Linux Virtualiztion—概述

Posted 2021-01-12

Linux Virtualiztion

首先计算机虚拟化技术是多种技术的综合实现，它包括硬件平台、操作系统、存储及网络等。
简单来说，虚拟化技术就是在单台主机上虚拟多个虚假主机，并可以在这些虚拟机上运行不同的操作系统平台。虚拟化技术的出现可以节约大量的硬件资源与能源资源消耗，降低资金成本，虚拟化现在已经是每个企业必有的项目。目前所提供的比较成熟的虚拟化解决方案主要有VMware、Xen、KVM和Kyper-V等。虚拟化技术是通过Hypervsion动态模拟于分配计算机硬件资源给虚拟机操作系统Guest OS，由于Hypervsion可以模拟多个硬件资源给多个Guest OS，所以对于Guest OS来说，它们就像是运行在独立、真实的硬件资源上一样。

虚拟化技术的类型有主机虚拟化，容器虚拟化，系统库虚拟化和应用程序级虚拟化；

主机虚拟化类型分为Type-I和Type-II两种，Type-I物理硬件上直接运行的不是操作系统而是一个专门的虚拟化管理器（VMM,Hypervisor），在此基础上所有操作系统都是运行于虚拟机实例之中；Type-II是于硬件级别上运行一个OS，通常称为“HOST OS”，就是宿主机的操作系统；而后在这个宿主机操作系统上安装并运行一个虚拟化管理器（VMM,Hypervisor），在VMM上再创建并安装虚拟机和对应的OS，通常称为“Guest OS”，即虚拟机操作系统； 主机虚拟化所用到的主要技术有CPU虚拟化、内存虚拟化、和IO虚拟化。

按照虚拟化程度可分为全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化。

CPU全虚拟化技术主要采用优先级压缩技术（Ring Compression）和 二进制代码翻译技术（Binary Translation）。优先级压缩技术让VMM和Guest 运行在不同的特权级下
CPU半虚拟化技术主要采用Hypercall 技术。Guest OS 的部分代码被改变，从而使Guest OS会将和特权指令相关的操作都转换为发给VMM的Hypercall（超级调用），由VMM继续进行处理。而Hypercall支持的批处理和异步这两种优化方式，使得通过Hypercall 能得到近似于物理机的速度
CPU硬件辅助虚拟化技术
目前主要有Intel 的VT-x和AMD的AMD-V这两种技术。其核心思想都是通过引入新的指令和运行模式，使VMM和Guest OS分别运行在不同模式（ROOT 模式和非ROOT模式）下，且Guest OS 运行在Ring 0 下。通常情况下，Guest OS 的核心指令可以直接下达到计算机系统硬件执行，而不需要经过VMM。当Guest OS执行到特殊指令的时候，系统会切换到VMM，让VMM来处理特殊指令。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。

内存虚拟化，KVM 通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机，为了在一台机器上运行多个虚拟机，KVM 需要实现 VA（虚拟内存） -> PA（物理内存） -> MA（机器内存）直接的地址转换。虚机 OS 控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射 （VA -> PA），但是虚机 OS 不能直接访问实际机器内存，因此 KVM 需要负责映射客户物理内存到实际机器内存 （PA -> MA）。

内存全虚拟化技术通过使用影子页表（Shadow Page Table）实现虚拟化。VMM 为每个Guest 都维护一个影子页表，影子页表维护虚拟地址（VA）到机器地址（MA）的映射关系。而Guest页表维护VA到客户机物理地址（GPA）的映射关系。当VMM捕获到Guest 页表的修改后，VMM 会查找负责GPA 到MA 映射的P2M 页表或者哈希函数，找到与该GPA对应的MA，再将MA填充到真正在硬件上起作用的影子页表，从而形成 VA 到 MA 的映射关系。而 Guest 的页表则无需变动。
内存半虚拟化技术通过使用页表写入法实现虚拟化。Guest OS 在创建一个新的页表时，会向VMM注册该页表。之后在 Guest 运行的时候，VMM 将不断的管理和维护这个表，使Guest 上面的程序能直接访问到合适的地址。
　内存硬件辅助虚拟化技术通过扩展页表EPT（extended page table）实现虚拟化。
　EPT通过使用硬件虚拟化技术，使其能在原有的页表的基础上，增加一个EPT页表，用于记录GPA到MA的映射关系。VMM预先把EPT页表设置到CPU中。Guest 修改Guest 页表，无需VMM干预。地址转换时，CPU 自动查找两张页表完成 Guest 虚拟地址到机器地址的转换，从而降低整个内存虚拟化所需的开销。

IO虚拟化：服务器单个千兆以太网端口肯定能够支持单个应用，但是当被分割为10个、15个或者更多的服务器负载时（这其中包括网络、存储以及服务器之间的流量）可能就不够用了。当遇到I/O瓶颈时，CPU会空闲下来等待数据，计算效率会大大降低--I/O瓶颈最终会打败虚拟化所带来的资源使用效率的提升。故虚拟化也必须扩展至I/O系统，在工作负载、存储以及服务器之间动态共享带宽，能够最大化地利用网络接口。通过缓解服务器I/O潜在的性能瓶颈，服务器能够承载更多的工作负载并提升其性能。

常见的IO虚拟化主要有三种方案：基于软件模拟的方案，这种方案里, 中断、DMA的访问都是通过软件实现的，优点是可以模拟任何硬件的模型，缺点是性能不会太好；半虚拟化技术，主要是为了解决软件模拟性能问题，比如串口对性能要求不高可以采用软件模拟，但是磁盘设备、网卡设备对性能要求高，主流方案是采用半虚拟化技术，前后端相互感知，通过Shared Memory控制请求的传输，两个设备之间的通知也是基于快速消息传递，性能很高；设备直通模式，比如PCIE的直通、网卡SROV直通，对性能更高的可以采用此模式，可以达到和物理机上直接使用接近的性能，但是设备和虚拟机的耦合会对管理造成影响

Linux目前流行的开源虚拟化技术解决方案：主机虚拟化：Type-I：Xen；Type-II：kvm，virtualbox。容器级虚拟化：lxc(Linux Container)，docker，libcontainer，openvz(VMS)等等

Xen(半虚拟化)

Xen由XenSource开发, 一个开源免费的操作系统级准虚拟技术. 回顾一下半虚拟技术, Hypervisor和操作系统共同协作, 虽然操作系统需要做一些修改, 但是性能上比较接近于原始性能.
Xen需要与系统共同协作(客户操作系统需要修改), 只有打过补丁的系统才能使用Xen. 从Linux角度来看, Linux本身是开源的, 结果是Xen的性能要好于全虚拟化技术. 但是从系统支持(比如支持其它非开源的操作系统)的角度来看, 这显然是一个不足之处.
在Xen上可以运行Windows客户机, 但需要Intel Vanderpool或AMD Pacifica处理器的支持. 其它支持的操作系统包括Minix, Plan 9, NetBSD, FreeBSD, 和OpenSolaris.

KVM虚拟化技术

KVM是基于x86架构上Linux操作系统的全虚拟化解决方案，kvm就工作在内核环境之中，所以它的执行效率很高，它需要Intel VT-x和AMD AMD-v的技术支持。
KVM的组件：
两类组件：
/dev/kvm：工作为Hypervisor，在用户空间中可以通过ioctl()系统调用与内核中的kvm模块进行交互，从而完成虚拟机的创建、删除、启动、停止等各种管理功能；
qemu-kvm进程：工作于用户空间，用于实现IO设备的模拟，也是kvm进行各种IO访问的加速器；
kvm模块被装载至内核，系统的运行模式：
Hypervisor模式：装载了kvm模块的原操作系统内核，将运行为Hypervisor模式；
用户模式：Host OS的原用户模式，用于代Guest OS发送IO请求；
内核模式：Guest OS执行IO类的操作或其他特殊指令操作时的工作模式；也被称为"Guest-Kernel"模式；
来宾模式：Guest OS的用户模式，用于所有的非IO类请求；