虚拟机技术领域专利技术综述

虚拟机技术领域专利技术综述

文章介绍了计算机领域虚拟机技术的概念原理及虚拟机监视器的实现情况，文章对虚拟机技术领域在中国的专利申请量的年度分布、国际/地区申请人分布以及全球各企业/高校/研究机构分布情况做了统计、分析，进而为我国在虚拟机技术领域的发展和创新提供参考。

标签：虚拟机；专利；分析

1 概述

虚拟机（Virtual Machine，简称VM）技术指的是一种硬件设备的软件模拟实现，最早由IBM于20世纪60年代提出，随着IBM370主机系列的成功，在70年代初期达到了它的第一个高峰[1]，到了80、90年代，随着多任务多用户操作系统的普及以及硬件成本下降使虚拟机技术无法发挥其优势，人们渐渐冷却了对它的研究热情[2]。

在虚拟机环境中，虚拟机监视器（virtual machine monitor，简称VMM）是虚拟机的核心层，位于硬件层与虚拟机系统之间，作为一个软件抽象层，其将单个物理硬件平台虚拟成多个虚拟机，使不同的操作系统可以在其上同时运行，负责上层虚拟机系统的资源分配和底层交接。随着VMM的发展，虚拟机技术重新成为计算机技术研究的焦点之一。

2 虚拟机监视器VMM的实现

虚拟机监视器VMM对底层硬件资源进行抽象，把它们重新组合并集成到多个虚拟机VM中实现虚拟化，每个虚拟机VM上都能够运行独立的操作系统实例，VMM需要能为虚拟机中的软件提供与底层硬件大致相同的硬件接口，同时能够保持对机器的控制，以及硬件访问的干预能力。目前主要有CPU的虚拟、内存的虚拟、I/O设备虚拟技术来实现虚拟机监视器VMM。

（1）CPU的虚拟：虚拟机监视器VMM在支持VMM直接执行（Direct Execution）技术的CPU上执行VM指令，实现在真实的机器上的虚拟化，而在不支持虚拟的CPU上，可以采用泛虚拟（Paravirtualization）和结合二进制代码翻译的直接执行，以及采用镜像描述符表（Shadow Descriptor Tables）和内存跟踪（Memory Tracing）技术来实现。

（2）内存的虚拟：传统的内存虚拟技术是采用数据结构-镜像页表，通过转换实现内存的访问。可以通过基于内容的页共享（Content-based Page Sharing）技术来实现较高的内存利用率，该基于内容的页共享是对各个VM页表中所有页的内容进行哈希计算，比较所得出的哈希值，若相同，则再进行整个页的内容的比较，在页内容也相同时，回收冗余的副本。

（3）I/O设备的虚拟：随着计算机技术的发展，出现了更丰富、更多样化的I/O设备，对I/O设备的虚拟难度进一步加大，目前主要采用模拟技术（Emulation）、泛虚拟化技术（Paravirtualization）、或直接分配技术（Direct Assignment）来实现对I/O设备的虚拟。

3 中国专利申请情况分析

中国专利文摘数据库中的数据涵盖了自1985年至今的所有中国专利文摘数据，数据全面且准确，因此选择中国专利文摘数据库CNABS作为检索的数据库进行数据检索。在国际专利分类号（IPC）[3]分类中，虚拟机主要分布在分类位置G06F9/455（仿真；软件模拟），由于IPC分类中有关计算机领域的相关技术点分布比较复杂，因此，在检索过程中，主要采用使用分类号并结合本领域的相关关键词来检索。检索数据截至2015年06月29日，检索到了6137件关于虚拟机技术的专利申请。

如图1所示的虚拟机技术领域相关专利申请的年度分布，可以看出，在2011年之前，在虚拟机技术领域的中国专利申请量虽然逐年增加，但增长速度相对缓慢，整体数量也比较少，但从2011年起，申请量增加迅速，呈现出快速持续的增长趋势，2012-2014年的数据反映出当时的虚拟机领域的技术研发进入了快速发展的时期，全球各大企业开始投入大量人力和资金。随着云计算应用的普及，虚拟机技术领域的专利申请量将会进一步持续快速增长。

如图2所示的全球各主要国家/地区在中国专利申请的分布情况，从专利申请的总量上来看，各国/地区申请量大致为：中国申请为4097件、美国申请1297件、日本申请255件、中国台湾申请110件、韩国申请69件。其中，中国申请量占中国专利申请量的67%，美国申请量占中国专利申请量的21%。我国在专利申请的数量上占了绝对的优势。虽然我国计算机系统在硬件、基础软件直至应用软件方面与国外相比起步都相对较晚，但是随着华为等大量IT企业、各高校及各科研机构在计算机技术方面的人力物力投入，在计算机技术方面特别是虚拟机技术方面的研究开发得到了较迅速的发展。

如图3所示的全球各企业/高校/研究机构在中国专利申请的分布情况，申请量分布前十的申请人包括：华为技术有限公司（简称华为）、国际商业机器公司（简称IBM）、英特尔公司（简称英特尔）、微软公司（简称微软）、中国科学院（简称中科院）、联想（北京）有限公司（简称联想）、中兴通讯有限股份有限公司（简称中兴）、浪潮电子信息产业股份有限公司（简称浪潮）、杭州华三通信技术有限公司（简称华三通信）、北京航天航空大学（简称北航）。其中，申请量排名第一的公司为我国的华为技术有限公司，排名第二、第三的分别为国际商业机器公司、英特尔公司，排名前十的企业/高校/研究机构中我国占据了大部分，可见，我国在较新兴的计算机技术领域特别是虚拟机技术领域的开发研究得到了较快速的发展。

4 结束语

从以上的分析可以看到，虽然我国在专利申请数量上具有相当大的规模，但我国在计算机技术方面特别是虚拟机技术领域起步较晚，在质量上还有待加强，计算机技术领域特别是虚拟机技术领域是相对新兴的领域，在起步相对落后的情况下，可以加大创新，提前布局，为今后的发展打好基础，也能规避专利壁垒。

参考文献

[1]刘真.虚拟机技术的复兴[J].计算机工程与科学，2008.

[2]黄亭宇，张琼声，夏守姬.系统虚拟机实现技术综述[J].农业网络信息，2007.

[3]世界知识产权组织.国际专利分类表（第8版高级版）[M].知识产权出版社，2006.