ca88官方会员登录KVM计算虚拟化原理

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云计算,虚拟化

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本文基于网上的材质整理而成。

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第一章 服务器虚拟化概述

第一章 服务器虚拟化概述

1.1 为何必要服务器虚拟化

比方物理机上只布署一种工作,资源利用率太低,不便于节约开支。若是说生产区域要求选择物理机来保障平稳,对于开发测试区使用虚拟机不但可以节省有限的物理机资源,仍能高速上线。

1.1 为何需求服务器虚拟化

假定物理机上只安顿一种工作,资源利用率太低,不便利节省资金。即使说生产区域须求运用物理机来保险安居,对于开发测试区使用虚拟机不但可以节约有限的物理机资源,还足以敏捷上线。

1.2 虚拟化发展历史

  • 提出概念:1959年3月提议,在国际音信处理大会上登载的《大型高速统计机中的时间共享》故事集中提议
  • 开发技术:20世纪60年间先河,IBM操作系统虚拟化技术利用在了大型机和袖珍机上
  • 蓬勃发展:20世纪90年份,VMware企业第一已毕了X86架构上的虚拟化,于1999年出产了x86平台上的率先款虚拟化商业软件VMware
    workstation。
  • 群雄逐鹿:更加多的厂商投入了虚拟化技术的部队

第二章 服务器虚拟化

服务器虚拟化首要有三种艺术:

  • 硬件虚拟化:通过Hypervisor层虚拟出硬件系统环境,将硬件系统CPU发出的一声令下经过处理后传到大体CPU上。

硬件虚拟化的关键在于Hypervisor层。

所谓Hypervisor层就是在情理服务器和操作系统中间运行的软件层,能够对模拟硬件系统,将先后对那几个硬件系统CPU发送的指令经过处理将来,加以虚拟传到物理CPU上。同时它可以协调访问服务器上的大体设备和虚拟机,也叫虚拟机监视器(VMM
)。

  • 容器:只是虚拟化出利用运行时的条件,是相比轻量的虚拟化,层次相比较浅。

1.2 虚拟化发展历史

  • 指出概念:1959年3月提出,在国际消息处理大会上刊登的《大型高速计算机中的时间共享》诗歌中提议
  • 开发技术:20世纪60年间初步,IBM操作系统虚拟化技术使用在了大型机和小型机上
  • 蓬勃发展:20世纪90年间,VMware公司率先落到实处了X86架构上的虚拟化,于1999年推出了x86平台上的首先款虚拟化商业软件VMware
    workstation。
  • 群雄逐鹿:更加多的厂商出席了虚拟化技术的军旅

第二章ca88官方会员登录, 服务器虚拟化

服务器虚拟化主要有三种艺术:

  • 硬件虚拟化:通过Hypervisor层虚拟出硬件系统环境,将硬件系统CPU发出的吩咐经过处理后传到大体CPU上。

硬件虚拟化的关键在于Hypervisor层。

所谓Hypervisor层就是在情理服务器和操作系统中间运行的软件层,可以对模拟硬件系统,将顺序对那个硬件系统CPU发送的下令经过处理将来,加以虚拟传到物理CPU上。同时它可以协调访问服务器上的大体设备和虚拟机,也叫虚拟机监视器(VMM
)。

  • 容器:只是虚拟化出利用运行时的环境,是相比较轻量的虚拟化,层次相比浅。

2.1 服务器虚拟化架构

  • 裸金属架构:Hypervisor层直接运行在硬件系统上。典型事例是KVM。KVM其实就是Linux内核提供的虚拟化架构,可将基本直接担任Hypervisor,KVM一般须要处理器自己协助虚拟化增添技术,如IntelVT等。KVM使用内核模块kvm.ko来落到实处基本虚拟化作用,不过只提供了CPU和内存的虚拟化,必须结合QEMU才能结合完整的虚拟化技术。

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  • 宿主架构:典型的就是QEMU,它可以透过二进制转换到模拟CPU,使Guest
    OS认为本身再与硬件打交道。
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2.1 服务器虚拟化架构

  • 裸金属架构:Hypervisor层直接运行在硬件系统上。典型例子是KVM。KVM其实就是Linux内核提供的虚拟化架构,可将根本直接担任Hypervisor,KVM一般要求处理器本身帮忙虚拟化扩大技术,如速龙VT等。KVM使用内核模块kvm.ko来已毕中央虚拟化功用,可是只提供了CPU和内存的虚拟化,必须结合QEMU才能构成完整的虚拟化技术。

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  • 宿主架构:典型的就是QEMU,它可以经过二进制转换到效仿CPU,使Guest
    OS认为本人再与硬件打交道。
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2.2 CPU虚拟化

经过的实施有二种境况

  • 内核态:紧要用来硬件访问,修改首要参数,
  • 用户态:用户运行应用程序。

二种情景的权柄不一致,对硬件的访问必须在内核态,可以保险系统的可相信性,只给选拔人士开放用户态,不会对OS的运转带来大的熏陶。防止系统被人为攻击。

OS内核数据和代码区应该与用户区完全隔离,也等于说程序可以见到的地点都以用户态地址,当程序执行系统调用的时候,进度会切入内核态举行基本访问,此刻页表也亟需切换来内核态的页表,带来的难题是性质相比差。因为页表在内存中,切换会带来品质的下跌。

由此近来主流的OS的做法是将根本代码和数据区放到用户进程虚拟地址控制器的高位区,32bit系统放到3~4G,windows暗许占用2~4G区,64bit系统也放在高位。那样带来的益处是,进程空间的内核区也被映射到大体内存区,进程的切换不会导致TLB中从前缓存的对准内核区页表失效,保证了品质。

其实进度是无法访问内核区,因为强行访问的话,页表条目有权限位(进度近年来权限保存在寄存器的CPL字段,为Ring3,而基本页表的权杖为Ring0,所以CPU会禁止访问。)

小结一下就是x86 架构提供多少个特权级别给操作系统和应用程序来访问硬件。
Ring 是指 CPU 的周转级别,Ring 0是最高级别,Ring1次之,Ring2更次之……

  • 根本需求直接访问硬件和内存,因而它的代码须求周转在最高运行级别
    Ring0上,那样它可以采取特权指令比如控制中断、修改页表、访问设备等等。
  • 应用程序的代码运行在低于运行级别上Ring3上,怎么着要拜访磁盘,这就须求举办系统调用,此时CPU的运作级别会暴发从ring3到ring0的切换,并跳转到系统调用对应的基石代码地方执行,那样基本就为您完了了配备访问,已毕之后再从ring0重临ring3。那几个历程也称功效户态和内核态的切换。

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对此非虚拟化操作系统而言,应用程序和系统发出的普通指令都运作在用户级别指令中,唯有特权指令运行在宗旨级别中,那样操作系统与运用解耦合。

那么,虚拟化在那边就碰着了一个难题,因为物理机OS是干活在 Ring0
的,虚拟机的操作系统就无法也在 Ring0
了,所以有的特权指令是尚未履行权限的

CPU虚拟化的艺术就是

  • 特权解除:让Guest
    OS运行在用户级别,让hypervisor运行在着力级别,那样就免去了Guest
    OS的特权级别。
  • 沦为模拟:运作在Guest
    OS的家常指令像过去一模一样运行,当运行到特权指令时,会发生极度并被hypervisor捕获。
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那么困难在于:

  • 怎么样模拟x86爱慕形式
  • 何以阻止并履行虚拟机的Ring0指令。
    缓解方法如下

2.2 CPU虚拟化

经过的推行有二种景况

  • 内核态:首要用来硬件访问,修改主要参数,
  • 用户态:用户运行应用程序。

二种处境的权柄分裂,对硬件的造访必须在内核态,可以保障系统的可倚重性,只给拔取人士开放用户态,不会对OS的运转带来大的熏陶。防止系统被人为攻击。

OS内核数据和代码区应该与用户区完全隔绝,也等于说程序可以看来的地址都以用户态地址,当程序执行系统调用的时候,进度会切入内核态进行基础访问,此时页表也急需切换来内核态的页表,带来的题材是性质相比差。因为页表在内存中,切换会带来品质的下挫。

之所以方今主流的OS的做法是将根本代码和数据区放到用户进度虚拟地址控制器的高位区,32bit系统放到3~4G,windows默许占用2~4G区,64bit系统也位于高位。那样推动的好处是,进度空间的内核区也被映射到大体内存区,进度的切换不会招致TLB中从前缓存的针对性内核区页表失效,保障了质量。

实则进度是不只怕访问内核区,因为强行访问的话,页表条目有权限位(进度近年来权限保存在寄存器的CPL字段,为Ring3,而根本页表的权能为Ring0,所以CPU会禁止访问。)

统计一下就是x86 架构提供多个特权级别给操作系统和应用程序来做客硬件。
Ring 是指 CPU 的运转级别,Ring 0是最高级别,Ring1次之,Ring2更次之……

  • 根本需求一贯访问硬件和内存,由此它的代码必要周转在最高运行级别
    Ring0上,那样它可以选拔特权指令比如控制中断、修改页表、访问设备等等。
  • 应用程序的代码运行在低于运行级别上Ring3上,如何要拜访磁盘,那就必要实践系统调用,此时CPU的周转级别会爆发从ring3到ring0的切换,并跳转到系统调用对应的基石代码地点执行,那样基本就为您完了了配备访问,达成将来再从ring0再次来到ring3。其一历程也称成效户态和内核态的切换。

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对此非虚拟化操作系统而言,应用程序和体系发出的一般性指令都运行在用户级别指令中,唯有特权指令运行在核心级别中,这样操作系统与运用解耦合。

那就是说,虚拟化在那边就境遇了一个难点,因为物理机OS是工作在 Ring0
的,虚拟机的操作系统就不能也在 Ring0
了,所以部分特权指令是一向不执行权限的

CPU虚拟化的点子就是

  • 特权解除:让Guest
    OS运行在用户级别,让hypervisor运行在中央级别,那样就裁撤了Guest
    OS的特权级别。
  • 深陷模拟:运作在Guest
    OS的平时指令像过去相同运行,当运行到特权指令时,会暴发相当并被hypervisor捕获。
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那就是说困难在于:

  • 何以模拟x86爱护形式
  • 什么样堵住并实施虚拟机的Ring0指令。
    斩草除根办法如下
2.2.1 CPU虚拟化技术消除格局
  • 全虚拟化:客户操作系统运行在 Ring
    1,它在推行特权指令时,会接触卓殊,然后
    hypervisor捕获那一个格外,在分外里面做翻译,最终回到到客户操作系统内,客户操作系统认为自身的特权指令工作例行,继续运行。所以也叫二进制翻译技术(Binary
    Translate)。
    不过那特本性损耗相当的大,容易的一条指令今后却要通过复杂的那一个处理进度
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    • 可取:不用修改GuestOS内核可以向来利用
    • 缺点:在VMM捕获特权指令和翻译进度会促成品质的降落。
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      从上图可以看来,当虚拟机中的应用要运行在内核态的时候,会由此Hypervisor层的上行下效,通过二进制翻译技术,将下令替换为其余的一声令下。
  • 半虚拟化:修改操作系统内核,替换掉不可以虚拟化的通令,通过顶级调用(hypercall)直接和底部的虚拟化层hypervisor来报纸发布,
    相对于完全虚拟化质量更高,因为省去了翻译的进程。但是需求对Guest
    OS举办修改,应用场景不多。
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  • 硬件协理虚拟化: 二〇〇五年后,CPU厂商AMD 和 速龙 起首帮忙虚拟化了。
    速龙 引入了 英特尔-VT (Virtualization Technology)技术
    重在的落到实处格局是充实了一个VMX
    non-root操作方式,运行VM时,客户机OS运行在non-root情势,照旧有Ring0~ring3等级别
    当运行特权指令时或许发生中断的时候,通过VM_EXIT就足以切换到root形式,拦截VM对虚拟硬件的造访。执行已毕,通过VM_ENTRY回到non-root即可。
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    那种技能首要代表为intel VT-X,AMD的AMD-V
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全虚拟化

半虚拟化

硬件辅助虚拟化

实现技术

BT和直接执行

Hypercall

客户操作系统修改/兼容性

无需修改客户操作系统,最佳兼容性

客户操作系统需要修改来支持hypercall,因此它不能运行在物理硬件本身或其他的hypervisor上,兼容性差,不支持Windows

性能

好。半虚拟化下CPU性能开销几乎为0,虚机的性能接近于物理机。

应用厂商

VMware Workstation/QEMU/Virtual PC

Xen

KVM 是基于CPU
协助的全虚拟化方案,它需求CPU虚拟化个性的扶助。
总结:
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2.2.1 CPU虚拟化技术化解方法
  • 全虚拟化:客户操作系统运行在 Ring
    1,它在执行特权指令时,会接触至极,然后
    hypervisor捕获那几个丰富,在非凡里面做翻译,最终回到到客户操作系统内,客户操作系统认为本人的特权指令工作健康,继续运行。所以也叫二进制翻译技术(Binary
    Translate)。
    而是那特性子损耗极度的大,简单的一条指令未来却要因此复杂的十分处理进程
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    • 可取:不用修改GuestOS内核可以直接动用
    • 缺陷:在VMM捕获特权指令和翻译进程会促成质量的降低。
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      从上图可以看看,当虚拟机中的应用要运行在内核态的时候,会因此Hypervisor层的模仿,通过二进制翻译技术,将指令替换为其他的命令。
  • 半虚拟化:修改操作系统内核,替换掉无法虚拟化的一声令下,通过一流调用(hypercall)直接和尾部的虚拟化层hypervisor来广播公布,
    相持于完全虚拟化品质更高,因为省去了翻译的进度。可是急需对Guest
    OS举办改动,应用场景不多。
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  • 硬件援救虚拟化: 二零零五年后,CPU厂商速龙 和 英特尔 开端扶助虚拟化了。
    速龙 引入了 速龙-VT (Virtualization Technology)技术
    根本的兑现方式是充实了一个VMX
    non-root操作形式,运行VM时,客户机OS运行在non-root情势,依旧有Ring0~ring3等级别
    当运行特权指令时依然爆发搁浅的时候,通过VM_EXIT就足以切换来root方式,拦截VM对虚拟硬件的走访。执行已毕,通过VM_ENTRY回到non-root即可。
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    那种技能主要代表为intel VT-X,英特尔的英特尔-V
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全虚拟化

半虚拟化

硬件辅助虚拟化

实现技术

BT和直接执行

Hypercall

客户操作系统修改/兼容性

无需修改客户操作系统,最佳兼容性

客户操作系统需要修改来支持hypercall,因此它不能运行在物理硬件本身或其他的hypervisor上,兼容性差,不支持Windows

性能

好。半虚拟化下CPU性能开销几乎为0,虚机的性能接近于物理机。

应用厂商

VMware Workstation/QEMU/Virtual PC

Xen

KVM 是基于CPU
支援的全虚拟化方案,它必要CPU虚拟化性子的协理。
总结:
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2.3 内存虚拟化原理

内存虚拟化指的是共享物理系统内存,动态分配给虚拟机。虚拟机的内存虚拟化很象虚拟内存方式

虚拟内存是统计机连串内存管理的一种技术,目的是让应用程序认为它装有再而三的可用的内存(一个接连完整的地址空间)。其实就是操作系统将内存资源的虚拟化,屏蔽了内存调用的细节,对应用程序而言,不要求关心内存访问的底细,可以把内存当作线性的内存池。

x86 CPU 都囊括了一个叫作内存管理的模块MMU(Memory Management Unit)和
TLB(Translation Lookaside Buffer),通过MMU和TLB来优化虚拟内存的特性。

OS将内存依据4KB为单位举行分页,形成虚拟地址和情理地址的映射表。若果OS在物理机上运行,只要OS提供这几个页表,MMU会在访存时自动做虚拟地址(Virtual
address, VA)到大体地址(Physical address, PA)的转速。

只是假诺虚拟机上运行OS,Guest
OS经过地方转化到的“物理地址”实际上是QEMU的逻辑地址,由此还亟需选拔软件将其转会为实际物理内存地址

对此OS运行在大体机上的情状

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若果经过访问内存的时候,发现映射表中还从未物理内存进行对应。如下图

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此时MMU向CPU发出缺页中断,操作系统会按照页表中的外存地址,在外存中找到所缺的一页,将其调入内存。同时立异页表的炫耀关系。下五回访问的时候可以直接命中物理内存。

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对于OS在虚拟机中的处境,进度就要复杂很多。

对此虚拟机内的进程的变换,需求展开两次更换。约等于说首先将使用的逻辑地址转换为虚拟机的情理地址,而这实则是QEMU进度的逻辑地址,所以要映射到实际内存的大体地址还亟需做一次转换。

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  • VA:应用的虚拟地址
  • PA:虚拟机物理地址,也是QEMU进度的逻辑地址
  • MA:物理机的情理地址

足见,KVM
为了在一台机械上运行两个虚拟机,须求充实一个新的内存虚拟化层,也等于说,必须虚拟
MMU 来帮助客户OS,完结 VA -> PA -> MA 的翻译。

客户操作系统继续控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射 (VA ->
PA),不过客户操作系统无法从来访问实际机器内存,由此VMM
要求担当映射客户物理内存到实际机器内存 (PA -> MA)。

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VMM 内存虚拟化的落成格局:

  • 软件格局:通过软件已毕内存地址的翻译,比如 Shadow page table
    (影子页表)技术
  • 硬件完成:基于 CPU 的增援虚拟化功用,比如 英特尔 的 NPT 和 英特尔 的 EPT
    技术

2.3 内存虚拟化原理

内存虚拟化指的是共享物理系统内存,动态分配给虚拟机。虚拟机的内存虚拟化很象虚拟内存方式

虚拟内存是电脑种类内存管理的一种技术,目的是让应用程序认为它兼具延续的可用的内存(一个接连完整的地方空间)。其实就是操作系统将内存资源的虚拟化,屏蔽了内存调用的底细,对应用程序而言,不要求关心内存访问的底细,可以把内存当作线性的内存池。

x86 CPU 都囊括了一个誉为内存管理的模块MMU(Memory Management Unit)和
TLB(Translation Lookaside Buffer),通过MMU和TLB来优化虚拟内存的特性。

OS将内存依照4KB为单位展开分页,形成虚拟地址和大体地址的映射表。假设OS在物理机上运行,只要OS提供那几个页表,MMU会在访存时自动做虚拟地址(Virtual
address, VA)到大体地址(Physical address, PA)的中转。

不过假如虚拟机上运行OS,Guest
OS经过地点转化到的“物理地址”实际上是QEMU的逻辑地址,因而还索要利用软件将其转会为实际物理内存地址

对此OS运行在物理机上的状态

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如若经过访问内存的时候,发现映射表中还从未物理内存举行相应。如下图

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那儿MMU向CPU发出缺页中断,操作系统会基于页表中的外存地址,在外存中找到所缺的一页,将其调入内存。同时立异页表的投射关系。下三回访问的时候可以直接命中物理内存。

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对于OS在虚拟机中的意况,进程就要复杂很多。

对此虚拟机内的长河的变换,必要开展两次更换。相当于说首先将选择的逻辑地址转换为虚拟机的大体地址,而那其实是QEMU进度的逻辑地址,所以要映射到实在内存的物理地址还索要做两回转换。

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  • VA:应用的虚拟地址
  • PA:虚拟机物理地址,也是QEMU进程的逻辑地址
  • MA:物理机的大体地址

可知,KVM
为了在一台机器上运行三个虚拟机,需求追加一个新的内存虚拟化层,约等于说,必须虚拟
MMU 来扶助客户OS,完成 VA -> PA -> MA 的翻译。

客户操作系统继续控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射 (VA ->
PA),但是客户操作系统不大概直接访问实际机器内存,因而VMM
必要负担映射客户物理内存到实际机器内存 (PA -> MA)。

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VMM 内存虚拟化的贯彻格局:

  • 软件方式:通过软件完毕内存地址的翻译,比如 Shadow page table
    (影子页表)技术
  • 硬件完成:基于 CPU 的协理虚拟化功效,比如 AMD 的 NPT 和 AMD 的 EPT
    技术
2.3.1 软件方式

黑影页表(SPT,shadow page
table):Hypervisor为虚拟机怜惜了一个虚拟机的虚拟地址到宿主机大体地址炫耀的的页表。也等于说,在原本的两层地址层次基础上加了一层伪物理地址层次,通过那张表可以将客户机虚拟地址宿主机物理地址里面展开映射。

客户OS创立之后,Hypervisor成立其对应影子页表。刚发轫影子页表是空的,此时其余客户OS的访存操作都会生出缺页中断,然后Hypervisor捕获缺页卓殊

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通过五回地址映射转换拿到虚拟机虚拟地址物理机物理地址的照耀关系,写入影子页表,逐步做到有着虚拟地址到宿主机机器地址的映照。
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代价是内需保证虚拟机的页表和宿主机的黑影页表的一块。

2.3.1 软件形式

阴影页表(SPT,shadow page
table):Hypervisor为虚拟机护卫了一个虚拟机的虚拟地址到宿主机大体地址辉映的的页表。约等于说,在原本的两层地址层次基础上加了一层伪物理地址层次,通过这张表可以将客户机虚拟地址宿主机物理地址时期展开映射。

客户OS制造之后,Hypervisor创造其对应影子页表。刚开始影子页表是空的,此时其余客户OS的访存操作都会发生缺页中断,然后Hypervisor捕获缺页相当

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透过三回地址映射转换拿到虚拟机虚拟地址物理机物理地址的映射关系,写入影子页表,逐步做到有着虚拟地址到宿主机机器地址的照射。
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代价是急需保持虚拟机的页表和宿主机的黑影页表的同步。

2.3.2 通过INTEL EPT技术来达成

KVM 中,虚机的情理内存即为 qemu-kvm 进度所占有的内存空间。KVM 使用
CPU 扶助的内存虚拟化情势。在 英特尔 和 英特尔平台,其内存虚拟化的兑现方式分别为:

  • 英特尔 平台上的 NPT (Nested Page Tables) 技术
  • AMD 平台上的 EPT (Extended Page Tables)技术
    EPT 和 NPT选拔类似的规律,都是作为 CPU
    中新的一层,通过硬件用来将客户机的情理地址翻译为主机的情理地址。也等于说Guest
    OS完结虚拟机虚拟地址–>虚拟机物理地址第一层转化,硬件同时完毕虚拟机物理地址到物理机物理地址那第二层转化。第二层转换对Guest
    OS来说是晶莹的,Guest
    OS访问内存时和在物理机运行时是均等的。那种方法又称之为内存援救虚拟化。

故此内存支持虚拟化就是一贯用硬件来促成虚拟机的大体地址到宿主机的大体地址的一步到位映射。VMM不用再保留一份
SPT (Shadow Page
Table),通过EPT技术,不再须要一块七个页表,虚拟机内部的切换也不要求qemu进度切换,所须求的是只是五回页表查找,而且是经过硬件来形成的,品质损耗低。

流程如下:

  • VM中的应用发现页没有分片,MMU发起中断,从虚拟机的大体地址(QEMU的逻辑地址)中分配一页,然后更新页表。
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  • 那时虚拟机页的物理地址还没对应物理内存的地点,所以触发了qemu进程在宿主机的page
    fault。宿主机内核分配内存页,并革新页表。
    ca88官方会员登录 36
  • 下次作客就可以借助EPT来进展,只必要查一遍表即可。

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总结:
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2.3.2 通过INTEL EPT技术来促成

KVM 中,虚机的物理内存即为 qemu-kvm 进度所占据的内存空间。KVM 使用
CPU 协理的内存虚拟化格局。在 英特尔 和 英特尔平台,其内存虚拟化的落实形式分别为:

  • 英特尔 平台上的 NPT (Nested Page Tables) 技术
  • 英特尔 平台上的 EPT (Extended Page Tables)技术
    EPT 和 NPT选择类似的原理,都是当做 CPU
    中新的一层,通过硬件用来将客户机的大体地址翻译为主机的大体地址。相当于说Guest
    OS达成虚拟机虚拟地址–>虚拟机物理地址第一层转化,硬件同时做到虚拟机物理地址到物理机物理地址这第二层转化。第二层转换对Guest
    OS来说是透明的,Guest
    OS访问内存时和在物理机运行时是如出一辙的。那种情势又称之为内存协理虚拟化。

之所以内存协理虚拟化就是直接用硬件来促成虚拟机的物理地址到宿主机的大体地址的一步到位映射。VMM不用再保留一份
SPT (Shadow Page
Table),通过EPT技术,不再要求一块八个页表,虚拟机内部的切换也不必要qemu进度切换,所急需的是只是五遍页表查找,而且是透过硬件来形成的,品质损耗低。

流程如下:

  • VM中的应用发现页没有分片,MMU发起中断,从虚拟机的情理地址(QEMU的逻辑地址)中分红一页,然后更新页表。
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  • 那时候虚拟机页的大体地址还没对应物理内存的地点,所以触发了qemu进程在宿主机的page
    fault。宿主机内核分配内存页,并更新页表。
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  • 下次拜会就足以借助EPT来开展,只要求查三遍表即可。

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总结:
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2.4 KVM其他内存管理技术

2.4 KVM其余内存管理技术

2.4.1 KSM (Kernel SamePage Merging 或者 Kernel Shared Memory)

KSM 是基础中的守护进度(称为
ksmd),它会定期进行页面扫描,将副本页面举行统一,然后释放多余的页面。KVM使用KSM来压缩三个一般的虚拟机的内存占用,进步内存的行使频率,在虚拟机使用同一镜像和操作系统时,效果更为强烈。不过会增多基础开发,所以为了提高功效,可以将此性格关闭。

2.4.1 KSM (Kernel SamePage Merging 或者 Kernel Shared Memory)

KSM 是基本中的守护进度(称为
ksmd),它会定期开展页面扫描,将副本页面举行统一,然后释放多余的页面。KVM使用KSM来压缩多少个一般的虚拟机的内存占用,进步内存的施用频率,在虚拟机使用同样镜像和操作系统时,效果尤其强烈。然则会追加基础开发,所以为了升高功能,能够将此特性关闭。

2.4.2 KVM Huge Page Backed Memory (巨页内存技术)

英特尔 的 x86 CPU 经常选择4Kb内存页,当是经过安插,也可以选择巨页(huge
page): (4MB on x86_32, 2MB on x86_64 and x86_32
PAE)使用巨页,KVM的虚拟机的页表将运用更少的内存,并且将加强CPU的频率。最高情形下,可以升高20%的效用!

2.4.2 KVM Huge Page Backed Memory (巨页内存技术)

速龙 的 x86 CPU 日常选取4Kb内存页,当是经过安排,也可以选用巨页(huge
page): (4MB on x86_32, 2MB on x86_64 and x86_32
PAE)使用巨页,KVM的虚拟机的页表将利用更少的内存,并且将增加CPU的频率。最高景况下,可以增强20%的功能!

2.5 IO虚拟化

  • 仿照(完全虚拟):使用 QEMU 纯软件的方法来模拟 I/O
    设备。使用一个Service VM来模拟真实硬件,性能很差。
    客户机的设施驱动程序发起 I/O
    请求操作请求,KVM会捕获此IO请求,然后放到IO共享页,同时用户空间的QEMU进度,QEMU模拟出这一次IO操作,同样置于共享页中并还要KVM举办结果的取回。

在意:当客户机通过DMA (Direct Memory Access)访问大块I/O时,QEMU
模拟程序将不会把结果放进共享页中,而是通过内存映射的主意将结果从来写到客户机的内存中,然后公告KVM模块告诉客户机DMA操作已经成功。

ca88官方会员登录 43

  • 半虚拟化: KVM/QEMU就利用那种情势,它在 Guest OS 内核中安装前端驱动
    (Front-end driver)和在 QEMU
    中贯彻后端驱动(Back-end)的主意。前后端驱动通过 vring
    (完成虚拟队列的环形缓冲区)直接通信,那就绕过了经过 KVM
    内核模块的经过,进步了IO品质,相对于完全虚拟的格局,
    省去了纯模仿格局下的相当捕获环节,Guest OS 能够和 QEMU 的 I/O
    模块直接通讯。

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  • IO-through:直接把机物理设备分配给虚拟机,但是需求硬件具备IO透传技术;,英特尔定义的 I/O 虚拟化技术变为 VT-d,AMD 的名叫 英特尔-V。
    KVM 帮忙客户机以垄断格局访问那么些宿主机的 PCI/PCI-E
    设备。通过硬件支撑的 VT-d
    技术将设备分给客户机后,在客户机看来,设备是物理上接连在PCI或然PCI-E总线上的
    差一些所有的 PCI 和 PCI-E
    设备都帮衬直接分配,除了显卡以外(显卡的特殊性在那边)。PCI
    Pass-through 要求硬件平台 英特尔 VT-d 可能 速龙 IOMMU
    的援助。这么些特色必须在 BIOS 中被启用
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    • 好处:收缩了 VM-Exit 陷入到 Hypervisor
      的经过,极大地提升了品质,可以高达大致和原生系统一样的品质。而且VT-d
      打败了 virtio 包容性不佳和 CPU 使用频率较高的标题。
    • 相差:独占设备的话,不能够落实设备的共享,花费增进。
    • 相差的搞定方案:(1)在一台物理宿主机上,仅少数 I/O
      如互联网品质须求较高的客户机使用
      VT-d直接分配设备,其他的行使纯模仿大概 virtio
      已达标多个客户机共享同一个装备的目的(2)对于互联网I/O的化解办法,能够选用 SLacrosse-IOV
      是一个网卡发生三个独立的杜撰网卡,将各样虚拟网卡分配个一个客户机使用。

总结
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2.5 IO虚拟化

  • 仿照(完全虚拟):使用 QEMU 纯软件的措施来模拟 I/O
    设备。使用一个Service VM来模拟真实硬件,品质很差。
    客户机的装备驱动程序发起 I/O
    请求操作请求,KVM会捕获此IO请求,然后嵌入IO共享页,同时用户空间的QEMU进度,QEMU模拟出本次IO操作,同样置于共享页中并还要KVM举行结果的取回。

专注:当客户机通过DMA (Direct Memory Access)访问大块I/O时,QEMU
模拟程序将不会把结果放进共享页中,而是通过内存映射的法子将结果一向写到客户机的内存中,然后通告KVM模块告诉客户机DMA操作已经到位。

ca88官方会员登录 47

  • 半虚拟化: KVM/QEMU就拔取那种方式,它在 Guest OS 内核中装置前端驱动
    (Front-end driver)和在 QEMU
    中落到实处后端驱动(Back-end)的法子。前后端驱动通过 vring
    (落成虚拟队列的环形缓冲区)直接通信,那就绕过了通过 KVM
    内核模块的经过,进步了IO质量,相对于完全虚拟的格局,
    省去了纯模仿格局下的格外捕获环节,Guest OS 可以和 QEMU 的 I/O
    模块直接通讯。

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  • IO-through:直接把机物理设备分配给虚拟机,不过需求硬件具备IO透传技术;,速龙定义的 I/O 虚拟化技术变成 VT-d,英特尔 的名为 英特尔-V。
    KVM 匡助客户机以垄断方式访问这一个宿主机的 PCI/PCI-E
    设备。通过硬件支撑的 VT-d
    技术将配备分给客户机后,在客户机看来,设备是大体上连接在PCI只怕PCI-E总线上的
    差点所有的 PCI 和 PCI-E
    设备都支持直接分配,除了显卡以外(显卡的特殊性在此地)。PCI
    Pass-through 须要硬件平台 英特尔 VT-d 大概 英特尔 IOMMU
    的扶助。这几个特点必须在 BIOS 中被启用
    ca88官方会员登录 49

    • 好处:收缩了 VM-Exit 陷入到 Hypervisor
      的长河,极大地升高了品质,可以达到大约和原生系统一样的习性。而且VT-d
      克制了 virtio 包容性不好和 CPU 使用功用较高的标题。
    • 不足:独占设备的话,无法落到实处设备的共享,费用增进。
    • 不足的消除方案:(1)在一台物理宿主机上,仅少数 I/O
      如互连网品质须要较高的客户机使用
      VT-d直接分配设备,其他的运用纯模仿只怕 virtio
      已达到五个客户机共享同一个装置的目的(2)对于互联网I/O的化解办法,可以采用 SCRUISER-IOV
      是一个网卡发生多个单身的杜撰网卡,将每一种虚拟网卡分配个一个客户机使用。

总结
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2.6 网卡虚拟化

VM发出的流量一般有三种

  • 到物理机外部的设备,
  • 到地方物理服务器上的虚拟机。

所以大家须要确保分化虚拟机流量的互相隔离,同时又要考虑情理设备内虚拟机的互联互通。

不留余地办法:
对此对物理机外部的流量,给各个VM分配一个专用通道,共享物理网卡资源。
要害有如下三种格局:

  • Bridge桥接情势:把物理主机上的网卡当交换机,然后虚拟出一个Bridge来接收发往物理机的包。
    ca88官方会员登录 51
  • isolation mode:仅guest OS之间通讯;不与外表互连网和宿主机通讯。
    ca88官方会员登录 52
  • routed mode:与外表主机通讯,通过静态路由使得各Guest OS
    的流量需通过物理网卡
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  • nat:地址转换;在虚拟网卡和大体网卡之间建立一个nat转发服务器;对数码包举办源地址转换。
    ca88官方会员登录 54

对中间流量:

  • 在hypervisor上建立virtual
    switch,可是会用度CPU资源,而且存在较大安全隐患。(intel的VT-c用VMDq技术使网卡芯片处理部分vswitch的行事,同时用vFW来有限支撑平安)
  • 可以先让流量出服务器通过安全设备区域拓展多少清洗今后再重返。主流形式使用硬件S逍客-IOV对VM流量举行甄别和处理

总结

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2.6 网卡虚拟化

VM发出的流量一般有二种

  • 到物理机外部的装置,
  • 到地方物理服务器上的虚拟机。

据此大家要求保证差距虚拟机流量的互动隔离,同时又要考虑情理设备内虚拟机的互联互通。

缓解方法:
对于对物理机外部的流量,给各类VM分配一个专用通道,共享物理网卡资源。
重中之重有如下两种情势:

  • Bridge桥接形式:把物理主机上的网卡当沟通机,然后虚拟出一个Bridge来接收发往物理机的包。
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  • isolation mode:仅guest OS之间通信;不与外表网络和宿主机通讯。
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  • routed mode:与表面主机通讯,通过静态路由使得各Guest OS
    的流量需通过物理网卡
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  • nat:地址转换;在虚拟网卡和物理网卡之间确立一个nat转载服务器;对数码包举行源地址转换。
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对里面流量:

  • 在hypervisor上成立virtual
    switch,但是会损耗CPU资源,而且存在较大安全隐患。(intel的VT-c用VMDq技术使网卡芯片处理部分vswitch的劳作,同时用vFW来保险平安)
  • 可以先让流量出服务器通过安全设备区域开展数量清洗未来再回来。主流方式选取硬件SENCORE-IOV对VM流量进行鉴别和处理

总结

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2.7 Hypervisor层的虚拟化达成

操作系统是用户和物理机的接口,也是行使和物理硬件的接口。宗旨效用在于职责调度和硬件抽象。

不等操作系统的最大差别在于内核。

单内核、混合内核、微内核、外内核的分别
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  • 单内核:内核所有的职能代码全体都运作在同一个基本空间内,优点是性质品质很高,缺点是安插复杂,稳定性不够好;
  • 微内核:类似C/S服务情势,唯有最基础的代码会运作于内核空间,其余的都运行于用户空间,优点是政通人和高,缺点质量较低;
  • 错落内核:质量与安定的低头产物,完全由设计者举办用户自定义;
  • 外内核:比微内核越发极端,连硬件抽象工作都交给用户空间,内核只须要保险应用程序访问硬件资源时,硬件是悠闲的

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2.7 Hypervisor层的虚拟化达成

操作系统是用户和物理机的接口,也是利用和大体硬件的接口。大旨功用在于职责调度和硬件抽象。

今非昔比操作系统的最大不相同在于内核。

单内核、混合内核、微内核、外内核的分化
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  • 单内核:内核所有的职能代码全体都运作在同一个基石空间内,优点是性质性能很高,缺点是统筹复杂,稳定性不够好;
  • 微内核:类似C/S服务情势,唯有最基础的代码会运作于内核空间,其余的都运作于用户空间,优点是祥和高,缺点品质较低;
  • 混合内核:质量与平稳的让步产物,完全由设计者举行用户自定义;
  • 外内核:比微内核特别极端,连硬件抽象工作都提交用户空间,内核只要求保险应用程序访问硬件资源时,硬件是悠闲的

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2.7.1 主流的Hypervisor总结

Hypervisor的类别

KVM

Xen

Hyper-v

ESX/ESXi

内核类型

Linux

Linux(修改)&Nemesis

Windows&Hyper-V

Linux&VMernel

内核

单核

外内核

外内核

混合内核

I/O虚拟化方式

类Service VM Model

Service VM Model

Service VM Model

Monolithic Model

特点

集成在Linux内核中

有被KVM取代之势,性能低于KVM

捆绑Windows Server

技术积累深厚,Vmkernel是核心竞争力

2.7.1 主流的Hypervisor总结

Hypervisor的类别

KVM

Xen

Hyper-v

ESX/ESXi

内核类型

Linux

Linux(修改)&Nemesis

Windows&Hyper-V

Linux&VMernel

内核

单核

外内核

外内核

混合内核

I/O虚拟化方式

类Service VM Model

Service VM Model

Service VM Model

Monolithic Model

特点

集成在Linux内核中

有被KVM取代之势,性能低于KVM

捆绑Windows Server

技术积累深厚,Vmkernel是核心竞争力

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