CPU虚拟化,内存虚拟化,IO虚拟化以及虚拟化资料链接

资料来源

注:该篇文章只是简单整合一下下面的资料;

(1) 虚拟化底层技术之——iommu技术综述_weixin_33895657的博客-CSDN博客(☆☆☆☆☆)

(2) 还是不理解IOMMU、北桥、PCI的MMIO和ioremap - 内核源码-Chinaunix

(3) CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化概念_仲夏宁叶香的博客-CSDN博客_内存虚拟化的概念(☆☆☆☆☆)

(4) CPU虚拟化，内存虚拟化和IO虚拟化_weixin_33747129的博客-CSDN博客(☆☆☆☆☆)

(5) 虚拟化的理论-内存和IO虚拟化【图文】_Jeff_Linux_51CTO博客

(6) 虚拟化、CPU虚拟化、内存虚拟化、设备和I/O虚拟化 - _liuxg - 博客园 (cnblogs.com)

(7) https://mp.weixin.qq.com/s/5bcXGwd_76yuxPLRP9gLzQ (公众号-老秦谈芯)

1.虚拟化的分类

服务器虚拟化的实现包括三部分:CPU虚拟化，内存虚拟化和IO虚拟化。

1.1 CPU虚拟化(包括全虚拟化,半虚拟化,硬件虚拟化)

(1) CPU虚拟化技术的特点:可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

(2) CPU虚拟化技术与多任务以及超线程技术的对比:三者是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。

(3) CPU硬件虚拟化技术与软件虚拟化的对比:CPU虚拟化技术是一种硬件方案，支持虚拟技术的 CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式会很大程度上提高性能。虚拟化技术可提供基于芯片的功能，借助兼容VMM软件能够改进纯软件解决方案。由于虚拟化硬件可提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，从而无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写，性能更加强大。CPU的虚拟化技术除支持广泛的传统操作系统之外，还支持64位客户操作系统。

(4) 虚拟化技术是一套解决方案。完整的情况需要 CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持，Intel和AMD分别开发出VT-x和AMD-V技术，在硬件增加虚拟化功能后，通过CPU截获客户机操作系统对敏感指令的执行或者对敏感指令的访问，并通过异常的方式报告给VMM，VMM接收到报告后，找到对应的虚拟化模块进行模拟，并把最终结果反映在客户机运行环境中。

1.2 内存虚拟化(包括全虚拟化,半虚拟化,硬件虚拟化)

(1) 内存虚拟化的要点：VMM必须对物理内存有最终的控制权，它必须控制将客户物理地址空间映射到主机物理地址空间的操作。这样，才可以顺利的实现内存虚拟化.

(2) 内存虚拟化的方法：VMM维护一个虚拟机内存管理数据结构—镜像页表(shadow page table)。VMM通过镜像页表给不同的虚拟机分配机器的内存页，如操作系统虚拟内存一样，VMM能将虚拟机内存换页到磁盘，因此，虚拟机申请的内存可以超过机器的物理内存。VMM也可以根据每个虚拟机的要求,动态地分配相应的内存。

1.3 IO虚拟化(包括全虚拟化,半虚拟化,硬件虚拟化)

1.3.1 宿主型I/O虚拟化

(1) 用宿主型的体系结构，使用宿主操作系统的I/O设备驱动程序。

(2) 这种结构的缺点之一是大大增加了虚拟化的性能开销；另一个缺点是现代操作系统如Windows和linux并没有资源管理的支持为虚拟机×××能隔离和服务保证，而这是很多服务器环境的基本要求。

1.3.2 硬件I/O虚拟化

(1) I/O子系统的产业趋势是朝着硬件支持的方向发展。拥有足够的硬件支持，直接传送I/O设备到虚拟机中的软件是完全可能的，这将有效地消除所有I/O虚拟开销。要做到这一点， I/O装置需要了解虚拟机的情况和能够支持多个虚拟接口，以便VMM能安全地映射接口到虚拟机。

(2) Intel VT-d以及AMD的IOMMU是目前硬件I/O虚拟化的代表。

2.IOMMU(I/O memory management unit)

2.1 IOMMU 主要功能

(1) 控制设备dma地址映射到机器物理地址(DMA remapping);

(2) 中断重映射(interrupt remapping)

2.2 DMA地址空间映射

(1) IOMMU的主要功能为设备dma时刻能够访问机器的物理内存区，同时保证安全性。在没有IOMMU的时候，设备通过dma可以访问到机器的全部的地址空间。

(2) IOMU硬件实现vaddr--->paddr的地址转换。

 

 

2.3 中断重映射

(1) 在虚拟化透传设备使用中，或者主机侧用户态驱动框架中还有一个问题就是msi中断的安全保护。msi的特点就是只要发起特定的pci write 消息，机器(在x86上是LAPIC)就能够将此pci write消息翻译为一次中断信号。在msi中断信息里，含有中断源信息，中断vector信息以及中断发往哪里，中断模式等等信息。

(2) ???如果设备透传到虚拟机，而虚拟机里有恶意驱动，那么恶意驱动完全可以操作一个透传设备发起dma write访问，带有msi中断信息，导致hypervisor被攻击。在用户态驱动层面也是相同的，用户态驱动可以触发dma 带有msi中断导致主机系统被攻击。

(3) 为了防止这种情况发生，Intel的iommu技术（vt-d）里实现了中断重映射技术（intremap）。设备发起的msi中断先进入iommu的intremap模块进行映射得到真正的msi中断信息。主机os会在这个中断重映射表里限定，某个设备只能发起哪种中断向量，同时会验证msi中的信息位(如此提升了恶意软件触发真实msi的难度)。

2.4 iommu cache,int remap cache和IOTLB

(1) 在2.1和2.2中提到的转换存在与之对应的转换表，这些转换表都位于物理内存中，从DRAM内存中专门开辟一些空间用于存储这些转换关系，所以在intel vt-d中设计了大量主机侧cache机制来缓存这些表的表项，提升访问效率。

(2) 设备tlb是intel vt-d中设计的设备测tlb寄存器，在设备进行dma的时候在设备一侧缓存dma地址到物理地址映射项。

3.iommu在各个厂商的分身

(1) intel vtd

(2) amd iommu