【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CPU虛擬化的目標(biāo)是使虛擬機(jī)上的指令能被正常地執(zhí)行，而且效率接近物理機(jī)。 全虛擬化 ：主要采用優(yōu)先級(jí)壓縮（ Ring Compression）和二 進(jìn)制代碼翻譯技術(shù)（ Binary Translation） 這兩個(gè)技術(shù)。優(yōu)先級(jí)壓縮能讓 VMM和 Guest運(yùn)行在不同的特權(quán)級(jí)下，對(duì) X86架構(gòu)而言，就是 VMM運(yùn)行在特權(quán)級(jí)最高 Ring 0下， Guest的 內(nèi)核代碼運(yùn)行在 Ring 1下， Guest的 應(yīng)用代碼運(yùn)行在 Ring 3下。通 過(guò)這種方式能讓 VMM截 獲一部分在 Guest上 執(zhí)行的特權(quán)指令，并對(duì)其進(jìn)行虛擬化。但是有一些對(duì)虛擬化不友好的指令則需要二進(jìn)制代碼翻譯來(lái)處理，它通過(guò)掃描并修改 Guest的二進(jìn)制代碼來(lái)將那些難以虛擬化的指令轉(zhuǎn)化為支持虛擬化的指令。 這是 VMWare最大的特點(diǎn) 半虛擬化 ：其通過(guò)修改 Guest OS的代 碼，使其將那些和特權(quán)指令相關(guān)的操作都轉(zhuǎn)換會(huì)發(fā)給VMM的 Hypercall（超 級(jí)調(diào)用），而且 Hypercall支持 Batch（批 處理）和異步這兩種優(yōu)化方式，使得通過(guò) Hypercall能得到近似于物理機(jī)的速度 .這 是 Xen最大的特點(diǎn) 硬件輔助虛擬化 ：主要有 Intel的 VTx和 AMD的 AMDV這兩種技術(shù)，而且這兩種技術(shù)在核心思想上非常相似，都是通過(guò)引入新的指令和運(yùn)行模式，來(lái)讓 VMM和 Guest OS能分 別運(yùn)行在其合適的模式下。在實(shí)現(xiàn)方面， VTX支持 兩種處理器工作方式：第一種稱為 Root模式（ Operation）， VMM運(yùn)行于此模式，用于處理特殊指令，另一種稱為 NonRoot模式（ Operation）， Guest OS運(yùn)行于此模式，當(dāng)在 NonRoot 模式 Guest執(zhí)行到特殊指令的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)切換到運(yùn)行于 Root模式 VMM，讓 VMM來(lái)處理這個(gè)特殊指令。 VMWare和 Xen都在利用此特點(diǎn)。 內(nèi)存虛擬化 內(nèi)存虛擬化的目標(biāo)是能做好虛擬機(jī)內(nèi)存空間之間的隔離，使每個(gè)虛擬機(jī)都認(rèn)為自己擁有了整個(gè)內(nèi)存地址，并且效率也能接近物理機(jī)。 全虛擬化： 影子頁(yè)表 （ Shadow Page Table），就是 為每個(gè) Guest都 維護(hù)一個(gè)“影子頁(yè)表”，在這個(gè)表中寫入虛擬化之后的內(nèi)存地址映射關(guān)系，而 Guest OS的 頁(yè)表則無(wú)需變動(dòng)，最后， VMM將影 虛擬化技術(shù)介紹 R 未經(jīng) IBM 書面許可，請(qǐng)勿擴(kuò)散到第三方 。 第 12 頁(yè) 共 31 頁(yè) 子頁(yè)表交給 MMU進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。 半虛擬化： 頁(yè)表寫入法，當(dāng) Guest OS創(chuàng)建一個(gè)新的頁(yè)表時(shí)，其 會(huì)向 VMM注 冊(cè)該頁(yè)表，之后在 Guest運(yùn)行的時(shí)候， VMM將不斷地管理和維護(hù)這個(gè)表，使 Guest上面的程序能直接 訪問(wèn)到合適的地址。 硬件輔助虛擬化： EPT（ Extended Page Table， 擴(kuò)展頁(yè)表）， EPT通 過(guò)使用硬件技術(shù)，使其能在原有的頁(yè)表的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè) EPT頁(yè)表，通過(guò)這個(gè)頁(yè)表能夠?qū)?Guest的物理地址直接翻 譯為主機(jī)的物理地址，從而減低整個(gè)內(nèi)存虛擬化所需的 Cost。 I/O 虛擬化 I/O虛擬化的目標(biāo)是不僅讓虛擬機(jī)訪問(wèn)到它們所需要的 I/O資源，而且要做好它們之間的隔離工作，更重要的是，減輕由 于虛擬化所帶來(lái)的開銷。 全虛擬化 ：通過(guò)模擬 I/O設(shè)備（磁盤和網(wǎng)卡等）來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬化。對(duì) Guest OS而言，它所能看到就是一 組統(tǒng)一的 I/O設(shè)備，同時(shí) Guest OS每次 I/O操作都 會(huì)陷入到 VMM， 讓 VMM來(lái)執(zhí)行。這種方式，對(duì)Guest而言，非常透明， 無(wú)需顧忌底層硬件，比如 Guest操作的是 SCSI的 設(shè)備，但實(shí)際物理機(jī)只有SATA的硬 盤。 半虛擬化 ：通過(guò)前端（ FrontEnd） /后端（ BackEnd）架構(gòu)， 將 Guest的 I/O請(qǐng)求通過(guò)一個(gè)環(huán)狀隊(duì)列傳遞到特權(quán)域（ Privileged Domain，也被 稱為 Domain0）。因 為這種方式的相關(guān)細(xì)節(jié)較多，所以會(huì)在后文進(jìn)行深入分析。 硬件輔助虛擬化 ：最具代表性莫過(guò)于 Intel的 VTd， AMD的 IOMMU和 PCISIG的 IOV（ I/O Virtulization） 這三個(gè)技術(shù)。在這里介紹一下 VTd，其核心思想就是 讓虛擬機(jī)能直接使用物理設(shè)備，但是這會(huì)牽涉到 I/O地址 訪問(wèn)和 DMA的 問(wèn)題，而 VTd通 過(guò)采用 DMA重映射（ Remapping）和 I/O頁(yè)表來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題，從而讓虛擬機(jī)能直接訪問(wèn)物理設(shè)備。還有， IOMMU和 VTd在技 術(shù)上有很多相似之處。 總結(jié) 虛擬化技術(shù)介紹 R 未經(jīng) IBM 書面許可，請(qǐng)勿擴(kuò)散到第三方 。 第 13 頁(yè) 共 31 頁(yè) 未來(lái) 隨著硬件輔助虛擬化技術(shù)不斷地發(fā)展和優(yōu)化，將使其在速度和架構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)更明顯，但是由于全虛擬化和半虛擬化的一些技術(shù)在某些方面還是保持了一定的優(yōu)勢(shì)，比如半虛擬化的前端和后端架構(gòu)和全虛擬化的二進(jìn)制代碼翻譯技術(shù)。所以，認(rèn)為今后 X86 虛擬化技術(shù)的發(fā)展將會(huì)以硬件輔助虛擬化技術(shù)為主，同時(shí)以全虛擬化和半虛擬化技術(shù)為輔 .走上和 IBM 相同的道路（ IBM 基于 Power 芯片的服務(wù)器就是以 硬件輔助虛擬化技術(shù)為主，同時(shí)以全虛擬化和半虛擬化技術(shù)為輔 ）。 x86 服務(wù)器 所需 虛擬化 技術(shù)和服務(wù)器初選 概覽 上面這張 x86 服務(wù)器虛 擬化概覽 圖從 4個(gè)層次闡述了 x86架構(gòu)服務(wù)器虛擬化的概覽，簡(jiǎn)要的概括如下： ? 物理層： 選用相應(yīng)的產(chǎn)商提供的 x86 服務(wù)器 ? CPU 輔助虛擬化層： 為了讓虛擬機(jī)運(yùn)行的性能更好，我們選用的 x86服務(wù)器中使用的芯片必須支持 IntelVT或者 AMDV 硬件虛擬化技術(shù) 。 ? Hypervisor 層： 這一層劃分層三個(gè)小層次： ： 此層的虛擬化技術(shù)的性能最好 ； 1 Hypervisor(no Host OS) 層 (也可認(rèn)為是 FullVirtual層 )： 此層的虛擬化技術(shù)的性能也非常好 。 2 Hypervisor(Host OS) 層 (也可認(rèn)為是FullVirtual層 )：此層的虛擬化技術(shù)的性能較差 。 ? Application Container 層： 這層是操作系統(tǒng)提供的虛擬化技術(shù)。 ? VMMgmt 層： 虛擬機(jī)的管理軟件 對(duì)于我們 要建設(shè)的云計(jì)算平臺(tái)來(lái)說(shuō)，性能、可靠性 、易用性 是非常重要的一部分，所以對(duì)于相應(yīng)的服務(wù)器和虛擬化技術(shù)選型來(lái)說(shuō)，我們明顯可以從上面的闡述可以得到我們需要選擇的服務(wù)器和虛擬化技術(shù)如下所示： 虛擬化技術(shù)介紹 R 未經(jīng) IBM 書面許可，請(qǐng)勿擴(kuò)散到第三方 。 第 14 頁(yè) 共 31 頁(yè) ? 服務(wù)器：購(gòu)買的 x86服務(wù)器所使用的 Intel/AMD芯片，必須支持 IntelVT或者 AMDV 硬件虛擬化技術(shù)。并且每臺(tái) x86服務(wù)器所包含的 CPU數(shù)量和內(nèi)存數(shù)量越多越好當(dāng)然需要建立在價(jià)格的基礎(chǔ)上 （最好是 32 Core， 128G內(nèi)存） . 下面表格列出了服務(wù)器 （ Intel芯片） 所需要支持的硬件虛擬化技術(shù)的列表： ? 虛擬化技術(shù)：我們將只會(huì)選擇 XEN、 KVM、 VMWare不會(huì)選擇其它虛擬化技術(shù) ，并且需要通過(guò)相面的闡述來(lái)決定主要選擇哪個(gè)虛擬化技術(shù)，備選哪個(gè)虛擬化技術(shù) . x86 服務(wù)器 虛擬化技術(shù)： XEN、 KVM、 VMWare的比較 雖然 VMWARE虛擬化技術(shù)在商用領(lǐng)域非常強(qiáng)勢(shì)，但 是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展（例如INTEL/AMD芯片在硬件上的虛擬化技術(shù)的支持和 XEN、 KVM這些開源虛擬化技術(shù)在功能上的進(jìn)步）； VMware的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不再向 21世紀(jì)初期那么明顯。并且加上我們安徽大學(xué)具有很強(qiáng)的 IT技術(shù)實(shí)力僅僅需要的是云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)施商在實(shí)施過(guò)程中給我們提供強(qiáng)大的技術(shù)支持和知識(shí)的傳遞即可，以及我們?cè)谔摂M機(jī)技術(shù)上的投資不可能很大 。所以我們通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)對(duì)比論證我們決定大部分采用 XEN虛擬機(jī)技術(shù)，在某些場(chǎng)景采用 KVM虛擬機(jī)技術(shù) /VMWare虛擬機(jī)技術(shù)。下面相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容就是相應(yīng)的技術(shù)論證闡述 . VMWare 簡(jiǎn)介 VMware vSphere v4是 VMWARE VMware Infrastructure 新的產(chǎn)品名稱，主要可被為兩部分：其一是 VMM（ 虛擬化管理器）部分， VMware ESX 4，其二是用于整合和管理 VMM的 VMware vCenter。下面是 vSphere的架構(gòu) 圖： 虛擬化技術(shù)介紹 R 未經(jīng) IBM 書面許可，請(qǐng)勿擴(kuò)散到第三方 。 第 15 頁(yè) 共 31 頁(yè) VMware ESX 4 介紹 VMware ESX 4是 屬于 Hyperviosr形式的 VMM，是直接安 裝硬件（ Bare Metal)上面，也稱為“ Type 1” 。 VMware ESX 4和之前 VMware ESX ，在功能和特性上有很多更新和 擴(kuò)展，其中最大的區(qū)別過(guò)于 VMware ESX 4只支持 64bit運(yùn)行模式，所以其只能安裝在支持 64位 計(jì)算的 X86物理機(jī)上。除了 ESX， VMware還推出了精簡(jiǎn)版的 ESXi， ESXi與 ESX的最大 區(qū)別在于其去除 Service Console。 VMware ESX 4 主要有三方面功能： 1. Infrastructure Service：就是 VMM的功能，也是整個(gè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。通過(guò)一個(gè)在物理機(jī)之上的虛擬層能抽象處理器，內(nèi)存和 I/O等 資源來(lái)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)。虛擬機(jī)能支持高達(dá) 8個(gè)的 vCPU和 256GB內(nèi)存，這樣的資源配置能滿足高性能應(yīng)用程序的性能需求。還支持熱添加功能，來(lái)向虛擬機(jī)熱添加虛擬 CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使應(yīng)用程序能無(wú)縫擴(kuò)展。 2. 增強(qiáng)型的 Infrastructure Service：除了基本的 Infrastructure Service之外， ESX 4還提供一些增強(qiáng)型的功能，以更好為虛擬化服務(wù)，比如， VMDirectPath能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ) I/O性能， vStorage的 Thin Provisioning和