CCIoT · 2.1

虚拟化技术

一台物理机支持多个运行环境

VER. 2608 Built with impress.js

学习目标

说明资源从哪来、谁能访问、怎样复制或恢复环境

01画出物理 CPU、内存和磁盘经过虚拟化层分配给多台虚拟机的过程
02区分宿主机、虚拟化层、虚拟机和客户操作系统
03根据虚拟化层的位置区分 Type 1 与 Type 2
04根据连通需求选择桥接、NAT 或仅主机网络
05区分远程管理、快照、克隆与备份
06Workstation 和 WSL2 分别适用于什么情况

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LEARNING OBJECTIVES

单项任务未必需要占用整台计算机

一套系统负载较低时，剩余 CPU、内存和存储可能闲置

单操作系统

每套操作系统独占一台物理计算机

负载低时，CPU、内存和存储仍被占用

多环境

多台虚拟机共享同一组物理资源

每个工作负载拥有相对独立的操作系统环境

Takeaway

虚拟化让物理资源能够被重新划分和组合

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RESOURCE UTILIZATION

虚拟机看到的 CPU 和内存从哪里来？

宿主机供硬件；虚拟化层呈现 CPU、内存、磁盘、网卡，决定虚拟机用多少

抽象

隐藏具体差异，呈现统一的虚拟硬件

分配

给不同虚拟机分配 CPU 时间、内存容量、虚拟磁盘和网卡

隔离

减少不同工作负载之间的直接干扰

管理

复制、回退和调整运行环境

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VIRTUALIZATION

虚拟机有操作系统，容器为什么没有？

虚拟机运行客户操作系统，容器应用通常共享宿主内核

Takeaway

虚拟机拥有完整操作系统，容器通常共享宿主操作系统内核

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VIRTUAL MACHINES AND CONTAINERS

练习：哪些场景真正使用了虚拟化？

Exercise

场景	已知信息	判断依据
一边写作业一边听歌	同一操作系统运行两个应用	没有出现独立虚拟硬件或客户系统
远程桌面连接另一电脑	通过网络控制另一台物理机	远程访问不等于资源虚拟化
Windows 中运行 WSL2	Linux 看到独立计算资源	物理资源被抽象为虚拟硬件

Takeaway

判断虚拟化要寻找虚拟硬件、客户系统和资源分配的证据

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VIRTUALIZATION EVIDENCE

虚拟机带客户系统，容器共享宿主内核

隔离对象不同：虚拟机隔开操作系统，容器隔开应用进程及其依赖

虚拟机

每台虚拟机都包含独立的客户操作系统和虚拟硬件

容器

多个容器共享宿主内核，主要意义在于将应用及其依赖封装起来

隔离边界

虚拟机技术隔离了操作系统环境，而容器主要隔离了进程环境

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VIRTUAL MACHINE LAYERS

虚拟化层在硬件上，或经宿主操作系统？

直接运行在硬件上称为 Type 1；作为宿主操作系统中的软件运行称为 Type 2

Type 1：裸机型

物理硬件之上直接运行虚拟化层，再由虚拟化层承载多个虚拟机

主要用于服务器集中承载与管理

Type 2：宿主型

物理硬件上运行宿主操作系统，虚拟化软件是运行在宿主操作系统上的应用程序

VMware Workstation 是典型例子

Takeaway

以上只是简单分类，具体产品的内部架构往往更加复杂

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HYPERVISOR TYPES

隔离不等于绝对安全

虚拟机相对独立，但仍共享宿主机、虚拟化层和物理设备

工作负载隔离

某虚拟机出故障，一般不影响另一台虚拟机

资源竞争

多个虚拟机会分配同一宿主机的计算资源

共同故障边界

宿主机、虚拟化层故障同时影响多个虚拟机

Takeaway

多台虚拟机可以共享一台宿主机；宿主机出故障时，虚拟机也可能一起停止

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ISOLATION BOUNDARY

Workstation、KVM、QEMU

先看运行环境是：是管理完整虚拟机、提供虚拟 CPU，还是提供虚拟设备

工具角色	典型例子	运行位置	主要任务
桌面虚拟化	Workstation、VirtualBox	个人计算机	学习、测试、多系统运行
裸机型虚拟化	Xen、Hyper-V Server	服务器硬件	集中承载和管理虚拟机
内核虚拟化能力	KVM	Linux 内核	利用硬件能力运行虚拟 CPU
设备模型与模拟	QEMU	主机用户空间	提供虚拟设备或模拟其他架构

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VIRTUALIZATION ROLES

Windows 11 中的两种 Linux 环境

Workstation 观察硬件、网络、快照、克隆；WSL2 日常运行 Linux 工具

VMware Workstation

创建和运行完整虚拟机

可以调整虚拟硬件和网络，并练习快照恢复与克隆

WSL2

快速进入 Linux 命令行

适合持续使用 Bash、Python、Git 和部署本地 AI 工具

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CLASSROOM ENVIRONMENTS

三种网络模式

先问虚拟机能否上网、能否访问宿主机、局域网其他设备能否直接访问它

桥接

虚拟机被视为一台单独计算机，可以被同一网络中的其他设备直接访问

NAT

虚拟机通过宿主机转换地址访问外部网络，因此宿主机断网时它也无法访问互联网

仅主机

虚拟机只连接宿主机私有网络，默认不能访问互联网

Takeaway

网络模式安排的是通信路径，服务、端口或防火墙需要自行设置

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NETWORK MODES

练习：为三个任务选择网络模式

Exercise

任务	优先模式	判断线索
分析不可信文件，只与宿主机交换结果	仅主机	尽量限制外部连通范围
访问互联网，不占用局域网独立地址	NAT	通过宿主机地址转换出网
让同学直接访问虚拟机中的 Web 服务	桥接	虚拟机需要进入物理局域网

Takeaway

先搞清楚机器之间的访问关系，再选择合适的网络模式

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NETWORK CHOICE

演示前，先准备能退回的快照和备用副本

预先确认 Linux 能启动、NAT 和 SSH 可用，并保留基线快照与完整克隆

01

准备

ARM64 Linux 已安装并能够正常启动

02

联网

网络设为 NAT，Linux 已启用 SSH

03

身份

使用普通用户

04

状态

保留基线快照和预先创建的完整克隆

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DEMO PREPARATION

客户系统只能看到分配给它的资源

把宿主机配置与客户系统输出对照，验证虚拟硬件怎样被呈现

架构

用 uname -m 查看客户系统架构

内存

用 free -h 查看虚拟机获得的内存

磁盘

用 lsblk 查看虚拟磁盘

网卡

用 ip a 查看虚拟网络接口

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GUEST RESOURCE VIEW

从 NAT 联网到 SSH 登录

把控制台中的虚拟机变成网络中的可管理主机

01

确认网络

虚拟机网络适配器使用 NAT

02

查询地址

在 Linux 中运行 ip a

03

确认服务

检查 Linux 中的 SSH 服务已经运行

04

远程登录

从宿主机运行 ssh 用户名@虚拟机地址 并创建课堂标记文件

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NAT AND SSH

虚拟机能上网，为什么 SSH 失败？

01检查地址：连接的 IP 是否属于当前虚拟机
02检查路径：宿主机能否到达虚拟机所在网络
03检查服务：虚拟机中的 SSH 服务是否正在运行
04检查端口：防火墙是否允许对应端口
05检查认证：用户名、密钥或密码是否正确

Takeaway

能够访问网站，只能证明单向路径成立

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SSH DIAGNOSIS

快照：同一环境回到较早状态

用一个文件变化观察虚拟机状态回退

01

创建

拍摄快照并命名，作为实验基线

02

改变

创建、修改或删除课堂标记文件

03

恢复

回到实验基线快照

04

观察

核对文件和系统状态是否回退

Takeaway

快照记录状态变化关系，不会生成一套独立虚拟机

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SNAPSHOT DEMO

快照、克隆和备份解决不同问题

同一虚拟机回退用快照，复制独立机器用克隆，防原磁盘损坏用独立备份

快照

让同一虚拟机回到较早状态，不构成独立环境

克隆

产生另一台可以独立使用的虚拟机

备份

在原环境之外保留副本，常用于抵御设备或介质丢失

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STATE MANAGEMENT

快照是不是备份？

Exercise

快照

记录相对父磁盘发生的变化

父磁盘损坏或丢失时，快照链也会失去依据

独立备份

在原虚拟机之外保存可恢复副本

原磁盘失效时，仍能从另一位置恢复

Takeaway

如果宿主机的磁盘损坏，保存在同一磁盘上的快照不能救回虚拟机

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SNAPSHOT IS NOT BACKUP

克隆后，需要检查系统身份

复制文件不等于两台虚拟机可以无冲突并行运行

UUID

复制虚拟机后，为副本生成新的虚拟机标识

MAC 地址

虚拟网卡获得新的硬件地址

主机名

客户系统内部名称可能仍与原虚拟机相同

网络与密钥

静态地址、应用密钥和服务配置仍可能发生冲突

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CLONE IDENTITY

WSL2 让 Windows 可以直接使用 Linux

WSL2 使用虚拟化技术，但简化了设备管理

真实 Linux 内核

WSL2 在轻量级托管虚拟机中运行 Linux 内核

Windows 集成

可以从 Linux 命令访问 Windows 文件，也可以在 Windows 中调用 Linux 工具

日常工具环境

适合 Python、Git、编译工具和 AI 开发工作流

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WSL2 ARCHITECTURE

WSL2 的起点

完成 Linux 的第一个真实任务

Case

POWERSHELL

01
02
03
04
05
06
07
08wsl --status
wsl --list --online
wsl -l -v
wsl --install -d Ubuntu
wsl -d Ubuntu
wsl --set-default Ubuntu
wsl --update
wsl --shutdown

01

检查

查看 WSL 状态和已安装发行版

02

安装

必要时安装默认 Linux 发行版

03

进入

启动默认发行版并建立普通用户

04

使用

运行 Linux 命令、Python 脚本或 Git 命令

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WSL2 BASICS

选择 Workstation 还是 WSL2？

Exercise

任务	优先环境	主要理由
观察桥接、NAT 和仅主机网络	Workstation	需要控制虚拟网卡与网络
练习快照恢复和克隆	Workstation	需要完整虚拟机状态管理
日常运行 Python 与 AI 工具	WSL2	与 Windows 工作流结合
快速使用 Bash、Git 和包管理器	WSL2	不必维护完整桌面虚拟机

Takeaway

Workstation 可以控制虚拟网卡、快照和克隆，WSL2 适合持续使用 Linux

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ENVIRONMENT CHOICE

练习：构建一个可复用的虚拟环境

写出环境说明与验收证据

01画出物理资源、虚拟化层、虚拟机和客户操作系统，并标出共享故障边界
02根据使用者与互联网、宿主机、局域网设备的访问关系选择网络模式
03写出证明客户系统、网络地址和 SSH 登录分别成立的最小证据
04为“可回退、可复制、可抗磁盘损坏”分别选择快照、克隆或独立备份
05在 Workstation 与 WSL2 之间选择环境，并说明任务是否需要控制虚拟网卡、快照或长期使用 Linux 命令
06假设同一环境改由公有云提供，列出服务器维护由谁完成，系统账号、应用和数据仍由谁管理

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SECTION REVIEW

本节思维导图

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MIND MAP

本节问题

01虚拟化层如何把物理资源提供给多个虚拟机？
02虚拟机相互隔离，为什么仍可能同时受到宿主机故障影响？
03Type 1 与 Type 2 的虚拟化层分别位于哪里，Workstation 属于哪一类？
04桥接、NAT 和仅主机如何改变访问路径？
05为什么快照不能替代独立备份？
06Workstation、WSL2 与公有云实例分别适合什么任务，资源入口、网络路径和管理责任怎样变化？

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QUESTIONS