《kvm分析報(bào)告》word版-文庫吧
2025-03-30 01:31 本頁面
【正文】 ileging方法可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)虛擬化，但具有很多缺陷，且軟件上比較復(fù)雜。為此，Intel提出了VTx技術(shù)來解決系統(tǒng)虛擬化問題，其主要思路是增加一個(gè)新的比0還高的特權(quán)級(jí)，通常稱之為特權(quán)級(jí)1，并在硬件上支持系統(tǒng)編程接口狀態(tài)的保存和恢復(fù)。首先，VTx提供了一套稱作VMX（Virtual Machine eXtension）的新的工作模式，工作在該模式下的處理器又具有兩類操作模式：VMX root operation和VMX nonroot operation。通常，虛擬機(jī)監(jiān)控器運(yùn)行在VMX root operation模式下，即所謂的特權(quán)級(jí)1，客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行在VMX nonroot operation模式下。VMX nonroot operation模式仍保留4個(gè)特權(quán)級(jí)，對(duì)操作系統(tǒng)來說，VMX nonroot operation模式與傳統(tǒng)的x86處理器兼容，最大的差別在于當(dāng)虛擬機(jī)執(zhí)行一些訪問全局資源的指令時(shí)將導(dǎo)致虛擬機(jī)退出操作（VM exit），從而使虛擬機(jī)監(jiān)控器獲得控制權(quán)，以便對(duì)訪問全局資源的指令進(jìn)行模擬。以后，虛擬機(jī)監(jiān)控器可以通過虛擬機(jī)進(jìn)入操作（VM entry）使虛擬機(jī)重新獲得控制權(quán)。其次，VTx為系統(tǒng)編程接口狀態(tài)的切換提供硬件支持。VTx為每個(gè)虛擬機(jī)維護(hù)至少一個(gè)VMCS（Virtual Machine Control Structure）結(jié)構(gòu)，其中保存了虛擬機(jī)和虛擬機(jī)監(jiān)控器的系統(tǒng)編程接口狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行VM exit和VM entry操作時(shí)，VTx自動(dòng)根據(jù)VMCS中的內(nèi)容完成虛擬機(jī)和虛擬機(jī)監(jiān)控器間的系統(tǒng)編程接口狀態(tài)切換。為系統(tǒng)編程接口狀態(tài)的切換提供硬件支持是必要的，因?yàn)閤86處理器的系統(tǒng)編程接口相比應(yīng)用編程接口要復(fù)雜的多，且在不停的變化，如較新的處理器可能增加一些MSR（Model Specific Register），這使得單獨(dú)依靠軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程接口的保存和恢復(fù)工作變得十分復(fù)雜。另外，VTx還提供了一組指令，使得虛擬機(jī)監(jiān)控器通過一條指令就可以完成虛擬機(jī)間的切換。VTx解決了ring deprivileging方法的一系列問題，從硬件上堵住了所謂的x86平臺(tái)的虛擬化漏洞。由于操作系統(tǒng)所在的VMX nonroot operation模式仍具有4個(gè)特權(quán)級(jí)，使得ring aliasing問題不存在了。同時(shí)，由于SYSENTER和SYSEXIT指令所引起的adverse impact on guest transitions問題也不存在了；由于VTx在VM exit和VM entry時(shí)完成系統(tǒng)編程接口的切換，也就是說虛擬機(jī)和虛擬機(jī)監(jiān)控器擁有各自的GDT，也就擁有了各自的地址空間，解決了address space pression問題。同時(shí)，虛擬機(jī)和虛擬機(jī)監(jiān)控器擁有各自的GDTR/IDTR等寄存器，在虛擬機(jī)中訪問這些寄存器無需陷入，解決了nonfaulting accessing to privileged state問題，再者，VMCS中保存了虛擬機(jī)的段描述符高速緩存，因此在虛擬機(jī)切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)access to hidden state問題；通過對(duì)VMCS進(jìn)行設(shè)置，可以使處理器在VMX nonroot ，即該標(biāo)志位不再對(duì)中斷屏蔽產(chǎn)生影響， exit，解決了interrupt virtualization的問題。VTx提供了完備的處理器虛擬化機(jī)制，利用VTx可以在單個(gè)硬件平臺(tái)上虛擬出任意數(shù)量的虛擬處理器VCPU。VTx除了解決了處理器虛擬化的問題之外，還為內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化提供了支撐。在內(nèi)存虛擬化方面，VTx為影子頁表的實(shí)現(xiàn)提供了支撐，并且在較新的處理器中還提供了EPT機(jī)制，進(jìn)一步提高了內(nèi)存虛擬化的效率。在I/O虛擬化方面，通過I/O位圖機(jī)制可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)Programmed I/O的虛擬化，除此之外，VTx還提供了中斷事件退出機(jī)制和中斷事件注入機(jī)制，方便對(duì)設(shè)備中斷進(jìn)行虛擬化。. KVM實(shí)現(xiàn)作為VMM，KVM分為兩部分，分別是運(yùn)行于Kernel模式的KVM內(nèi)核模塊和運(yùn)行于User模式的Qemu模塊。這里的Kernel模式和User模式，實(shí)際上指的是VMX根模式下的特權(quán)級(jí)0和特權(quán)級(jí)3。另外，KVM將虛擬機(jī)所在的運(yùn)行模式稱為Guest模式。所謂Guest模式，實(shí)際上指的是VMX的非根模式。利用VTx技術(shù)的支持，KVM中的每個(gè)虛擬機(jī)可具有多個(gè)虛擬處理器VCPU，每個(gè)VCPU對(duì)應(yīng)一個(gè)Qemu線程，VCPU的創(chuàng)建、初始化、運(yùn)行以及退出處理都在Qemu線程上下文中進(jìn)行，需要Kernel、User和Guest三種模式相互配合。Qemu線程與KVM內(nèi)核模塊間以ioctl的方式進(jìn)行交互，而KVM內(nèi)核模塊與客戶軟件之間通過VM Exit和VM entry操作進(jìn)行切換。Qemu線程以ioctl的方式指示KVM內(nèi)核模塊進(jìn)行VCPU的創(chuàng)建和初始化等操作，主要指VMM創(chuàng)建VCPU運(yùn)行所需的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并初始化。其中很重要的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是VMCS，其初始化配置見附2。初始化工作完成之后，Qemu線程以ioctl的方式向KVM內(nèi)核模塊發(fā)出運(yùn)行VCPU的指示，后者執(zhí)行VM entry操作，將處理器由kernel模式切換到Guest模式，中止宿主機(jī)軟件，轉(zhuǎn)而運(yùn)行客戶軟件。注意，宿主機(jī)軟件被中止時(shí)，正處于Qemu線程上下文，且正在執(zhí)行ioctl系統(tǒng)調(diào)用的kernel模式處理程序?？蛻糗浖谶\(yùn)行過程中，如發(fā)生異?；蛲獠恐袛嗟仁录?，或執(zhí)行I/O操作，可能導(dǎo)致VM exit，將處理器狀態(tài)由Guest模式切換回Kernel模式。KVM內(nèi)核模塊檢查發(fā)生VM exit的原因，如果VM exit由于I/O操作導(dǎo)致，則執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用返回操作，將I/O操作交給處于User模式的Qemu線程來處理，Qemu線程在處理完I/O操作后再次執(zhí)行ioctl，指示KVM切換處理器到Guest模式，恢復(fù)客戶軟件的運(yùn)行；如果VM exit由于其它原因?qū)е?，則由KVM內(nèi)核模塊負(fù)責(zé)處理，并在處理后切換處理器到Guest模式，恢復(fù)客戶機(jī)的運(yùn)行。 3. 內(nèi)存虛擬化. VTx內(nèi)存虛擬化介紹. 基于VTLB的內(nèi)存虛擬化對(duì)于x86平臺(tái)來說，處理器在加電或復(fù)位后處于實(shí)模式，此后在操作系統(tǒng)的操縱下一般會(huì)先切換到非分頁保護(hù)模式，最后在切換到分頁保護(hù)模式。VMM必須能夠滿足以上各種模式下的內(nèi)存虛擬化要求，完全控制客戶機(jī)對(duì)物理地址的訪問，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)間物理內(nèi)存的隔離，并對(duì)客戶機(jī)保持透明?？蛻魴C(jī)絕大多數(shù)情況下將工作在分頁保護(hù)模式下，因此我們首先介紹客戶機(jī)工作在分頁保護(hù)模式時(shí)的內(nèi)存虛擬化。我們知道，當(dāng)處理器未啟動(dòng)VMX模式時(shí)，頁表機(jī)制確定了線性地址到物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了加快地址轉(zhuǎn)換的效率，減少地址轉(zhuǎn)換過程中的頁表訪問次數(shù)，處理器使用TLB（Translation Lookaside Buffer）來緩存線性地址到物理地址的映射關(guān)系。實(shí)際的地址轉(zhuǎn)換過程中，處理器首先根據(jù)線性地址查找TLB，如果未發(fā)現(xiàn)該線性地址到物理地址的映射關(guān)系（TLB miss），將根據(jù)頁表中的映射關(guān)系填充TLB（TLB fill），然后再進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。因此
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