[云计算]HCIE-Cloud 计算虚拟化
计算虚拟化分类
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I型 - 裸金属虚拟化
- Xen
- VMware的ESXi
- 6.3版本前的FusionCompute
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II型 - 宿主型虚拟化
- KVM
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VMware workstation
- Oracle VM VirtualBox
区别
I型虚拟化性能高于II型
II型能够支持虚拟机嵌套
CPU虚拟化
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Ring等级
- Ring3 - 优先级最低（应用程序等）
- Ring1&2 - 优先级次中 （操作系统服务）
- Ring0 - 优先级最高（操作系统内核驱动程序）
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用户态和内核态
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用户态 Ring3
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内核态 Ring0
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系统调用
- 定义:操作系统为在用户态运行的进程和硬件设备提供交互的一组接口（如Win32 API）
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CPU虚拟化
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Ring等级
- Ring3 - 优先级最低（应用程序等）
- Ring1&2 - 优先级次中 （操作系统服务）
- Ring0 - 优先级最高（操作系统内核驱动程序）
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用户态和内核态
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用户态 Ring3
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内核态 Ring0
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系统调用
- 定义:操作系统为在用户态运行的进程和硬件设备提供交互的一组接口（如Win32 API）
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CPU指令
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特权指令
- 具有特权权限的指令
例如:清内存/重置时钟/分配系统资源/修改用户访问权限等
- 具有特权权限的指令
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用户指令
- 可在各级别的状态下执行,即用户态下能够使用的非特权指令
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CPU虚拟化需要解决的两个问题：
一、如何模拟CPU指令（所有敏感指令）
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敏感指令：可以读写系统关键资源的指令叫做敏感指令
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特权指令：绝大多数的敏感指令是特权指令,特权指令只能在处理器的最高特权级（内核态）执行
二、如何让多个VM共享CPU
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利用与Native操作系统类似的机制 --- 通过定时器中断,在终端时陷入VMM,从而根据调度机制进行调度
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解决方式：
- 特权 - 解除
（将Guest OS的Ring 0降级为RIng1&2） - 陷入 - 模拟
（将Guest OS下发的特权指令由Hypervisor捕获并模拟相关操作）
- 特权 - 解除
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平台虚拟化技术
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全虚拟化
- 不用修改Guest OS,直接在VMM中运行,由Hypervisor接受所有指令
（缺点:会加重Hypervisor的负担）
- 不用修改Guest OS,直接在VMM中运行,由Hypervisor接受所有指令
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半虚拟化
- 需要修改Guest OS,才能将Guest OS运行在半虚拟化的VMM中
（缺点:只能对开源的OS进行修改）
- 需要修改Guest OS,才能将Guest OS运行在半虚拟化的VMM中
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硬件辅助虚拟化
- 使虚拟机Guest OS处于Ring 0级别但属于非Root模式，并利用Root模式下的CPU来减轻Hypervisor的负担
内存虚拟化
- 物理机OS认为
- 内存都是从物理地址0开始的
- 内存都是连续的
- 虚拟化后出现的问题
- 从0开始：物理地址0只有一个，无法同时满足所有的VM从0开始的要求
- 地址连续：虽可以分配连续的物理地址，但是效率不高，缺乏灵活性（内存共享等）
- 解决方法
- 通过内存映射解决虚拟机内存的问题
- 内存复用的三种技术
- 内存共享，写时复制
- 虚拟机共享同一物理内存空间此时只对内存做只读操作
当需要写操作的时候，需要另开辟内存空间，并修改映射
- 虚拟机共享同一物理内存空间此时只对内存做只读操作
- 内存气泡
- hypervisor通过Tools创建气泡进程
欺骗空闲虚拟机已占用进程大小的内存空间
当其他虚拟机空闲下来了后气泡进程缩小，归还内存空间，提高内存利用效率
- hypervisor通过Tools创建气泡进程
- 内存置换
- 通过LRU将长时间未访问的内存内容置换到存储中（Windows叫虚拟内存，Linux叫swap交换空间），并建立映射，当虚拟机访问时再置换到内存中
- 内存管理的页面置换算法
- LRU，即：最近最少使用淘汰算法（Least Recently Used）。LRU是淘汰最长时间没有被使用的页面。
- LFU，即：最不经常使用淘汰算法（Least Frequently Used）。LFU是淘汰一段时间内，使用次数最少的页面。
- 内存共享，写时复制
I/O虚拟化
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模拟（完全模拟）
- 完全使用软件进行模拟，通过焦点捕获，那个主机捕获就被哪个主机使用，性能很差
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半虚拟化
- 对硬件驱动，由前端（IO frontend）直接转到后端（IO backend）调用，通常仅适用于硬盘和网卡，性能高
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IO-through
- IO穿透，直接分配给虚拟机物理设备，例如直接分配一个硬盘或网卡给虚拟机，需要硬件支持
