虚拟化技术

1、虚拟化基本知识

计算机的基本部件

控制集：CPU

存储：mem，

I/O:

　　keyboard，moitor

 

虚拟化就是将一组物理平台，虚拟化为多组不同的，彼此之间隔离的平台。

CPU在OS安装以后就已经被虚拟化了，每个进程认为自己是独占CPU，内存的。CPU的虚拟化就是将其分为时间片

用户空间的进程需要使用硬件，

cpu执行方式：

最外层运行普通指令环3，用户空间的执行运行在这里

最内存环0：也叫特权环，所有特权指令，cpu中敏感寄存器，尤其是硬件管控寄存机需要由环0中指令才能执行，也就是内和空间在环0

环1与环2 (但是在x86平台上有些敏感指令也运行在这些环上运行)

运行在环3上的guest内核如何调用硬件？ 

guest的cpu实现方式：

3、软件模拟，创建一个进程或者一个线程模拟的cpu，让guest使用

X86虚拟化面临的常出的问题：

   1、特却集压缩：某些敏感指令，放在环1，环2上， 内核运行在环0上，但是兼顾环1，环2，如果运用虚拟化，guestOS需要运行在环1，环2上。从而可以直接运行敏感指令，所以这些指令需要自行捕获，
　　　　才会避免guestOS避免执行这些指令。

   2、特却集别名：guestOS操作系统实际运行在环1，环2上，但guestOS认为自己运行在环0，所以我们需要将环1，环2将其虚拟为环0.因此我们需要将其起名为环0

   3、非特权敏感指令：x86平台上有些敏感指令运行在环1，环2上。

   4、地址空间压缩：每一个虚拟机所得到的内存地址空间中必须保留一部分给vmm（虚拟机监控器，比如关闭虚拟机之类的命令）使用。说明有些vmm直接运行在GuestOS当中的。HOST主机中。vmm会进入虚
　　　 拟化和退出虚拟化。所以guestOS使用的内存需要给vmm保留一部分，实际使用要比看上去少，使用的地址被压缩了。

　5、静默特权失败：X86的某些特却指令在执行失败后不会返回错误的。所以vmm不能捕获这些错误。我们就不知道各个虚拟机实例运行的状态。

　6、屏蔽虚拟化：在虚拟化场景中，屏蔽中断，和非屏蔽中断，guestOS对于特权资源的每次访问都会触发处理器异常，（中断发生，处理器必须要要处理）都需要在中断时异常需要由vmm处理， 
     然后再把结果送个guest中。来回切换导致性能降低。

 

　　

4、CPU实现虚拟化方式：

　　1、完全虚拟化

　　BT技术提升虚拟化性能 　　　　　　　　　　　　　　　二进制翻译

　　　　硬件层 ---> 环0（vmm） ----> 环1 （guestos 内核）----> 环2 空闲  ---->环3（应用程序）

　　　　guestOS与vmm之间使用的二进制翻译

 这个平台为完全虚拟化，guestOS不知道自己是虚拟化。这种虚拟化需要给每个guestOS虚拟机模拟一个环0，所以性能确实很厉害

　　2、 半虚拟化：

       硬件层 ---> 环0（vmm 与 guestos 内核）） ----> 环1 、 环2 空闲  ---->环3（应用程序）

　　 guestOS不会直接调用环0，特权指令需要使用VMM，这时guestOS知道自己是虚拟化。（hypercall调用请求）

      guestOS的内核被修改了。知道自己是虚拟化。windows不能运行在半虚拟化环境，因为不能修改close的操作系统

　　

 

3、硬件虚拟化 hvm

cpu虚拟化

　　硬件层 --->环 -1 （vmm ）----->  环0（ guestos 内核） ----> 环1 、 环2 空闲  ---->环3（应用程序）

　　guestos内核直接安装在环0上，不用做修改，cpu设计时直接支持虚拟化，但是环0上没有特权指令上，只能捕获操作特权指令，然后交给环-1上的vmm来执行。

　　但是由于还是需要环-1 环0 来回切换，还是性能比半虚拟化要差一些

 

 

5、内存虚拟化：

　　正常的内存使用就是被虚拟化的。

　　指令和数据都是由内存中获取的。内存本身就是由物理地址转换成线性地址，(MMU来处理的)

 

MMU 工作原理：

　　线性空间转换成物理空间的关系存在页表当中的。 （page table）

　　每个进程给cpu发送指令时，cpu要将 page table 及时的加载到mmu，然后通过mmu va ---> pa的转换

 

　　虚拟化后的内存虚拟化：

　　　　GVA ---> GPA ---> HPA

　　　　guestOS线性地址空间 -----> guestOS的物理地址空间  -----> HostOS的物理地址空间

　　      当guestOS中用户空间访问内存中数据，直接发送给HostOS cpu，此时由VMM捕获到，HCPU通过MMU找到对应的物理内存地址后会把地址结果给到VMM，VMM在通知guestOS

　　　　GPA的位置，然后guestOS到gpa中查找。

　　后来inter X86 硬件支持(影子mmu)，有2个MMU，每次访问内存地址会同时发给这两个mmu，如果是虚拟机访问的就直接返回给虚拟机HPA的地址，跳过了中间的GPA的转换过程。

　　tlb技术：保存了va--->pa的对应关系 ，加快MMU的转换速度，但是如果多个guestOS时，为了不混淆多个虚拟机的地址对应关系，所以需要都清除tlb

　　后来又有了tagtlb ，这样在tlb中增加了标记，标记着是那台虚拟机的映射。

　　

6、io虚拟化

本身就很慢，在虚拟化后更慢

IO虚拟化实现的方式借鉴于VMM模型

　　type-1、type-2

　　type1：

　　　　虚拟机直接跑在硬件上，有一个实例是特权实例（dome0），管理其他的虚拟机

　　　　　　   =======>            ，

io完全虚拟化 ： guestOS调用dome0的虚拟硬盘接口，dome0然后再真正调用物理IO设备的接口，进行二次驱动，这种模拟IO性能比较差

 

io半虚拟化，前段分为两半，一般在domeU中，后端在dome0上，前段简单封装送给后端，后端做访问真正IO设备，进行IO设备的调用。

 

io由dome0自己调用。hv自己不会有过多的硬件驱动。所以要借助dome0 io 等各种驱动。

hypervisor自我实现驱动硬件，各个硬件厂商需要单独开发给hv提供驱动，但是厂商不会专门给某个hv提供驱动的，所以hv需要自己开发驱动程序。但是硬件设备太多，自己开发硬件驱代价太大，

所以这种的虚拟化技术对于硬件的兼容性太差。 买服务器需要找好型号。

io虚拟化，是使用文件来模拟io设备。 dome0软件模拟硬件真实的借口。 

 

 

　   type-2: 虚拟机跑在操作系统上

　　

vmm不用自己提供任何驱动，只需要模拟各硬件，真正设备的驱动又host来提供

 

 

梳理：

各vmm对io的驱动有三种模式：

　　类型1：半虚拟化，自主vmm：vmm自行提供驱动

　　　　　  混合vmm：借助于外在OS提供驱动。XEN、VM

 　　　　　　　　　　1、依赖于外部OS提供特权域

　　　　　　　　　　 2、自我提供特权提供特权域

 

 　　类型2： 寄宿方式，有宿主机的VMM

 

 

IO虚拟化模型：

　　纯模拟，完全虚拟化

　　半虚拟化

　　透传：无论是半虚拟化还是模拟都需要借助dome0来实现IO虚拟化的，透传则是由guest直接使用硬件。dome0管理各硬件

　　  

 

另一种技术： 

SR-IOV:将一个硬件轮流给多个guestOS使用。 

 

完全虚拟化：vm（类型2）  vb kvm， vm-exsi（类型1）

半虚拟化：xen （类型1）