阿里雲大學-虛擬化技術入門-聽課筆記
課時2 虛擬化技術概述
對資源的抽象：
- 程序級虛擬化——應用層面抽象（如JVM）
- 系統虛擬化——平臺層面抽象（虛擬機器）
注意：本文討論的是系統虛擬化，而不是程序級虛擬化。
虛擬化技術分類：
全虛擬化
硬體輔助虛擬化
基於二進位制翻譯等
半虛擬化（需要Guest OS的支援）
Hypervisor (VMM)
- Type 1：硬體之上直接執行Hypervisor
- Type 2：硬體之上執行Host OS並在核心中包含Hypervisor的功能
設計標準
Hypervisor：
必須能夠控制硬體資源（CPU、記憶體、IO等）
必須有效隔離客戶機（免受客戶機的威脅）
多客戶機之間強隔離
虛擬機器：
等價性（硬體資源的等價性）
高效性（emulator不夠高效，不被稱為虛擬機器）
常見的Hypervisor
- Xen - 劍橋大學 2002
亞馬遜、rackspace、阿里雲
- KVM - 以色列 2007
基於Linux核心
Hyper-v - 微軟 2006
VMware ESX Server（高階伺服器）
VMware workspace (工作站）
VirtualBox（PC上常用的虛擬化技術）
課時3 CPU虛擬化技術
CPU虛擬化：
- 二進位制翻譯（早期x86技術不支援虛擬化）
掃描Guest OS指令，對敏感指令進行替換；實現複雜，效率低。
- 半虛擬化（修改Guest OS中的敏感指令）
不需要掃描Guest OS指令，效率很高。
- 硬體輔助虛擬化
CPU廠商從硬體上支援虛擬化指令。
課時4 記憶體虛擬化技術
記憶體虛擬化挑戰：
作業系統要求記憶體從0開始
作業系統要求記憶體地址連續
它的好處在於：低段記憶體連續、管理更高效、使用superTLBS加速訪問效率
記憶體重對映技術
MMU（記憶體管理單元）虛擬化技術：
Direct page table 直接頁表
Virtual TLB 虛擬TLB
Shadow page table 影子頁表
Extended page table 硬體擴充套件頁表
Direct page table
通過修改核心使Guest和Hypervisor共享同一張頁表，使用段保護的方式對地址空間分段，讓Guest無法訪問Hypervisor的空間。這種技術廣泛應用於XenLinux32，因為無需切換頁表而相當高效，但安全性必須通過審計保證，且不支援Windows。
Virtual TLB
當Guest訪問虛擬地址時觸發page fault，Hypervisor通過分析得知是Guest的正常請求，於是將其翻譯為Hypervisor的記憶體地址。該實現方案簡單，但因為它只能快取訪問過的虛擬地址，因此效率非常低。
Shadow page table
在Guest內部有一張頁表的同時，在Hypervisor中為其建立一張對應的轉換表，即影子頁表。影子頁表的建立過程相對複雜（Guest訪問虛擬記憶體，引發缺頁異常，Hypervisor捕獲並查詢Guest中的頁表，最終將Guest到Hypervisor的地址轉換關係放入影子頁表中）。該實現方案無需修改核心，但效率較低（相對物理機而言，XenLinux32的轉換效率為84%左右，而XenLinux64僅為65%左右）。
Extend page table
CPU廠商引入硬體支援，完成虛擬機器記憶體到物理機記憶體的轉換，整個過程無需Hypervisor介入。而Hypervisor唯一需要做的就是在建立虛擬機器時，將地址的對映關係放入CPU的某個暫存器當中。該實現方案的效率極高（相對物理機而言，使用4K頁的轉換效率可達95%以上，而使用2M頁可達98%以上）。
課時5 IO虛擬化技術
I/O裝置的工作原理：
- 硬體裝置的中斷請求
- CPU與記憶體的暫存器訪問
- 裝置與記憶體的DMA
I/O虛擬化的實現方式
軟體模擬
Hypervisor通過捕獲訪問，然後解碼並進行模擬。這種方式的效率很低，並且僅出現在早期的虛擬化中。
半虛擬化（PV）
重新定義I/O架構，例如Xen引入split diver，通過共享記憶體交換資料，摒棄了暫存器和DMA的操作方式，因此效率很高，唯一的不足是軟體複雜度較高。採用PV虛擬化的I/O解決方案大量出現於商業級虛擬化軟體中，例如Xen和KVM。
裝置直通（VT-d + SRIOV）
CPU廠商通過在北橋晶片中加入VT-d技術，解決中斷及DMA的remapping（重對映）問題，聯合I/O裝置對SRIOV技術的支援，解決物理裝置獨佔訪問的問題，最終使得I/O虛擬化的大部分工作由硬體完成，提高了效率並且降低了軟體複雜度。
課時6 開源虛擬化專案
Xen
Xen起源於2002年劍橋大學的開源專案，2003年釋出Xen2.0支援PV，2006年釋出Xen3.0支援PVHVM，後來被Citrix以5億美元收購，目前Xen仍處於研發狀態，最新的Xen 4.6支援PVH。
Xen的PV模式，需要修改Guest OS核心，將所有的I/O，中斷等重新定義，形成與x86完全不同的架構。而Xen的HVM模式，藉助CPU的硬體輔助（VT-x），將Hypervisor執行在Ring0，Guest Kernel執行在Ring1上。HVM無需修改Guest OS核心。
Xen還提供了另外一些技術：用於掛載PV驅動的Xen Bus，還有用於資訊儲存和交換的Xen Store。
Xen對於I/O裝置的支援包括軟體模擬、半虛擬化（PV）和裝置直通。
Xen的商業化雲平臺包括：亞馬遜AWS、阿里雲等。
KVM
KVM通過在Linux核心中加入一個模組，把Linux核心擴充套件成為Hypervisor。KVM最早由以色列的一家公司於2007年建立並引入Linux核心。它依賴於VT技術，最初僅支援x86架構，後來被RedHat以1億美元收購。
KVM基於Linux核心開發而來，依賴Intel VMX或AMD SVM技術，完成CPU和記憶體的虛擬化，藉助what I/O架構實現I/O虛擬化。此外，KVM還通過Para-virtualized spinlocks解決自旋鎖的效能損失問題，通過Para-virtualized Timing解決時間虛擬化的問題，通過Para-virtualized Huge page降低記憶體虛擬化開銷。
KVM的商業化雲平臺包括：Google GCE、阿里雲ECS 2.0。
比較
Xen和KVM的共同點：藉助硬體技術模擬CPU和記憶體，使用Qemu模擬非關鍵裝置，通過PV增強虛擬化I/O的效能。
Xen和KVM的不同點：Xen是Type-1 Hypervisor而KVM是Type-2；Xen的軟體複雜度（程式碼量）遠大於KVM。