网络：Xen理解

Posted 2020-11-08 主題遠志

　　Xen是由剑桥大学计算机实验室开发的一个开源项目。是一个直接运行在计算机硬件之上的用以替代操作系统的软件层，它能够在计算机硬件上并发的运行多个客户操作系统（Guest OS）。

一.Xen虚拟化类型

　　Xen对虚拟机的虚拟化分为两大类，半虚拟化（Paravirtualization）和完全虚拟化（Hardware VirtualMachine）。

　　1.半虚拟化:

　　　　半虚拟化（Paravirtualization）有些资料称为“超虚拟化”，简称为PV，是Xen主导的虚拟化技术。这种技术允许虚拟机操作系统感知到自己运行在Xen Hypervisor上而不是直接运行在硬件上，同时也可以识别出其他运行在相同环境中的客户虚拟机。

       　　在Xen Hypervisor上运行的半虚拟化的操作系统，为了调用系统管理程序（Xen Hypervisor），要有选择地修改操作系统，当前系统必须已经移植到 Xen 架构的Linux 内核。

　　2.完全虚拟化:

　　　　完全虚拟化（Hardware Virtual Machine）又称“硬件虚拟化”，简称HVM，是指运行在虚拟环境上的虚拟机在运行过程中始终感觉自己是直接运行在硬件之上的，并且感知不到在相同硬件环境下运行着其他虚拟机的虚拟技术。

　　　　在Xen Hypervisor运行的完全虚拟化虚拟机，所运行的操作系统都是标准的操作系统，即：无需任何修改的操作系统版本，在Xen上虚拟的Windows虚拟机必须采用完全虚拟化技术。

二.Xen基本组件

　　1.Xen Hypervisor:

　　　　直接运行于硬件之上，是Xen客户操作系统与硬件资源之间的访问接口。通过将客户操作系统与硬件进行分类，Xen管理系统可以允许客户操作系统安全，独立的运行在相同硬件环境之上。Xen Hypervisor是直接运行在硬件与所有操作系统之间的基本软件层。它负责为运行在硬件设备上的不同种类的虚拟机（不同操作系统）进行CPU调度和内存分配。Xen Hypervisor对虚拟机来说不单单是硬件的抽象接口，同时也控制虚拟机的执行，让他们之间共享通用的处理环境。

　　　　注：Xen Hypervisor不负责处理诸如网络、外部存储设备、视频或其他通用的I/O处理。

　　2.Domain 0:

　　　　运行在Xen管理程序之上，具有直接访问硬件和管理其他客户操作系统的特权的客户操作系统。

　　　　Domain 0 是经过修改的Linux内核，是运行在Xen Hypervisor之上独一无二的虚拟机，拥有访问物理I/O资源的特权，并且可以与其他运行在Xen Hypervisor之上的其他虚拟机进行交互。所有的Xen虚拟环境都需要先运行Domain 0，然后才能运行其他的虚拟客户机。Domain 0 在Xen中担任管理员的角色，它负责管理其他虚拟客户机。

　　　　在Domain 0中包含两个驱动程序，用于支持其他客户虚拟机对于网络和硬盘的访问请求。这两个驱动分别是Network Backend Driver和Block Backend Driver。Network Backend Driver直接与本地的网络硬件进行通信，用于处理来自Domain U客户机的所有关于网络的虚拟机请求。根据Domain U发出的请求Block Backend Driver直接与本地的存储设备进行通信然后，将数据读写到存储设备上。

 

　　3.Domain U:

　　　　运行在Xen管理程序之上的普通客户操作系统或业务操作系统，不能直接访问硬件资源（如：内存，硬盘等），但可以同时存在多个。

　　　　作为客户虚拟机系统，Domain U在Xen Hypervisor上运行并行的存在多个，他们之间相互独立，每个Domain U都拥有自己所能操作的虚拟资源（如：内存，磁盘等）。Xen允许单独一个Domain U进行重启和关机操作而不影响其他Domain U。

 

 

三.Xen体系架构

　　　　Xen 的 VMM ( Xen Hypervisor ) 位于操作系统和硬件之间，负责为上层运行的操作系统内核提供虚拟化的硬件资源，负责管理和分配这些资源，并确保上层虚拟机（称为域 Domain）之间的相互隔离。Xen采用混合模式，因而设定了一个特权域用以辅助Xen管理其他的域，并提供虚拟的资源服务，该特权域称为Domain 0，而其余的域则称为Domain U。

　　　　Xen向Domain提供了一个抽象层，其中包含了管理和虚拟硬件的API。Domain 0内部包含了真实的设备驱动（原生设备驱动），可直接访问物理硬件，负责与 Xen 提供的管理 API 交互，并通过用户模式下的管理工具来管理 Xen 的虚拟机环境。

　　　　Xen2.0之后，引入了分离设备驱动模式。该模式在每个用户域（Domain U）中建立前端（frontend）设备，在特权域（Domain 0）中建立后端（backend）设备。所有的用户域操作系统像使用普通设备一样向前端设备发送请求，而前端设备通过IO请求描述符(IO descripror ring)和设备通道（device channel）将这些请求以及用户域的身份信息发送到处于特权域中的后端设备。这种体系将控制信息传递和数据传递分开处理。

　　　　在Xen体系结构设计中，后端设别运行的特权域被赋予一个特有的名字——隔离设备域（Isolation Device Domain, IDD），而在实际设计中，IDD 就处在Domain 0中。所有的真实硬件访问都由特权域的后端设备调用本地设备驱动（native device drive）发起。前端设备的设计十分简单，只需要完成数据的转发操作，由于它们不是真实的设备驱动程序，所以也不用进行请求调度操作。而运行在IDD中的后端设备，可以利用Linux的现有设备驱动来完成硬件访问，需要增加的只是IO请求的桥接功能——能完成任务的分发和回送。