1、虛擬化基本知識

計算機的基本部件

控制集：CPU

存儲：mem，

I/O:

　　keyboard，moitor

虛擬化就是將一組物理平臺，虛擬化為多組不同的，彼此之間隔離的平臺。

CPU在OS安裝以后就已經被虛擬化了，每個進程認為自己是獨占CPU，內存的。CPU的虛擬化就是將其分為時間片

用戶空間的進程需要使用硬件，

cpu執行方式：

最外層運行普通指令環3，用戶空間的執行運行在這里

最內存環0：也叫特權環，所有特權指令，cpu中敏感寄存器，尤其是硬件管控寄存機需要由環0中指令才能執行，也就是內和空間在環0

環1與環2(但是在x86平臺上有些敏感指令也運行在這些環上運行)

運行在環3上的guest內核如何調用硬件？

guest的cpu實現方式：

3、軟件模擬，創建一個進程或者一個線程模擬的cpu，讓guest使用

X86虛擬化面臨的常出的問題：

   1、特卻集壓縮：某些敏感指令，放在環1，環2上， 內核運行在環0上，但是兼顧環1，環2，如果運用虛擬化，guestOS需要運行在環1，環2上。從而可以直接運行敏感指令，所以這些指令需要自行捕獲，
　　　　才會避免guestOS避免執行這些指令。

   2、特卻集別名：guestOS操作系統實際運行在環1，環2上，但guestOS認為自己運行在環0，所以我們需要將環1，環2將其虛擬為環0.因此我們需要將其起名為環0

   3、非特權敏感指令：x86平臺上有些敏感指令運行在環1，環2上。

   4、地址空間壓縮：每一個虛擬機所得到的內存地址空間中必須保留一部分給vmm（虛擬機監控器，比如關閉虛擬機之類的命令）使用。說明有些vmm直接運行在GuestOS當中的。HOST主機中。vmm會進入虛
　　　 擬化和退出虛擬化。所以guestOS使用的內存需要給vmm保留一部分，實際使用要比看上去少，使用的地址被壓縮了。

　5、靜默特權失敗：X86的某些特卻指令在執行失敗后不會返回錯誤的。所以vmm不能捕獲這些錯誤。我們就不知道各個虛擬機實例運行的狀態。

　6、屏蔽虛擬化：在虛擬化場景中，屏蔽中斷，和非屏蔽中斷，guestOS對于特權資源的每次訪問都會觸發處理器異常，（中斷發生，處理器必須要要處理）都需要在中斷時異常需要由vmm處理， 
     然后再把結果送個guest中。來回切換導致性能降低。

　　

4、CPU實現虛擬化方式：

　　1、完全虛擬化

　　BT技術提升虛擬化性能　　　　　　　　　　　　　　　二進制翻譯

　　　　硬件層 ---> 環0（vmm） ----> 環1 （guestos 內核）----> 環2 空閑 ---->環3（應用程序）

　　　　guestOS與vmm之間使用的二進制翻譯

這個平臺為完全虛擬化，guestOS不知道自己是虛擬化。這種虛擬化需要給每個guestOS虛擬機模擬一個環0，所以性能確實很厲害

　　2、 半虛擬化：

硬件層 ---> 環0（vmm 與 guestos 內核）） ----> 環1 、 環2 空閑 ---->環3（應用程序）

　　 guestOS不會直接調用環0，特權指令需要使用VMM，這時guestOS知道自己是虛擬化。（hypercall調用請求）

guestOS的內核被修改了。知道自己是虛擬化。windows不能運行在半虛擬化環境，因為不能修改close的操作系統

　　

3、硬件虛擬化 hvm

cpu虛擬化

　　硬件層 --->環 -1 （vmm）-----> 環0（ guestos 內核） ----> 環1 、 環2 空閑 ---->環3（應用程序）

　　guestos內核直接安裝在環0上，不用做修改，cpu設計時直接支持虛擬化，但是環0上沒有特權指令上，只能捕獲操作特權指令，然后交給環-1上的vmm來執行。

　　但是由于還是需要環-1 環0 來回切換，還是性能比半虛擬化要差一些

5、內存虛擬化：

　　正常的內存使用就是被虛擬化的。

　　指令和數據都是由內存中獲取的。內存本身就是由物理地址轉換成線性地址，(MMU來處理的)

MMU 工作原理：

　　線性空間轉換成物理空間的關系存在頁表當中的。 （page table）

　　每個進程給cpu發送指令時，cpu要將 page table 及時的加載到mmu，然后通過mmu va ---> pa的轉換

　　虛擬化后的內存虛擬化：

　　　　GVA ---> GPA ---> HPA

　　　　guestOS線性地址空間 -----> guestOS的物理地址空間 -----> HostOS的物理地址空間

　　 當guestOS中用戶空間訪問內存中數據，直接發送給HostOS cpu，此時由VMM捕獲到，HCPU通過MMU找到對應的物理內存地址后會把地址結果給到VMM，VMM在通知guestOS

　　　　GPA的位置，然后guestOS到gpa中查找。

　　后來inter X86 硬件支持(影子mmu)，有2個MMU，每次訪問內存地址會同時發給這兩個mmu，如果是虛擬機訪問的就直接返回給虛擬機HPA的地址，跳過了中間的GPA的轉換過程。

　　tlb技術：保存了va--->pa的對應關系 ，加快MMU的轉換速度，但是如果多個guestOS時，為了不混淆多個虛擬機的地址對應關系，所以需要都清除tlb

　　后來又有了tagtlb ，這樣在tlb中增加了標記，標記著是那臺虛擬機的映射。

　　

6、io虛擬化

本身就很慢，在虛擬化后更慢

IO虛擬化實現的方式借鑒于VMM模型

　　type-1、type-2

　　type1：

　　　　虛擬機直接跑在硬件上，有一個實例是特權實例（dome0），管理其他的虛擬機

　　　　　　 =======> ，

io完全虛擬化 ： guestOS調用dome0的虛擬硬盤接口，dome0然后再真正調用物理IO設備的接口，進行二次驅動，這種模擬IO性能比較差

io半虛擬化，前段分為兩半，一般在domeU中，后端在dome0上，前段簡單封裝送給后端，后端做訪問真正IO設備，進行IO設備的調用。

io由dome0自己調用。hv自己不會有過多的硬件驅動。所以要借助dome0 io 等各種驅動。

hypervisor自我實現驅動硬件，各個硬件廠商需要單獨開發給hv提供驅動，但是廠商不會專門給某個hv提供驅動的，所以hv需要自己開發驅動程序。但是硬件設備太多，自己開發硬件驅代價太大，

所以這種的虛擬化技術對于硬件的兼容性太差。 買服務器需要找好型號。

io虛擬化，是使用文件來模擬io設備。 dome0軟件模擬硬件真實的借口。

　 type-2: 虛擬機跑在操作系統上

　　

vmm不用自己提供任何驅動，只需要模擬各硬件，真正設備的驅動又host來提供

梳理：

各vmm對io的驅動有三種模式：

　　類型1：半虛擬化，自主vmm：vmm自行提供驅動

　　　　　 混合vmm：借助于外在OS提供驅動。XEN、VM

　　　　　　　　　　1、依賴于外部OS提供特權域

　　　　　　　　　　 2、自我提供特權提供特權域

　　類型2： 寄宿方式，有宿主機的VMM

IO虛擬化模型：

　　純模擬，完全虛擬化

　　半虛擬化

　　透傳：無論是半虛擬化還是模擬都需要借助dome0來實現IO虛擬化的，透傳則是由guest直接使用硬件。dome0管理各硬件

　　

另一種技術：

SR-IOV:將一個硬件輪流給多個guestOS使用。

完全虛擬化：vm（類型2） vb kvm， vm-exsi（類型1）

半虛擬化：xen （類型1）

　　

總結

以上是生活随笔為你收集整理的虚拟化技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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