypervisor 如 Virtual Box 中可以同時起多個不同OS作業系統的VM Instance ，對於開發了程式想在多種不同的作業系統環境下進行測試的人來說，有了Virtual Box 就很方便，測試員可以很方便的測試開發的應用程序在每個不同的OS環境中的行為或創建特定的網絡環境，您只需要確保有足夠的物理資源來保持主機和虛擬機都能運行即可。

Type 2 Hypervisor Vendors 相關產品供應商

與Type 1 Hypervisor 裸機管理程序一樣，您可以在眾多供應商和產品之間進行選擇。方便的是，許多 Type 2 Hypervisor 在其基本版本中是免費的，並提供了足夠的功能，有些甚至在您免費安裝附加軟件包時提供高級功能和性能提升。下列是一些最常用的Type 2  Hosted Hypervisor ：

Oracle VM VirtualBox

一款免費但穩定的產品，具有足夠的個人使用和大多數小型企業使用的功能， VirtualBox 對資源的要求不高，並且已被證明是桌面和服務器虛擬化的良好解決方案。它為Guest machine 多處理提供支持，每個VM虛擬機最多可以提供 32 個 vCPU、PXE Network Boot 遠端網路開機、snapshot trees快照樹等等

VMware Workstation Pro (Win) / VMware Fusion (MAC)

VMware Workstation Pro 是適用於 Windows 和 Linux 的 Type2 Hypervisor。它充滿了高級功能，並與 vSphere 無縫整合。這允許您在桌面和雲環境之間移動您的應用程序。VMWare 家的東西就是好用但是要付錢，因為沒有免費版本。如果您想免費了解 VMware Hosted Hypervisor 可以嘗試看看 VMware Workstation Player，這是適用於小型沙盒環境的管理程序的基本版本。對於 MacOS 用戶，VMware 開發了類似於他們的 Workstation 產品的 Fusion。它具有較少的功能，但價格也較低。

Windows Virtual PC

它僅支持 Windows 7 作為host machine 主機並且僅能在 Guest OS 上裝 Windows 操作系統。這包括多個版本的 Windows 7 和 Vista，以及 XP SP3，功能有限，不過Virtual PC 完全免費。

Parallels Desktop

VMware Fusion 的競爭對手。它主要面向 MacOS 用戶，並根據您購買的版本提供大量功能。其中一些功能包括網絡調節、與 Chef/Ohai/Docker/Vagrant 的集成、每個 VM 支持高達 128GB 等。

Type 1 vs. Type 2 Hypervisor

選擇正確類型的Hypervisor 嚴格取決於您的個人需求。您需要記住的第一件事是您打算運行的虛擬環境的大小。對於個人使用和較小的部署，您可以選擇 Type 2 Hypervisor (如 VirtualBOX)。如果預算不是問題，VMware 將提供您需要的所有功能。否則Oracle VM VirtualBox 是一個提供了大部份需要功能的虛擬機管理程序。

Enterprise Environment 企業環境

儘管Type 1 Hypervisor 是很棒的可行的方法，但您在做出決定之前確實需要考慮許多因素，最關鍵的因素通常是成本，你允許花多少錢建置你的 NFVi?  成本是您需要特別注意的地方，因為付費後的許可使用範圍可能是按服務器、按 CPU 甚至有時按Kennerl 內核。在當前市場上，VMware vSphere 和 Microsoft Hyper-V 之間正在展開一場較量。雖然 Hyper-V 幾年前落後了，但它現在已成為一個有效的選擇，即使對於更大的部署也是如此，當然 KVM 也是可以和 VMware vSphere  一較長短的。

許多供應商提供多種不同的 Hypervisor 產品和不同層級的 License 採買方式以適應各家公司組織，採購前您可能要創建一個需求列表。例如您需要多少 VM、每個 VM 允許的最大資源、每個Cluster 的節點、特定功能，然後檢查哪些產品最適合您的需求。注意：在測試選擇哪個 Hypervisor 時，試用期非常有用要好好測試。