VPS 的歷史：從大型主機到虛擬伺服器

VPS 的來源

從大型主機到雲端，計算技術的發展歷程就是讓同一項概念逐漸降低成本。這項概念就是分時：讓許多人同時使用一台昂貴的機器，並為每個人提供獨立的使用視圖。分時技術約於 1960 年發明，因為當時電腦的成本高於使用它的人力成本。如今租用的 VPS，其每個組成部分都是為了解決這個問題而建立：使用者之間的隔離機制、分配 CPU 使用時間的排程器、hypervisor，以及依使用時數計費的帳單。這個問題從未消失。硬體變得便宜，因此過去需要研究經費才能取得的運算切片，如今每月只需幾美元。

1959 至 1961 年：為何會發明分時系統

1950 年代的電腦以批次模式執行。使用者先將程式打孔到卡片上，再把整疊卡片交給操作員，稍後回來取得列印結果。只要打錯 1 個字元，就可能浪費 1 天。電腦持續保持忙碌，這正是設計批次處理的目的，因為像 IBM 7090 這類電腦要價數百萬美元，而等待者耗費的時間並不會出現在任何發票上。

1959 年 1 月，John McCarthy 在 MIT 的備忘錄中提出了相反的觀點：電腦應該等待使用者。同年，Christopher Strachey 在 UNESCO 會議上描述了一種分時系統形式，但他的意思是一名程式設計師進行除錯時，其他工作同時執行，而不是讓許多人同時輸入。在 1961 年 MIT 百年校慶演講中，McCarthy 進一步提出：運算能力可以像公共事業一樣銷售，並像電力一樣按使用量計費。

當時的反對理由是，分時系統會浪費電腦資源。在使用者之間切換需要消耗處理週期，而處理週期正是昂貴的資源。這項反對理由本身是正確的，但後來不再重要，因為處理週期的價格在 60 年間持續下降，而人類注意力 1 小時的價格並未下降。

CTSS 必須發明的功能

Fernando Corbató 的團隊在 MIT Computation Center 建置了 Compatible Time-Sharing System (CTSS)，以解決這場爭論。系統最初於 1961 年 11 月在 IBM 709 上展示，可服務 4 位使用者，並將每位使用者的工作交換到各自的磁帶機上。「Compatible」表示這台機器仍可在底層執行舊的批次系統，因為沒有人會購買只能執行新功能的電腦。

4 位使用者是很小的數量。但要達到這個目標，必須解決的問題並不少，而且這正是你的 kernel 現在仍在處理的問題清單。CTSS 需要排程器，才能避免一個長時間執行的工作凍結所有其他終端機。它需要記憶體保護，讓當機的程式只影響一位使用者，而不是整個系統。它需要在登出後仍能保留資料的儲存設備，因此 CTSS 擁有現代使用者可以辨識的早期檔案系統之一。它也需要密碼，避免一位使用者讀取另一位使用者的檔案。

將這些元件重新命名後，就是一台 Linux 主機。排程器是 EEVDF，它在 Linux 6.6 中取代了 CFS。記憶體保護由 MMU (memory management unit) 提供，為每個 process 建立自己的虛擬位址空間。登出後仍能保留資料的儲存空間，就是你的 home directory。密碼檔案至今仍稱為 /etc/passwd。

Multics 與電腦公用服務

MIT 的下一個系統原本要實現 McCarthy 所描述的公用服務。Project MAC 始於 1963 年，於 1964 年 8 月簽約採購 General Electric GE-645，並在 1965 年發表第一批 Multics 論文。這個名稱本身就表達了其理念：Multiplexed Information and Computing Service。這裡的 Service，是指按小時付費使用的服務。

Multics 的開發時間遠超過原先規畫。GE-645 原型機於 1967 年 1 月送達 MIT 和 Bell Labs。Bell Labs 於 1969 年 4 月退出計畫。Multics 於 1969 年 10 月 1 日向 MIT Information Processing Center 的客戶開放，之後持續在某處正式運作了三十一年。最後一套仍在運作的 Multics 系統位於加拿大新斯科細亞省 Halifax 的 Canadian Department of National Defence，於 2000 年 10 月 30 日關閉。

Multics 常因推出延遲且執行速度緩慢而被歸類為失敗。但其術語與設計卻證明並非如此。它帶來了階層式檔案系統，也就是目錄中包含目錄；每個檔案都有存取控制清單；分段虛擬記憶體讓程式能將檔案視為記憶體來定址；保護環則依照程式碼的信任程度排列其權限。保護環至今仍存在於你面前的處理器硬體中。核心使用 ring 0、使用者程式碼使用 ring 3，都是 Multics 的術語；後來硬體虛擬化又在 ring 0 下方加入供 hypervisor 使用的模式，通常非正式地稱為 ring -1。

Unix：在負擔得起的機器上進行分時運算

離開 Multics 後，Ken Thompson 在 Bell Labs 沒有可供自己使用的系統。1969 年，他在一台淘汰的 PDP-7 上開始打造規模小得多的系統。第一版 Unix Programmer's Manual 的日期是 1971 年 11 月；到那時，開發工作已移至 PDP-11。1973 年，Thompson 與 Dennis Ritchie 以 C 重新撰寫核心，因此系統不必每次換用新硬體時都手動重寫。

因此，你現在使用的是 Unix 的後代，而不是 Multics 的後代。Multics 需要專為 Multics 打造的硬體。Unix 則能在任何便宜且可取得的硬體上執行，而這最終成為決定性的特點。

Ritchie 與 Thompson 撰寫的〈The UNIX Time-Sharing System〉於 1974 年 7 月刊登在 Communications of the ACM。該論文描述了你的 VPS：程序、單一階層式檔案系統、以純位元組串流表示的檔案、fork、具備權限位元的使用者與群組，以及作為一般程式而非核心一部分的 shell。五十二年後，這個介面持續擴充，但從未被取代。

1972 年大型主機真的已經能執行虛擬機器了嗎？

是的，而這正是大多數人忽略的故事部分。MIT 建置 Multics 的同時，IBM Cambridge Scientific Center 從另一端著手實現相同目標。他們不是讓一個作業系統服務多位使用者，而是由 Robert Creasy 和 Les Comeau 建置控制程式，為每位使用者提供一台完整的模擬電腦。CP-40 於 1967 年 1 月投入正式運作。每位使用者都會取得一台虛擬 System/360，並在其中執行小型單一使用者作業系統 CMS。

CP-40 於 1968 年在 System/360-67 上演進為 CP-67，IBM 並於 1972 年 8 月 2 日宣布 VM/370。這是商用 hypervisor，於 54 年前就已銷售給付費客戶。控制程式會多工處理實體硬體，而 guest 作業系統則可在虛擬機器中不經修改地執行，並認為自己擁有整台機器。

相關理論在兩年後才出現，刊載 Unix 論文的同一期 1974 年 7 月《Communications of the ACM》中也收錄了這篇論文。Gerald Popek 和 Robert Goldberg 的〈Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures〉說明處理器必須具備哪些條件，才能支援虛擬化。核心規則很簡單：guest 在 kernel mode 之外執行時，任何能讀取或變更機器狀態的指令都必須觸發 trap，讓 hypervisor 取得控制權，並以該 guest 自己的私有狀態版本回應。這稱為 trap and emulate。IBM 的硬體符合這項規則。

微型電腦如何打破原有模式

DEC 在 1965 年 3 月 22 日推出 PDP-8，當時價格約為 18,000 美元（以 1965 年幣值計算）。這是第一款價格低於 20,000 美元的微型電腦，後來銷量超過 50,000 台。接著，微處理器再次壓低了價格。當部門可以購買自己的電腦，之後個人也能購買時，共用一台中央電腦看似已經解決，不再需要處理。到了 1980 年代和 1990 年代，運算資源逐漸移到桌面電腦，以及機架中的小型 x86 伺服器。

浪費以另一種形式重新出現。每台伺服器只執行一個應用程式，容易理解和管理，但大部分硬體會閒置，而電力與機架空間仍須全額支付。這再次形成 CTSS 所面臨的問題，只是規模不同；此時昂貴的資源不再是處理器，而是機房空間與電力。解法仍是過去的解法：共用這台機器。

為什麼 x86 如此難以虛擬化？

因為 x86 違反了 Popek and Goldberg 的規則。在 2000 年 8 月舉行的第 9 屆 USENIX Security Symposium 中，John Scott Robin 與 Cynthia Irvine 逐一檢視 Pentium 指令集，發現有 17 個指令會讀取或變更特權狀態，但在 user mode 程式執行這些指令時不會觸發例外。popf 是標準範例。在 user mode 執行此指令時，處理器會靜默忽略程式無權設定的位元，而不是觸發例外。因此，建立在 trap and emulate 上的 hypervisor 不會得知 guest 曾嘗試執行該操作。

硬體修正前，出現了兩種解法。VMware 於 1998 年由 Stanford 的 Disco 研究計畫成立。它會檢查 guest kernel 程式碼，並在不相容的指令執行前改寫這些指令。這項技術稱為 binary translation。Xen 則來自 University of Cambridge Computer Laboratory，採取相反做法，直接修改 guest。論文 "Xen and the Art of Virtualization" 於 2003 年 10 月在 SOSP 發表，介紹了 paravirtualisation：修改後的 guest kernel 會主動呼叫 hypervisor，而不是執行 hypervisor 無法攔截的指令。

後來硬體完成修正，方式與 IBM 在 1960 年代採用的做法相同。Intel 於 2005 年 11 月 14 日在兩款 Pentium 4 型號上推出 VT-x，AMD 則於 2006 年 5 月推出 AMD-V。兩者都新增一種位於 guest kernel 下方的處理器模式，讓 guest 能以完整速度執行自己的 kernel，同時讓 hypervisor 控制 guest 所要求的事件。這使 hypervisor 足夠精簡，可以放在一般作業系統內執行。Avi Kivity 在 Qumranet 開發的 KVM 正是如此：它將 Linux kernel 本身轉變為 hypervisor。KVM 已合併至 Linux 2.6.20，該版本於 2007 年 2 月發布；如今大量 VPS 主機都執行 KVM。

VPS 名稱的由來

兩條技術路線在 2000 年代初期交會。其中一條是 x86 上的完整虛擬機器，由 guest 啟動自己的 kernel。另一條是作業系統層級虛擬化：由多個環境共用單一 Linux kernel，每個環境都有自己的 root 使用者與 process table。Linux-VServer 與 SWsoft 的 Virtuozzo 都在 2001 年出現，SWsoft 也在 2005 年將 Virtuozzo 的部分元件以開放原始碼 OpenVZ 形式釋出。「virtual private server」一詞源自這條技術路線，其命名方式仿照 virtual private network。

Amazon 將租用運算資源轉為 API 呼叫。S3 於 14 March 2006 啟用，EC2 則在 25 August 2006 以有限公開 beta 形式開放，當時只有一種 instance type，執行於 Xen。購買運算資源不再是與服務商簽訂合約，而是送出請求後，在一分鐘內取得結果。

兩條路線至今仍然存在，而這項差異仍會決定你能對租用的伺服器做什麼。KVM VPS 會啟動自己的 kernel，因此可以載入 kernel modules，甚至在 VPS 內執行 hypervisor。容器型方案會共用 host kernel，因此無法這樣做。這一行定價頁面上的簡短說明，背後承載了 60 年的歷史。因此，在選擇之前，先了解 VPS、VM 與 VPC 的差異會更有幫助。

從大型主機到 VPS，哪些改變了，哪些沒有

有四件事改變了。機器不在你的大樓裡。終端機變成了程式，而不是一件家具。你租用的是一部具有自己 kernel 的完整電腦，而不是他人作業系統上的帳號。價格也降到只需刷卡付款，不再需要採購流程。

運作機制完全沒有改變。

• 你的 ssh 工作階段就是分時終端機。你取得登入環境和 shell，排程器決定下一次何時執行你的程序。
• 隔離仍由硬體強制執行。MMU 和處理器的權限層級負責這項工作，與 CP-40 在 1967 年所需的機制完全相同。
• 你仍按經過的時間支付機器使用額度，就像服務局過去按連線時數計費。
• 你仍會感受到其他租戶的影響。當主機超額配置時，你的 guest 會等待實體 CPU，而 Linux 會將這段等待回報為 來自吵鬧鄰居的 CPU steal time。

最後一點是整段歷史的直接總結。共用機器是一種取捨。1961 年之所以接受這種方式，是因為電腦的成本高於人的成本；2026 年仍接受這種方式，則是因為讓伺服器以百分之十的容量運作等同於浪費金錢。如果你更想站在營運商的一方，在自有硬體上執行 Proxmox會同時交給你 hypervisor 和營運商必須處理的問題。

請記住這個比例。CTSS 在一部耗資數百萬 1961 年美元、佔滿整個房間的機器上服務四名使用者。你的 VPS 在 2026 年每月只需幾美元，卻是遠勝 Corbató 團隊當年必須分配使用時間的電腦，而且完全由你使用。你之所以能租用它，是因為一個存在六十五年的概念終於遇上了低價硬體。如果你正在規劃要在上面部署什麼，請先了解VPS 實際提供給你的內容，再查看人們會在 VPS 上執行什麼。

FAQ

第一個分時電腦系統是什麼？

CTSS（Compatible Time-Sharing System）是由 MIT Computation Center 的 Fernando Corbató 團隊建置。它於 1961 年 11 月首次在 IBM 709 上展示，服務 4 位使用者，每位使用者都會被交換到獨立的磁帶機。第一個服務整個社群的分時服務是 Dartmouth Time-Sharing System：1964 年 5 月 1 日，John Kemeny 與一名學生程式設計師在 2 個終端機上同時執行 BASIC 程式，兩邊都取得正確答案。

虛擬機器真的在 1960 年代就發明了嗎？

是。IBM Cambridge Scientific Center 於 1967 年 1 月將 CP-40 用於正式環境，讓每位使用者取得完整的虛擬 System/360，並在其中執行 CMS 作業系統。CP-67 於 1968 年在 System/360-67 上推出，IBM 也於 1972 年 8 月 2 日宣布 VM/370。這些都是真正的 hypervisor，可執行未修改的 guest 作業系統，並在商業市場銷售；這比 x86 硬體能執行相同功能早了數十年。

為什麼 x86 難以虛擬化，而大型主機卻不難？

Popek 與 Goldberg 在 1974 年提出的規則指出，凡是能讀取或變更機器狀態的指令，guest 在 kernel mode 以外執行時都必須觸發 trap。x86 違反了這項規則。Robin 與 Irvine 統計出 17 個 Pentium 指令在 user mode 中會無聲失敗，而不是觸發 trap。因此，傳統的 trap-and-emulate hypervisor 根本看不到這些指令，popf 是最常見的例子。VMware 以 binary translation 解決這個問題，Xen 則採用 paravirtualisation；直到 Intel VT-x 於 2005 年 11 月推出，以及 AMD-V 於 2006 年 5 月推出，才加入供 hypervisor 使用的硬體模式。

租用 VPS 等同於擁有分時帳號嗎？

計費模式與隔離問題相同，但單位不同。分時使用者取得的是與其他人共用的作業系統帳號，因此管理員是電腦中心的人員。KVM VPS 提供的是一台具備自有 kernel 與自有 root 帳號的虛擬機器，因此管理員是你自己。以容器為基礎的 VPS 介於兩者之間，因為它與主機共用 kernel，但仍在自己的環境中提供 root 權限。