Virtualization-Cpu/Memory/IO虚拟化详解
2016-03-03 17:20
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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
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EC/wKioL1N_J5TR_vMDAACDYwE0MrQ142.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/DB/wKiom1N--0ijluewAAEXHEtbiKI317.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/EC/wKiom1N_J07iWHAwAADvRaoKB_k779.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/EC/wKiom1N_KKrjTaCSAAD_2hk9qbc060.jpg)
4、OS级别的虚拟化:硬件-->OS kernel-->多个用户空间
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/EC/wKioL1N_KI_AHoWGAAC9M2bvM64680.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EC/wKiom1N_KNjyDJAkAADRN569B0s251.jpg)
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:
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EF/wKioL1N_K3TCmGevAAG_7ES5ySI305.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/F0/wKiom1N_LSzCDWemAACuqbbH7aA345.jpg)
isolation mode:仅guest之间通信;不与外部网络和宿主机通信。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/F0/wKioL1N_LRrC1KNHAACza0CcBBQ242.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/F0/wKiom1N_LYOTSt9bAADynOCm8dM545.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/F0/wKioL1N_LZ7x6XYKAADRs68eZZQ940.jpg)
到此基本虚拟化基础以详解完成。
转自: Virtualization-Cpu/Memory/IO虚拟化详解
| 旺旺知识库 http://www.toxingwang.com/cloud/2885.html#rd?sukey=16298ae1a3e3363161d847f64828f1c99f8aa403e7d096217b28d1e224a7367991aaaa417b8a35259e73b4cfd57f9e90
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
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EC/wKioL1N_J5TR_vMDAACDYwE0MrQ142.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/DB/wKiom1N--0ijluewAAEXHEtbiKI317.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/EC/wKiom1N_J07iWHAwAADvRaoKB_k779.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/EC/wKiom1N_KKrjTaCSAAD_2hk9qbc060.jpg)
4、OS级别的虚拟化:硬件-->OS kernel-->多个用户空间
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/EC/wKioL1N_KI_AHoWGAAC9M2bvM64680.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EC/wKiom1N_KNjyDJAkAADRN569B0s251.jpg)
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:
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M00/29/EF/wKioL1N_K3TCmGevAAG_7ES5ySI305.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/F0/wKiom1N_LSzCDWemAACuqbbH7aA345.jpg)
isolation mode:仅guest之间通信;不与外部网络和宿主机通信。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/F0/wKioL1N_LRrC1KNHAACza0CcBBQ242.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M02/29/F0/wKiom1N_LYOTSt9bAADynOCm8dM545.jpg)
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。
![](http://s3.51cto.com/wyfs02/M01/29/F0/wKioL1N_LZ7x6XYKAADRs68eZZQ940.jpg)
到此基本虚拟化基础以详解完成。
转自: Virtualization-Cpu/Memory/IO虚拟化详解
| 旺旺知识库 http://www.toxingwang.com/cloud/2885.html#rd?sukey=16298ae1a3e3363161d847f64828f1c99f8aa403e7d096217b28d1e224a7367991aaaa417b8a35259e73b4cfd57f9e90
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