计算虚拟化简介

何为虚拟化？

• 虚拟化技术不等于云计算，云计算的实现不一定需要虚拟化，但虚拟化在IaaS中起着非常重要的作用（裸金属服务器）
• 裸金属服务器，又不仅限于物理服务器，它是物理服务器和云服务的结合。
• “裸金属”，意味它不包括相应的操作系统和软件，这个是客户后期自选配置的。大部分云服务提供商的裸金属服务器产品，不提供本地硬盘（可以支持），主要提供CPU和内存。
• 裸金属服务器知识：https://zhuanlan.zhihu.com/p/172037815

• 虚拟化是云计算基础，针对云计算能够提供不仅仅是IaaS服务PaaS和SaaS的大部分服务都是基于IaaS服务建立的

虚拟机如何创建？

• 虚拟机通过物理CPU的虚拟化技术，分配给虚拟机以资源，通过操作系统控制，形成虚拟机
• 或者通过虚拟化软件在实机的基础上建立

为什么要使用虚拟化

• 使用虚拟化技术可以提高资源的利用率，实现软硬件的解耦
• 虚拟化的本质是将原来的的物理设备逻辑化
• 未使用虚拟化的软硬件是高耦合的，同一时刻只能运行一个OS，且硬件与OS比例1:1，并且硬件资源是独立的
• 使用虚拟化，可以实现软硬件解耦，同一时刻可以运行多个OS，且硬件与OS比例1:n，并且硬件资源是共享的

常见的虚拟化

• 开源：

  • KVM、XEN

• 闭源：

  • Hyper-V、VMware、Fusion Sphere

相关概念

• Guest OS ：虚拟机OS
• Guest Machine ：虚拟处理的虚拟机
• Hypervisor ：虚拟化监控机
• Host OS ：运行在物理机上的OS
• Host Machine ： 物理机

虚拟化架构

根据hypervisor的位置不同

• 1型虚拟化 。Hypervisor直接安装在物理机上，多个虚拟机在Hypervisor运行。Hypervisor实现方式一般是一个特殊定制的Linux系统。Xen和VMWare的ESXi都属于这个类型。
• 2型虚拟化 。物理机上首先安装常规的操作系统，比如Redhat、Ubuntu和Windows.Hypervisor作为OS上的一个程序模块运行，并对管理虚拟机进行管理。KVM、VirtualBox和VMWareWorkstation都属于这个类型。

理论上讲：

• 1型虚拟化一般对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能上比2型要高。
  KVM注重性能，XEN注重安全性，针对应用的访问路径开销，KVM比XEN要短
• 2型虚拟化因为基于普通的操作系统，会比较灵活，比如支持虚拟机嵌套。嵌套意味着可以在KVM虚拟机中再运行KVM

Hypervisor作用

1. 识别、捕获和响应虚拟机所发出的CPU特权指令或保护指令
2. 负责处理虚拟机队列和调度，并将物理硬件的处理结果返回给相应的虚拟机。
3. VMM承担管理资源的重任，其还需向上提供拟机VM用于运行Guest OS，因此VMM还负责虚拟环境的创建和管理。

CPU虚拟化

Ring0的权限可以直接操作硬件，一般只有操作系统和驱动会允许拥有此权限；Ring3的权限最低，所有的程序都可以拥有此权限，一些危险指令只能通过OS调用执行

• 指令类别：
  • 特权指令：操作与管理关键系统资源指令，在Ring0级别上运行
  • 普通指令：CPU普通权限级别即可运行，即Ring3
  • 敏感指令：修改虚拟机运行模式或宿主机状态的指令，即将Guest OS在Ring0运行的指令夺权，交由VMM执行

可以说，Ring0就是我们常说的内核态，Ring3就是我们常说的用户态

计算虚拟化原理

CPU虚拟化原理

• 对于原生操作系统与CPU的管理关系：
  • CPU资源永远就绪
  • OS对CPU具有最高权限

但引入虚拟化后，出现：
多个虚拟机之间共享CPU资源
部分指令只能通过hypervisor的权限使用

内存虚拟化原理

• 对于原生操作系统与CPU的管理关系：
  • 内存都从物理地址0开始
  • 内存都连续

但引入虚拟化后，出现：
物理地址0只有一个，无法同时满足所有客户机从0开始的需求
分配连续物理地址会使内存使用率降低，灵活性降低

• 通过Hypervisor把操作系统的内存分为虚拟机侧和物理机侧，从虚拟机侧看，每个独立的虚拟机的内存物理地址都是从0开始的，但从物理机侧看，所有虚拟机的物理内存地址整合在一起却只有一个0物理地址，只是Hypervisor在其中把每个虚拟机所要的物理地址0虚拟化了，让各个虚拟机的内存物理地址逻辑上是从0开始的，但物理上却并非如此

I/O虚拟化原理

• 现实中的外设资源是有限的，为满足客户机操作系统的需求，VMM必须通过I/O虚拟化的方式来复用有限的外设资源
• 解决方法：全虚拟化、半虚拟化、硬件虚拟化

XEN 与 KVM

• XEN架构：本身去充当VMM，只能够区实现CPU虚拟化、内存的虚拟化
• Domain0：基于XEN架构下最先启动的一台特权虚拟机，能够直接去管理和使用底层硬件的IO设备，并且去划分虚拟IO硬件设备给虚拟机来去使用，同时能够去管理普通的虚拟机，配合前后端驱动模型去实现IO半虚拟化
• DomainU：普通的虚拟机
• KVM：利用宿主机操作系统的内核去充当Hypervisor，能够实现CPU和内存虚拟化，需要配合QEMU模块实现IO虚拟化；在KVM中称之为QEMU-KVM，提高使用IOCTL（操作系统的函数调用），在/dev/kvm接口配置VM的IP，实现IO虚拟化

Libvirt是用于管理虚拟化平台的开源的API，后台程序和管理工具。它可以用于管理KVM、Xen、VMware ESX，QEMU和其他虚拟化技术。这些API在云计算的解决方案中广泛使用。

什么是KVM

• 基于内核的虚拟机 Kernel-based Virtual Machine（KVM）是一种内建于 Linux® 中的开源虚拟化技术。具体而言，KVM 可帮助您将 Linux 转变为虚拟机监控程序，使主机计算机能够运行多个隔离的虚拟环境，即虚拟客户机或虚拟机（VM）。

KVM运行模式

1. Guest Mode ：指虚拟机，包括CPU、内存磁盘等虚拟设备，置于一种受限的CPU模式下运行
2. User Mode ：指用户空间。主要是QEMU，用来为虚拟机模拟执行I/O类的操作请求
3. Kernel Mode ：指内核空间，可以真正的操作硬件

KVM I/O默认状态

默认状态下技术全虚拟化

1、虚拟机中的磁盘设备发起一次I/O操作请求，
2、KVM模块中的I/O Trap Code（I/O捕获程序）将这个I/O操作请求捕获至刂进行相应的处理，然后将处理后的请求放到I/O共享页中；
3、KVM模块会涌知QEMU,告诉它有新的I/O操作请求放到了共享页中；
4、QEMU收到通知后，到共享页中获取该I/O操作请求的具体信息；
5、QEMU对该清求进行模拟，同时根据I/O操作请求的信息调用运行在内核态的设备驱动，去进行真正的I/O操作；
6、通过设备驱动去对硬件 ==执行真正的I/O操作== ；
7、QEMU将执行后的一返回到共享页中，同时通知KVM模块已完成了此次的I/O操作；
8、I/O捕获程序从共享页中将返回的结果读取出来；
9、I/O捕获程序将操作结果返回给虚拟机；
10、虚拟机的将结果返回给发起操作的应用程序。

KVM I/O操作——Virtio

引入Virtio，整个I/O操作流程就变成半虚拟化了

1、第一步也是由虚拟机发起I/O操作请求；
2、第二步的时候和使用默认模型不一样，这个I/O操作请求不会经过I/O捕获程序，而是直接以前后端的形式放到环形缓冲区，同时KVM模块涌知后端驱动；
3、QEMU到环形缓冲区获取到操作请求的具体信息；
4、后端驱动直接调用真实的物理设备驱动进行具体的I/O操作;
5、由真实的设备驱动完成此次操作;
6、QEMU将完成结果返回到环形缓冲区，并且由KVM模块通知前端驱动；
7、前端驱动从环形缓冲区获取到此次I/O操作的结果；
8、前端驱动将结果返回给具体发起该操作的应用程序。

Virtio也存在着一些缺点，有些比较老的或者不常用的设备，无法使用，只能使用QEMU方式进行模拟。

• 整个Virtio包括前端驱动、vring和后端驱动组成。
• 引入Virtio，可以跳过KVM Module中介，直接把IO指令请求交由QEMU处理，并且通过vring获取到已处理的I/O指令，传回到操作系统中。
• 提升I/O访问的效率，降低I/O延迟。