虚拟化技术与应用 — 复习提纲+题库

第1章 · 虚拟化技术概述

▶

1.1 虚拟化的定义与发展

虚拟化：将物理资源（CPU/内存/存储/网络）抽象为逻辑资源，实现一台物理机运行多个隔离环境

发展历程：IBM大型机(1960s) → x86虚拟化(VMware 1999) → 开源KVM/Xen → 容器化Docker(2013) → 编排K8s(2014)

虚拟化的意义：提高资源利用率、降低成本、快速部署、隔离安全、灾备恢复

1.2 虚拟化分类

按对象分：服务器虚拟化、桌面虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化

按实现方式分：全虚拟化(Full) — 完全模拟硬件，Guest OS不需修改（如VMware/KVM）

半虚拟化(Para) — Guest OS需修改内核以配合Hypervisor（如Xen早期）

操作系统级虚拟化(OS-level) — 共享内核，进程级隔离（如Docker/LXC）

1.3 Hypervisor

Type 1（裸金属）：直接运行在硬件上 — VMware ESXi、Xen、Hyper-V

Type 2（宿主型）：运行在操作系统上 — VMware Workstation、VirtualBox、KVM（特殊，内核模块但归Type1）

考点：KVM本质是Linux内核模块，利用Intel VT-x/AMD-V硬件辅助虚拟化。虽然运行在Linux上，但因直接使用硬件虚拟化扩展，通常归为Type 1。

第2章 · CPU/内存/IO虚拟化原理

▶

2.1 CPU虚拟化

特权指令问题：x86 Ring0-Ring3，Guest OS运行在Ring1/3时无法执行Ring0特权指令

解决方案：①二进制翻译(BT) — 运行时替换特权指令（VMware早期）②半虚拟化 — 修改Guest内核替换特权调用(Xen)③硬件辅助 — Intel VT-x/AMD-V增加VMX root/non-root模式(KVM)

VMX模式：Root模式运行Hypervisor，Non-Root模式运行Guest。VM Entry进入Guest，VM Exit回到Hypervisor

2.2 内存虚拟化

地址翻译：GVA(Guest虚拟) → GPA(Guest物理) → HPA(Host物理)，需要两级转换

影子页表(SPT)：软件维护GVA→HPA的映射，开销大

EPT/NPT：Intel EPT / AMD NPT 硬件辅助，硬件自动完成两级翻译，性能好

内存气球(Balloon)：通过Guest内部驱动主动释放内存给Hypervisor，实现内存超分

2.3 I/O虚拟化

模拟(Emulation)：完全软件模拟设备，兼容性好但性能差

半虚拟化(Virtio)：前端(Guest驱动)+后端(Host处理)，性能接近物理设备

直通(Passthrough)：Intel VT-d/SR-IOV，设备直接分配给VM，性能最好但不能共享

考点：Virtio是KVM中最常用的IO虚拟化方式，性能远优于纯模拟。SR-IOV可将一个物理网卡虚拟为多个VF(Virtual Function)分配给不同VM。

第3章 · KVM虚拟化

▶

3.1 KVM架构

KVM = Linux内核模块(kvm.ko + kvm_intel.ko/kvm_amd.ko)，将Linux变成Hypervisor

QEMU = 用户空间设备模拟器，负责模拟IO设备（磁盘/网卡/显卡等）

libvirt = 虚拟化管理API层，提供统一接口管理KVM/Xen/QEMU等

virsh = libvirt的命令行工具，管理虚拟机的创建/启动/关闭/迁移等

3.2 virsh常用命令

virsh list --all 列出所有VM | virsh start/shutdown/destroy vm 启动/关机/强制关闭

virsh console vm 连接控制台 | virsh define/undefine xml 定义/删除VM

virsh snapshot-create-as vm snap1 创建快照 | virsh migrate 热迁移

3.3 虚拟机磁盘

qcow2：KVM原生格式，支持快照/压缩/加密/增量备份，文件按需增长（稀疏分配）

raw：裸格式，性能最好但不支持快照，文件预先分配全部空间

qemu-img create -f qcow2 disk.qcow2 20G 创建虚拟磁盘

qemu-img convert -f raw -O qcow2 disk.raw disk.qcow2 格式转换

考点：生产环境推荐qcow2（灵活），性能要求极高场景用raw。虚拟机迁移需要共享存储或先复制磁盘文件。热迁移(Live Migration)可在VM运行中迁移到另一台宿主机。

第4章 · Docker容器技术

▶

4.1 容器 vs 虚拟机

容器共享Host内核，秒级启动，MB级体积，进程级隔离

虚拟机有完整Guest OS，分钟级启动，GB级体积，系统级隔离

容器适合微服务/CI/CD，虚拟机适合强隔离/多OS场景

4.2 Docker核心概念

镜像(Image)：只读模板，由多层(Layer)叠加。docker pull/build/images

容器(Container)：镜像的运行实例，可读写。docker run/ps/stop/rm

仓库(Registry)：存储分发镜像。Docker Hub / 私有仓库Harbor

4.3 Docker底层技术

Namespace：提供资源隔离 — PID/NET/MNT/UTS/IPC/USER 六种命名空间

Cgroup：提供资源限制 — 限制CPU/内存/IO/网络带宽的使用量

UnionFS：分层文件系统 — OverlayFS/AUFS，镜像层只读+容器层可写

4.4 Dockerfile

FROM 基础镜像 | RUN 执行命令 | COPY/ADD 复制文件 | CMD/ENTRYPOINT 启动命令

EXPOSE 声明端口 | WORKDIR 工作目录 | ENV 环境变量 | VOLUME 数据卷

4.5 Docker网络

bridge：默认模式，容器通过docker0网桥通信

host：共享宿主机网络栈，性能好但无隔离

none：无网络 | overlay：跨主机容器通信（Swarm/K8s）

4.6 Docker Compose

YAML文件定义多容器应用。docker-compose up -d 启动，down 停止

services 定义服务 | volumes 数据卷 | networks 网络 | depends_on 依赖

考点：Namespace管隔离，Cgroup管限制，两者结合实现容器化。ADD比COPY多了解压和URL功能。CMD可被docker run参数覆盖，ENTRYPOINT不容易被覆盖。

第5章 · Kubernetes容器编排

▶

5.1 K8s架构

Master节点：kube-apiserver(API入口) + etcd(数据存储) + kube-scheduler(调度) + kube-controller-manager(控制器)

Node节点：kubelet(管理Pod) + kube-proxy(网络代理) + container-runtime(容器运行时)

5.2 核心对象

Pod：最小部署单元，一个或多个容器共享网络和存储

Deployment：管理Pod副本数、滚动更新、回滚

Service：为Pod提供稳定IP和DNS，负载均衡（ClusterIP/NodePort/LoadBalancer）

Namespace：资源逻辑隔离，多租户

ConfigMap/Secret：配置管理。ConfigMap存普通配置，Secret存敏感数据(base64)

DaemonSet：每个节点运行一个Pod（如日志收集Agent）

StatefulSet：有状态应用（如数据库），保证Pod名称和存储稳定

5.3 kubectl常用命令

kubectl get pods/svc/deploy/ns | kubectl apply -f x.yaml | kubectl delete

kubectl describe pod x | kubectl logs x | kubectl exec -it x -- sh

kubectl scale deploy x --replicas=5 | kubectl rollout undo deploy x

5.4 探针与调度

livenessProbe：检测存活，失败则重启容器

readinessProbe：检测就绪，失败则从Service移除（不转发流量）

调度策略：nodeSelector/nodeAffinity/podAffinity/Taints&Tolerations

考点：etcd存储集群所有状态。kubelet在Node上管理Pod生命周期。Service的ClusterIP仅集群内部，NodePort对外暴露(30000-32767)，LoadBalancer需要云平台支持。

第6章 · 云计算基础

▶

6.1 云服务模型

IaaS（基础设施即服务）：提供虚拟机/网络/存储 — 阿里云ECS、AWS EC2

PaaS（平台即服务）：提供运行时环境/数据库/中间件 — Heroku、GAE

SaaS（软件即服务）：提供完整应用 — Gmail、Office 365、钉钉

6.2 部署模型

公有云：开放给所有用户（阿里云/AWS/Azure）

私有云：企业内部专用（OpenStack/VMware vSphere）

混合云：公有+私有结合，业务灵活分配

6.3 云原生

云原生 = 微服务 + 容器化 + DevOps + 持续交付

CNCF(云原生计算基金会)管理K8s等项目

考点：IaaS/PaaS/SaaS层级关系：IaaS最底层(管硬件)，PaaS中间(管平台)，SaaS最上层(管应用)。用户管理的范围从IaaS到SaaS逐渐减少。

总题数 0

已答 0

正确 0

错误 0

正确率 --%

🖥️ 虚拟化技术与应用