虚拟化

　　引言——美国环境保护署 (EPA) 报告的一组有趣的统计数据发现，实际上服务器只有5%的时间是在工作的。在其他时间，服务器都处于“休眠”状态。

1、虚拟化概念
　　虚拟化，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以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。

　　虚拟化前：
　　　　每台主机一个操作系统
　　　　软件硬件紧密地结合
　　　　在同一主机上运行多个应用程序通常会遭遇沖突
　　　　系统的资源利用率低
　　　　硬件成本高昂而且不够灵活

　　虚拟化后：
　　　　打破了操作系统和硬件的互相倚賴
　　　　通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体
　　　　強大的安全和故障隔离
　　　　虚拟机是独立于硬件的，它们能在任何硬件上运行

　　虚拟化对象：
　　　　CPU、内存、各种IO设备

　　资源管理软件层：把所有硬件资源的使用虚拟化成OS:system call（系统调用），每一个应用程序运行时，需要和硬件打交道，只需要向内核发起系统调用即可
　　OS: Process monitor（进程监控器），OS负责协调每一个运行在其上进程对于资源的申请
　　例：
　　1> 线性地址  →  物理地址（mmu）
       2> 每一个IO设备都会注册一个端口（相当于唯一ID）；注册使用中断号
       　　IO端口是让CPU实现数据交换的设备；中断是让IO设备通知CPU，它有一个紧急事件需要处理
       　　CPU利用可编程中断控制器，让每一个IO设备注册使用一个中断线上的中断设备号
       当IO设备有信号接入时，必须向中断控制器发起一个中断请求（中断控制器上有针脚，电压感应），CPU就马上能意识到，并通知内核有中断产生，这时候内核必须完成模式切换，内核指挥CPU将信号读入内存缓冲区

 

 

2、虚拟化分类

　　如果把X86平台的CPU、内存和外设作为资源，那对应的虚拟化技术就是平台虚拟化（Platform Virtualization），在同一个X86平台上面，可以虚拟多个X86平台，每个平台可以运行自己独立完整的操作系统。
　　　　QEMU，KVM，XEN Server，ESXI，Hyper-V ......
　　如果把操作系统及其提供的系统调用作为资源，那虚拟化就表现为操作系统虚拟化，例如Linux容器虚拟化技术，就是在同一个Linux操作系统之上，虚拟出多个同样的操作系统，每个应用程序认为自己运行在一个独立的OS。
　　　　LXC、Docker ......

　　X86平台指令集权限划分：
　　　　Ring 0： 操作系统使用
　　　　Ring 1-2：驱动程序使用
　　　　Ring 3：应用程序使用

　　

 

　　 

 

3、虚拟化管理程序 Hypervison（VMM）

　　1> 定义：一种运行在物理机和虚拟机操作系统之间的中间软件层，可以容许多个操作系统和应用共享硬件，也称为VMM（Virtual Machine Monitor），即虚拟机监视器。

　　

 

　　2> Hypervisor类型1：半虚拟化（para virualization）

　　对操作系统（VM）的内核进行修改，将运行在Ring0上的指令转为调用Hypervison。GuestOS的内核了解自己工作在虚拟（hypercall）之上

　　

 

　　 

 

 

　　3> Hypervisor类型2：全虚拟化/辅助虚拟化技术（Full virtualization）

　　对CPU指令集进行改造，Inter VT-x/AMD-V，客户操作系统可以直接使用Ring 0 而无需修改　

　　　　CPU不支持硬件虚拟化技术，模拟特权指令：模拟

　　　　CPU支持硬件虚拟化技术，VMM运行 Ring 1，而GuestOS运行在 Ring 0

　　

 

　　

　　4> Hypervisor类型3：软件全虚拟化

　　模拟CPU让VM使用，即软件全虚拟化 QEMU，效率最低

 

　　5> 操作系统虚拟化（轻量级）

　　允许操作系统内核拥有彼此隔离和分割的多用户空间实例instance，这些实例也称之为容器。基于Linux内核中的namespace、cgroup实现，例如 LXC、Docker。

　　

 

　　

 

 

　　6> Hypervisor 比较

　　

 

　　QEMU：
　　软件模拟虚拟化、可以模拟多种硬件，包括X86架构处理器、AMD64架构处理器、ARM、SPARC 与 PowerPC 架构等。效率低，一般用于研究测试场景。

　　KVM：
　　KVM（kernel-based virtual machine）是x86架构下硬件辅助的全虚拟化的首选解决方案。KVM需要经过修改的QEMU软件（qemu-kvm）来实现虚拟机的管理KVM就是内核的一个模块，用户空间通过QEMU模拟硬件提供给虚拟机使用，一台虚拟机就是一个普通的Linux进程，虚拟机中的VCPU就是该进程中的线程。
　　

 

　　Libvirt：
　　libvirt是一套免费、开源的支持Linux下主流虚拟化管理程序的C函数库，其旨在为包括KVM在内的各种虚拟化管理程序提供一套方便、可靠的编程接口。当前主流Linux平台上默认的虚拟化管理工具virt-manager,virsh等都是基于libvirt开发。
　　

 

4、虚拟化原理

1> CPU虚拟化
　　利用了和原始操作系统类似的机制——定时中断，在中断触发时陷入VMM，从而根据调度机制进行调度。分配全量的CPU时间片。
　　以x86架构为例：
　　　　X86的ICA中有19条敏感指令不是特权指令，因此X86无法使用经典的虚拟化技术完虚拟化。
　　于是乎：
　　（1）半虚拟化：修改guest的OM使其运行于Ring0上。问题：对闭源系统是一种阻碍。
　　（2）全虚拟化：修改VMM，使得不敏感指令同样可以中断陷入VMM。
　　（3）硬件辅助虚拟化：对CPU微指令集的修改，使非root Ring0-3同样可使用CPU，而VMM只起监控作用。

2> 内存虚拟化
　　问题1：内存空间地址不唯一
　　问题2：内存连续性
　　解决：内存映射表
　　内存虚拟化：把物理机的真实内存统一管理，包装成多份虚拟的内存给若干虚拟机使用

3> I/O虚拟化
　　问题：多个客户机如何实现使用有限的外设资源？
　　VMM必须通过I/O虚拟化的方式来复用有限的外设资源。
　　现实中外设资源是有限的，为了满足多个客户机操作的需求，VMM必须通过I/O虚拟化的形式来复用有限的外设资源。
　　VMM截获客户操作系统对设备的访问请求，然后通过软件的方式来模拟真实设备的效果：
　　两个阶段：发现，使用
　　前端设备驱动将数据通过VMM提供的接口转发到后端驱动；
　　后端驱动对VM的数据进行分时分通道处理

　　

 

 

4> 存储虚拟化

　　存储虚拟化是在存储设备上加了一个逻辑卷，通过逻辑层访问存储资源。对管理员来说，可以方便的调整资源，提高存储利用率；对终端用户来说，集中的存储设备可提供更好的性能和易用性。
　　存储虚拟化的实现方式：
　　（1）裸金属+逻辑卷

　　

 

　　（2）存储设备虚拟化

　　

 

　　（3）主机存储虚拟化+文件系统

 

5> 网络虚拟化：

　　问题1：一个服务器一个网络端口对应多个虚拟机的多个服务
　　问题2：虚拟机动态迁移时网络端口随之迁移
　　大二层网络请求、IO透传技术
　　服务器虚拟化：