虛擬機技術領域專利技術綜述

摘 要：文章介紹了計算機領域虛擬機技術的概念原理及虛擬機監視器的實現情況，文章對虛擬機技術領域在中國的專利申請量的年度分布、國際/地區申請人分布以及全球各企業/高校/研究機構分布情況做了統計、分析，進而為我國在虛擬機技術領域的發展和創新提供參考。

關鍵詞：虛擬機；專利；分析

1 概述

虛擬機（Virtual Machine，簡稱VM）技術指的是一種硬件設備的軟件模擬實現，最早由IBM于20世紀60年代提出，隨著IBM370主機系列的成功，在70年代初期達到了它的第一個高峰[1]，到了80、90年代，隨著多任務多用戶操作系統的普及以及硬件成本下降使虛擬機技術無法發揮其優勢，人們漸漸冷卻了對它的研究熱情[2]。

在虛擬機環境中，虛擬機監視器（virtual machine monitor，簡稱VMM）是虛擬機的核心層，位于硬件層與虛擬機系統之間，作為一個軟件抽象層，其將單個物理硬件平臺虛擬成多個虛擬機，使不同的操作系統可以在其上同時運行，負責上層虛擬機系統的資源分配和底層交接。隨著VMM的發展，虛擬機技術重新成為計算機技術研究的焦點之一。

2 虛擬機監視器VMM的實現

虛擬機監視器VMM對底層硬件資源進行抽象，把它們重新組合并集成到多個虛擬機VM中實現虛擬化，每個虛擬機VM上都能夠運行獨立的操作系統實例，VMM需要能為虛擬機中的軟件提供與底層硬件大致相同的硬件接口，同時能夠保持對機器的控制，以及硬件訪問的干預能力。目前主要有CPU的虛擬、內存的虛擬、I/O設備虛擬技術來實現虛擬機監視器VMM。

（1）CPU的虛擬：虛擬機監視器VMM在支持VMM直接執行（Direct Execution）技術的CPU上執行VM指令，實現在真實的機器上的虛擬化，而在不支持虛擬的CPU上，可以采用泛虛擬（Paravirtualization）和結合二進制代碼翻譯的直接執行，以及采用鏡像描述符表（Shadow Descriptor Tables）和內存跟蹤（Memory Tracing）技術來實現。

（2）內存的虛擬：傳統的內存虛擬技術是采用數據結構-鏡像頁表，通過轉換實現內存的訪問。可以通過基于內容的頁共享（Content-based Page Sharing）技術來實現較高的內存利用率，該基于內容的頁共享是對各個VM頁表中所有頁的內容進行哈希計算，比較所得出的哈希值，若相同，則再進行整個頁的內容的比較，在頁內容也相同時，回收冗余的副本。

（3）I/O設備的虛擬：隨著計算機技術的發展，出現了更豐富、更多樣化的I/O設備，對 I/O設備的虛擬難度進一步加大，目前主要采用模擬技術（Emulation）、泛虛擬化技術（Paravirtualization）、或直接分配技術（Direct Assignment）來實現對I/O設備的虛擬。

3 中國專利申請情況分析

中國專利文摘數據庫中的數據涵蓋了自1985年至今的所有中國專利文摘數據，數據全面且準確，因此選擇中國專利文摘數據庫CNABS作為檢索的數據庫進行數據檢索。在國際專利分類號（IPC）[3]分類中，虛擬機主要分布在分類位置G06F9/455（仿真；軟件模擬），由于IPC分類中有關計算機領域的相關技術點分布比較復雜，因此，在檢索過程中，主要采用使用分類號并結合本領域的相關關鍵詞來檢索。檢索數據截至2015年06月29日，檢索到了6137件關于虛擬機技術的專利申請。

如圖1所示的虛擬機技術領域相關專利申請的年度分布，可以看出，在2011年之前，在虛擬機技術領域的中國專利申請量雖然逐年增加，但增長速度相對緩慢，整體數量也比較少，但從2011年起，申請量增加迅速，呈現出快速持續的增長趨勢，2012-2014年的數據反映出當時的虛擬機領域的技術研發進入了快速發展的時期，全球各大企業開始投入大量人力和資金。隨著云計算應用的普及，虛擬機技術領域的專利申請量將會進一步持續快速增長。

如圖2所示的全球各主要國家/地區在中國專利申請的分布情況，從專利申請的總量上來看，各國/地區申請量大致為：中國申請為4097件、美國申請1297件、日本申請255件、中國臺灣申請110件、韓國申請69件。其中，中國申請量占中國專利申請量的67%，美國申請量占中國專利申請量的21%。我國在專利申請的數量上占了絕對的優勢。雖然我國計算機系統在硬件、基礎軟件直至應用軟件方面與國外相比起步都相對較晚，但是隨著華為等大量IT企業、各高校及各科研機構在計算機技術方面的人力物力投入，在計算機技術方面特別是虛擬機技術方面的研究開發得到了較迅速的發展。

如圖3所示的全球各企業/高校/研究機構在中國專利申請的分布情況，申請量分布前十的申請人包括：華為技術有限公司（簡稱華為）、國際商業機器公司（簡稱IBM）、英特爾公司（簡稱英特爾）、微軟公司（簡稱微軟）、中國科學院（簡稱中科院）、聯想（北京）有限公司（簡稱聯想）、中興通訊有限股份有限公司（簡稱中興）、浪潮電子信息產業股份有限公司（簡稱浪潮）、杭州華三通信技術有限公司（簡稱華三通信）、北京航天航空大學（簡稱北航）。其中，申請量排名第一的公司為我國的華為技術有限公司，排名第二、第三的分別為國際商業機器公司、英特爾公司，排名前十的企業/高校/研究機構中我國占據了大部分，可見，我國在較新興的計算機技術領域特別是虛擬機技術領域的開發研究得到了較快速的發展。

4 結束語

從以上的分析可以看到，雖然我國在專利申請數量上具有相當大的規模，但我國在計算機技術方面特別是虛擬機技術領域起步較晚，在質量上還有待加強，計算機技術領域特別是虛擬機技術領域是相對新興的領域，在起步相對落后的情況下，可以加大創新，提前布局，為今后的發展打好基礎，也能規避專利壁壘。

參考文獻

[1]劉真.虛擬機技術的復興[J].計算機工程與科學，2008.

[2]黃亭宇，張瓊聲，夏守姬.系統虛擬機實現技術綜述[J].農業網絡信息，2007.

[3]世界知識產權組織.國際專利分類表（第8版高級版）[M].知識產權出版社，2006.