Cpu/Memory/IO虚拟化详解

一、定义


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。
虚拟化技术可以扩大硬件的容量,简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单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。

二、虚拟化的类别


虚拟化的类别有很多,定义也很宽泛;无法做到全面详述。这里将简单说明:
1、模拟:emulation(底层和模拟架构不需要一致);通过软件模拟是需要模拟环Ring0/1/2/3层;但是性能差;所以使用相对较少。
硬件 ---> Host ---> VMM(emulation) ---> Virtulization host
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2、完全虚拟化(full-virtualization):只虚拟出环ring0(以CPU虚拟化来说明)

    []BT:二进制翻译技术(Binary Translate);将模拟的CPU直接翻译成特权指令;限定虚拟结构平台和底层物理架构必须保持一致。基于软件的完全虚拟化。[/][]优点:不用修改GuestOS内核可以直接使用;应用广泛。[/][]缺点:在VMM捕获特权指令和翻译过程会导致性能的下降。[/]

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    []硬件辅助虚拟化:5个指令环;在环0的底层加了环-1;环0的特权指令给了环-1;HVM(hardware virtulization machine);属于硬件的完全虚拟化。[/]

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3、半虚拟化(para-virtulization):Guest明确知道自己运行在虚拟机上;;在执行特权指令时直接向hyper call调用;省去了特权指令的翻译过程。

    []优点:相对完全虚拟化;性能高;省去了特权指令的翻译过程。[/][]缺点:需要对GuestOS内核的修改;应用有限制。[/]

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4、OS级别的虚拟化:硬件-->OS kernel-->多个用户空间
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5、库虚拟化:wine
6、应用程序虚拟化:jvm

虚拟化的实现方式
两种类型:
    []Type-I:Hypervisor;在虚拟机的管理上更加的彻底和可靠。[/][]Type-II:宿主机运行在硬件上;可以依赖宿主机的各种管理软件进行虚拟机管理。[/]

 
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三、内存(Memory)虚拟化


内存虚拟化是虚拟机实现中的重要部分。在虚拟机中,虚拟出来的Guest OS和Host OS用的是相同的物理内存,却不能让它们相互影响到。如果OS在物理机上运行,只要OS提供页表,MMU会在访存时自动做虚拟地址(Virtual address, VA)到物理地址(Physical address, PA)的转化。而如果虚拟机上运行时,Guest OS经过地址转化到的“物理地址”并不是真实物理内存上的地址(GVA-->GPA),因此还需要使用软件将其转化为真实物理内存地址(HPA)。也就是说Guest OS要访问VA需要经过GVA-->GPA-->HPA的转化。

    []MMU Virtualization[/]

Guest完成GVA-->GPA第一层转化,硬件同时完成GPA到HPA这第二层转化。第二层转化对于Guest OS来说是透明的。Guest OS访问内存时和在物理机运行时是相同的,所以可以实现全虚拟化。这种特性Intel和AMD都有支持。Intel称之为Extended Page Tables (EPT),AMD称之为Nested Page Tables (NPT)。其优点是hypervisor节省了工作,缺点是需要硬件支持。

    []TLB Virtualization:tagged TLB[/]

TLB:转换后援存储器;原生只存储VA-->PA的对应关系。所以在虚拟内存中的两次转换会导致TLB的命中率失效。致使性能降低。所以使用tagged TLB,它缓存了Guest对象和GVA-->HPA的对应关系。需要CPU的支持。

四、I/O虚拟化的方式


    []模拟(完全虚拟):完全使用软件来模拟真实硬件;模拟通常硬件;例如键盘鼠标;通过焦点捕获;焦点被哪个主机捕获就被哪个主机使用。性能很差。[/][]半虚拟化:对硬件驱动由前端(IO frontend)直接转到后端(IO backend)调用;通常仅适用于硬盘和网卡。性能高。[/][]IO-through:IO透传;直接分配给虚拟机物理设备;例如直接分配一个硬盘或网卡给虚拟机;需要硬件具备IO透传技术;在Xen下由Dom0分配;但是访问使用直接使用;不经过Dom0。需要硬件支持。[/]

I/O具体工作模式:
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VMM:对IO的驱动有三种模式:
    []自主VMM:由VMM自行提供驱动和控制台;[/][]混合VMM:借助于OS提供驱动;[/]

                              依赖于外部OS实现特权域
                              自我提供特权域
    []寄宿式VMM:[/]

五、虚拟化网络


bridge:把原宿主机上的网卡当交换机;然后虚拟出一个桥来接收发往宿主机的数据包。
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isolation mode:仅guest之间通信;不与外部网络和宿主机通信。
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routed mode:与外部主机通信;依赖于静态路由指定到各Guest需经过pnet0。
host-only:不与外部主机通信。
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nat:地址转换;在虚拟网卡和物理网卡之间建立一个nat转发服务器;对数据包进行源地址转换。
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到此基本虚拟化基础以详解完成。

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