阅读时长：10 分 40 秒 | 发布日期：2025 年 7 月 7 日
虚拟机 什么是虚拟机？
虚拟机 (VM) 是对物理计算机系统的、基于软件的抽象，旨在模拟独立计算环境的功能。虚拟化技术通过将硬件资源（如 CPU、内存、存储和网络接口）与软件层解耦，使多个独立且隔离的虚拟化实例共存于同一物理基础设施上，独立运行操作系统和应用程序。
- 虚拟机（VM）释义
- 虚拟机有哪些优势？
- 虚拟机有哪些类型？
- 虚拟机如何工作？
- 虚拟机有哪些用例和应用？
- 虚拟机的未来趋势是什么？
- HPE 如何通过虚拟机解决方案为您提供帮助？
虚拟机（VM）释义
虚拟机 (VM) 是物理计算机的软件定义抽象，可提供完全隔离的模拟计算环境。这种模拟包括虚拟化的 CPU、内存、存储和网络接口，所有这些都由称为虚拟机监控程序的专用软件层管理。虚拟机监控程序将底层硬件的物理资源分配给虚拟机并进行调度，使其能够像独立的物理机器一样运行。每个虚拟机都使用自己的客户端操作系统运行，配有虚拟化的 BIOS/EFI、内核和设备驱动程序，由它们与虚拟硬件层交互。这些虚拟硬件层将虚拟机内执行的操作转换为物理主机组件的操作。这种架构确保了虚拟机之间的强隔离，使多个实例能够在同一物理系统上安全且高效地共存和运行。
虚拟机有哪些优势？
在 IT 基础设施管理的多个领域使用虚拟机有以下几个好处：
- 可扩展性：虚拟机可以根据需求扩大或缩小处理资源、轻松添加或删除虚拟机，而无需新硬件。
- 可移植性：虚拟机可以在服务器和数据中心之间复制和移动，实现工作负载平衡、灾难恢复和无缝传输。
- 灵活性：虚拟化支持在单个物理服务器上运行多个操作系统和应用程序，从而高效利用资源并适应各种工作负载。
- 安全性：虚拟机采用隔离技术来增强安全性，降低了病毒感染和漏洞在系统中蔓延的风险。
- 敏捷性和速度：可利用虚拟化快速配置和部署虚拟机，显著减少新服务器和应用程序的设置时间，从而更快地实现创新以及响应业务需求。
- 减少停机时间：虚拟化支持实时迁移和高可用性，可最大限度地减少维护工作或硬件故障期间的停机时间，并确保持续服务。
- 成本效益：通过将多个虚拟机整合到更少的物理服务器上，组织可以节省硬件和能源成本，同时还可以简化管理，降低运营费用。
虚拟机有哪些类型？
根据用途、功能以及向底层硬件提供的访问级别，虚拟机 (VM) 可以分为不同类型。
- 系统虚拟机是主要类型之一，它提供了一个完整的系统环境，支持运行完整操作系统 (OS)。这些虚拟机模拟物理机，允许多个操作系统实例在单个物理主机上同时运行。示例有基于虚拟机监控程序的虚拟机，例如 VMware ESXi、Microsoft Hyper-V 和 KVM（基于内核的虚拟机）。这些虚拟机监控程序可进一步分为两类，类型 1（裸机）虚拟机监控程序直接在主机的硬件上运行，而类型 2（托管）虚拟机监控程序则在现有操作系统上运行。
- 进程虚拟机，也称为应用程序虚拟机，旨在运行单个应用程序或进程，它提供独立于平台的环境。这些虚拟机为运行单个应用程序提供隔离的环境，确保了不同操作系统之间的兼容性。
虚拟机如何工作？
虚拟机 (VM) 利用虚拟机监控程序来抽象和管理物理硬件资源，使多个相互隔离的环境能够在同一物理主机上运行。以下是简化的分步说明：
1. 硬件抽象
虚拟机监控程序充当物理硬件和虚拟机之间的中间层，创建了虚拟化的硬件环境。它提供：
- 虚拟 CPU (vCPU) ：使用上下文切换技术调度虚拟机 CPU 并将指令翻译为物理 CPU 指令。
- 虚拟内存：将虚拟内存映射到物理内存，同时确保虚拟机之间相互隔离。
- 虚拟存储：将物理存储（例如硬盘）模拟为虚拟磁盘，通常表示为主机系统上的文件。
- 虚拟网络：为虚拟机创建虚拟网络接口 (vNIC)，将其连接到物理或虚拟网络。
2. 客户端操作系统引导过程
当虚拟机启动时，虚拟机监控程序会初始化虚拟硬件，然后将控制权交给客户端操作系统。客户端操作系统就像在物理机上运行一样启动：
- 虚拟 BIOS/EFI 启动引导序列。
- 客户端操作系统内核检测并初始化虚拟硬件。
- 加载虚拟设备驱动程序，使用户空间进程能够启动。
3. 指令执行
管理程序利用多种技术将指令从客户操作系统转换到物理硬件，并为其提供便利：
- 二进制翻译：将特权指令转换为主机系统的安全操作。
- 硬件辅助虚拟化：现代化 CPU（例如 Intel VT-x、AMD-V）通过直接捕获并执行特权指令来优化虚拟化。
- 半虚拟化：在某些情况下，客户端操作系统直接与虚拟机监控程序交互以提高性能。
4. 资源管理
虚拟机监控程序根据需求动态分配和优化虚拟机的物理资源：
- 过量分配：分配比物理可用资源更多的虚拟资源（例如，CPU、内存），前提是假设并非所有虚拟机都会同时充分利用分配给其的资源。
- 实时迁移：在不中断服务的情况下，在物理主机之间移动正在运行的虚拟机，确保资源使用的平衡和容错能力。
5. I/O 虚拟化
当虚拟机执行输入/输出 (I/O) 操作（例如磁盘读取、写入或网络通信）时，虚拟机监控程序会拦截这些请求并将其转换为物理硬件操作。客户端操作系统内的虚拟设备驱动程序无缝地促成了这一过程。
总结
虚拟机的工作方式是，通过虚拟机监控程序虚拟化硬件资源，使客户端操作系统能够独立于物理主机运行。虚拟机监控程序可确保高效资源分配、安全性和隔离，使虚拟机能够在共享基础设施上灵活运行多个工作负载。
虚拟机有哪些用例和应用？
虚拟机 (VM) 通过模拟物理硬件，为各个行业和 IT 环境提供了多种用例。
- 开发和测试环境：虚拟机使开发人员能够为开发、测试和调试工作创建不会影响生产的隔离环境。使用它们可以快速设置不同的操作系统和配置，以方便测试，并支持快照和回滚，实现高效且低风险的开发。
- 灾难恢复和备份：虚拟机对于灾难恢复至关重要，它可以将虚拟机复制并备份到异地位置，通过快速恢复选项确保业务连续性，减少停机时间并简化系统恢复。虚拟机还可以延长遗留应用程序的使用寿命，避免昂贵的重写并确保与现代硬件兼容。
- 云计算：虚拟机是云计算的基础，服务提供商通过它提供基础设施即服务 (IaaS)。这种技术允许用户在云中管理虚拟服务器，提供可扩展且灵活的资源、实现即用即付定价模式，并支持多租户架构。
- 虚拟桌面基础设施 (VDI)：VDI 部署虚拟桌面，为远程和移动用户提供一致的用户体验，实现了集中管理和更高安全性、支持远程工作，并简化了程序更新和修补操作。
- 应用程序隔离和安全：虚拟机隔离应用程序，可降低安全风险、防止冲突，并实现对可疑软件的安全测试。最佳实践包括修补、安全配置、隔离、分段和持续监控。
- 恶意软件分析和隔离：安全专家可使用虚拟计算机安全地分析和限制恶意软件。通过在隔离的虚拟环境中运行具有潜在危险的软件，研究人员可以在不损坏主机系统的情况下分析其行为。
- 安全访问及运行不兼容的软件：虚拟计算机为访问互联网或者运行具有潜在危险的应用程序提供了安全的环境。
- 负载平衡和高可用性：虚拟机通过在多台服务器上分配工作负载来支持负载平衡和高可用性，从而提高性能并在发生故障时提供冗余。
- 研究与实验：虚拟机为实验和模拟提供了受控环境，这种环境具有配置灵活、易于回滚以及环境间相互隔离等特点。
- 资源分配与管理：有效的资源分配对于获得最佳 VM 性能至关重要，利用工具和技术来管理资源可确保优化并避免争用。
- 编排：为了满足要求，虚拟机必须可扩展。Kubernetes 和 OpenStack 等编排工具可以自动化管理任务、提高效率并支持与容器化技术的集成。
- 许可与合规性：虚拟机部署涉及操作系统和应用程序的许可问题，遵守软件和硬件协议以及监管标准对于避免处罚至关重要。
虚拟机的未来趋势是什么？
- 与原生云技术集成
虚拟机 (VM) 在不断发展，以便与容器和编排平台等云原生技术无缝集成。它们在混合和多云环境中仍然至关重要，在为容器化工作负载提供基础设施的同时确保安全性和隔离性。增强的 API 和自动化框架简化了虚拟机的配置、扩展和迁移，使其在企业向云原生架构转型时仍保持重要地位。
2. 虚拟机在边缘计算中的作用日益重要
在工作负载更靠近其数据源（例如物联网设备和智能城市应用）的边缘计算中，虚拟机至关重要。虽然容器因其轻量级设计占据主导地位，但在需要强隔离、支持遗留应用或需要使用多种操作系统的场景中，虚拟机更受青睐。轻量级虚拟机技术减少了资源开销和启动时间，使虚拟机仍可高效运行要求灵活性和安全性的边缘工作负载。
3. 提高虚拟化环境中的安全性
虚拟机采用了先进的硬件辅助安全功能（如可信执行环境 (TEE)、内存加密和安全飞地）来保护敏感数据和计算。机密计算确保了数据即使在处理过程中也保持加密。这些进步使得虚拟机适用于具有严格监管要求的行业中的高安全性工作负载。
4. 面向 AI 和机器学习的虚拟机优化
AI 和机器学习工作负载需要高性能环境，而人们正在针对 GPU 加速和单根 I/O 虚拟化 (SR-IOV) 等硬件直通技术优化虚拟机。这些功能使虚拟机能够高效处理 AI 模型训练和推理等计算密集型任务，同时保持可扩展性和隔离性。
5. 自动化和采用 AI 技术的管理
AI 和自动化改变了虚拟机管理。预测性分析和机器学习使虚拟机监控程序能够优化资源分配、预测工作负载需求并自动执行实时迁移以最大限度减少停机时间。AI 驱动型监控工具提供了实时的洞察分析，在提高可扩展性的同时降低管理开销。
6. 可持续性和绿色计算
虚拟机采用节能的虚拟化技术，为可持续发展做出了贡献。具有功耗感知能力的调度功能和资源优化可降低能耗，而增强型监控工具则可跟踪并最大限度减少虚拟机的碳足迹。这些措施使虚拟化技术与绿色计算目标保持一致。
7. 虚拟机与原生云技术的集成与融合
虚拟机 (VM) 在不断发展，以便与容器和编排平台等云原生技术无缝集成。在混合和多云环境中，它们为容器化工作负载提供安全、隔离且多样化的操作系统支持。增强型 API 和自动化工具改进了 VM 配置、扩展和迁移，确保它们在云原生架构中持续发挥重要作用。
同时，虚拟机与容器的融合催生了兼具两者优势的统一平台。虚拟机提供强大的隔离性和操作系统多样性，容器则提供轻量级带来的可移植性和快速部署能力。
HPE 如何通过虚拟机解决方案为您提供帮助？
HPE Morpheus VM Essentials Software：
- 简化虚拟化管理：HPE Morpheus VM Essentials Software 旨在简化虚拟机管理的复杂性，尤其是在异构环境中。它包含一款受支持的新型企业级虚拟机监控程序，该程序基于经过验证的 KVM 虚拟机监控程序，并且能够管理 HPE Morpheus VM Essentials 和 VMware vSphere 群集。这使得管理员无需在不同的管理控制台之间切换，从而节省时间并降低学习难度。这种统一的方法可以减少培训需求、简化操作，从而节省成本。
- 统一管理：此功能允许您将现有 VMware 群集免费集成到 VM Essentials 平台中。这意味着您可以从同一界面管理在现有 ESXi 主机上运行的虚拟机以及在 HVM 虚拟机监控程序上运行的虚拟机。这种集中控制简化了虚拟机分配和其他管理任务。
- 灵活消费模式：HPE Morpheus VM Essentials Software 以两种方式使用：作为您可以自行安装和管理的独立软件，或作为 HPE 私有云解决方案之一（例如 HPE Private Cloud Business Edition）的集成组件。这种灵活性使您可以选择最适合自己需求和现有基础设施的部署模式。
HPE Private Cloud Business Edition (PCBE)：
- 敏捷的自助式私有云：HPE Private Cloud Business Edition 旨在为用户自己的数据中心提供公有云的灵活性和自助服务功能。它使用户能够通过自助服务门户快速配置和管理自己的资源（包括虚拟机），使 IT 人员无需干预每个请求。这加快了应用程序部署并提高了对业务需求的响应能力。Business Edition 可以部署在您需要的任何地方——本地、边缘或主机托管设施。
- 简化虚拟机管理：Business Edition 通过自动执行许多常见任务（例如配置、扩展和监控）来简化 VM 管理。它还提供跨本地和公有云环境管理虚拟机的工具，打造混合云体验。
- 工作负载优化型私有云：Business Edition 同时利用了在边缘的 HPE 现代超融合基础设施 (HCI) ，以及在数据中心的用于实现可扩展性的分布式超融合基础设施 (dHCI)。HCI 将计算、存储和网络资源整合到单个集成系统中。这种架构简化了部署和管理，并且可以通过定制底层硬件和软件配置，针对 VDI（虚拟桌面基础设施）或数据库等特定工作负载进行优化。dHCI 让您能够以统一方式管理系统，在保留所有运维优势的同时实现计算与存储资源的独立扩展。
HPE Private Cloud Enterprise：
- 精简和现代化：HPE Private Cloud Enterprise 不仅仅局限于虚拟机，还为您的整个私有环境（包括裸机服务器、容器和虚拟机）提供完全托管的云体验。它为传统应用和原生云应用提供了一致的平台，有助于您实现 IT 基础设施现代化。这使您可以整合自己的 IT 环境，降低复杂性。
- 完全托管的云体验：HPE 借助 Private Cloud Enterprise 管理您的私有云基础设施，包括硬件维护、软件更新和全天候支持。这使您的 IT 员工能够专注于更具战略性的计划，例如开发新应用和服务。您无需管理底层基础设施，即可享受云一般的体验带来的好处。
HPE Morpheus Enterprise Software：
- HPE Morpheus Enterprise Software 提供了一个强大的混合云管理平台，可跨私有云和公有云统一虚拟机、容器和云原生工作负载的运营。它旨在简化 IT 运营，提供了自助服务门户、自动配置，并通过内置的治理、成本分析和策略实施功能进行全生命周期管理。Morpheus 与 ITSM、CI/CD 和身份系统原生集成，实现了一致、安全且可扩展的基础设施编排。它支持各种虚拟机监控程序（包括 VMware、Nutanix 和 KVM），非常适合企业实现虚拟资产现代化或进行供应商转型。
- 对于从使用 HPE Morpheus VM Essentials 开始的组织，该平台提供了无缝升级到完整 Morpheus Enterprise 许可证的途径。VM Essentials 通过内置 KVM 虚拟机监控程序提供核心虚拟化功能，并且针对在 HPE 和第三方硬件上经济高效地部署进行了优化。客户可以随着需求的发展，通过升级到 Morpheus Enterprise 来解锁各种高级功能，例如 Kubernetes 支持、多云治理、FinOps 和复杂工作流程自动化，并且无需重新平台化。这种灵活性确保企业能够充满信心地扩展业务，同时保持业务连续性并最大化投资回报率。