[KVM]云计算概述 - 虚拟化

Posted 2020-11-10

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[KVM]云计算概述 - 虚拟化相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

云计算概述 -- 虚拟化技术

什么是虚拟化

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。

虚拟化使用软件的方法重新定义划分IT资源，可以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享，提高IT资源利用率，使IT资源能够真正成为社会基础设施，服务于各行各业中灵活多变的应用需求。

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以上内容来自360百科。

虚拟化分类

1 基于VM对资源访问的模式进行分类

1.1 CPU运行级别

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CPU一共有4个运行级别，但是一般来说只是涉及到两个级别，分别是Ring0和Ring3
Ring 0：权限最高，内核运行在Ring0，VMM或者hypervisor
Ring 3：权限最低，用户级别，没有权限操作硬件，如果需要调用硬件资源，那么需要切换到Ring0，这就叫上下文切换，可通过vmstat 查看cs列

[[email protected] ~]# vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0    260 528572      0 2440100    0    0    94    69  226  128 11  4 85  0  0
[[email protected] ~]#

Ring 0是最高指令级别，也称为核心态，如果操作系统需要直接访问硬件和内存的时候，就需要使用特权指令去控制中断、修改页表、访问设备，因此特权指令需要运行在最高运行级别Ring 0 。Ring 3也称为用户态，不能直接执行特权指令，如果需要访问磁盘、写文件时，需要调用系统函数，这样的操作称为用户态到核心态。
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我们的电脑操作系统运行的级别是Ring 0，虚拟机软件，比如VMware Workstation 作为一个软件，只能运行在Ring 3，那么VMware Workstation 上面安装的操作系统也属Ring 3,那么虚拟机是怎么运行Ring 0的指令的呢？

首先，虚拟机自己本身并不知道自己是虚拟机，虚拟机在调用资源的时候会把执行特权指令，但是这时候他所处的指令级别为Ring 3，这时候指令不符合将会报错。但是使用过虚拟机的同学都应该清楚，我们运行虚拟机的时候似乎完全没有错，跟物理机差不多，对吧？那因为我们系统中的虚拟机管理程序（VMM）在帮我我们避免这样的问题发生。
根据VMM实现虚拟机对硬件访问的方式，我们分为三种虚拟化。

1.2 全虚拟化

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全虚拟化：虚拟机（Ring3）如果执行特权指令（Ring0），那么将会触发异常，因为虚拟机没有权限执行特权指令，VMM（Ring 0）会捕捉该异常，并对该异常做翻译，翻译为可执行的特权指令，然后将正确的结果返回给虚拟机。这时虚拟机会认为自己的特权指令工作正常，可以使用。
全虚拟化的问题：上下文切换过多，性能损耗非常大。（不过现在已经解决了这个问题，后面再讲）

1.3 半虚拟化

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半虚拟化：让虚拟机知道自己在虚拟机上跑，工作在非Ring 0 状态，那么它原先在物理机上执行的一些特权指令，就会修改为其他方式，这种方式是可以和VMM约定好的，就像暗号一样，运行在半虚拟化上的虚拟机需要对内核进行定制化，XEN这种就是半虚拟化技术，这样就不会有异常捕捉和翻译的过程了，性能损耗低。
半虚拟化问题：只支持虚拟Linux主机，无法虚拟化Windows，因为Windows不开源，无法修改代码。

1.4 主流的虚拟化模式？

现在主流的虚拟化模式应该是全虚拟化，为什么呢？看了前面的同学可能会有疑惑，为什么不是半虚拟化？全虚拟化不是对CPU性能消耗很大嘛？

是这样的，现在CPU厂商都开始支持虚拟化了，而且是默认支持的，如果不支持的话我们可以在Bios里面开启，比如英特尔的Intel-VT还有ADM-v。

Intel-VT 技术，支持Intel-VT 的CPU，有VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 这 4 个运行级别。这下好了，VMM可以运行在VMX root operation模式下，客户OS运行在VMX non-root operation模式下。
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也就说，硬件这层做了些区分，这样全虚拟化下，有些靠“捕获异常-翻译-模拟”的实现就不需要了。而且CPU厂商，支持虚拟化的力度越来越大，靠硬件辅助的全虚拟化技术的性能逐渐逼近半虚拟化，再加上全虚拟化不需要修改客户操作系统这一优势，全虚拟化技术应该是未来的发展趋势。