虚拟化技术
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(jīng)被虛擬化了，每個進程認為自己是獨占CPU，內(nèi)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(zhí)行方式：
最外層運行普通指令環(huán)3，用戶空間的執(zhí)行運行在這里
最內(nèi)存環(huán)0：也叫特權(quán)環(huán)，所有特權(quán)指令，cpu中敏感寄存器，尤其是硬件管控寄存機需要由環(huán)0中指令才能執(zhí)行，也就是內(nèi)和空間在環(huán)0
環(huán)1與環(huán)2(但是在x86平臺上有些敏感指令也運行在這些環(huán)上運行)
運行在環(huán)3上的guest內(nèi)核如何調(diào)用硬件？
guest的cpu實現(xiàn)方式：
3、軟件模擬，創(chuàng)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(huán)1，環(huán)2上， 內(nèi)核運行在環(huán)0上，但是兼顧環(huán)1，環(huán)2，如果運用虛擬化，guestOS需要運行在環(huán)1，環(huán)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(zhí)行這些指令。 2、特卻集別名：guestOS操作系統(tǒng)實際運行在環(huán)1，環(huán)2上，但guestOS認為自己運行在環(huán)0，所以我們需要將環(huán)1，環(huán)2將其虛擬為環(huán)0.因此我們需要將其起名為環(huán)0 3、非特權(quán)敏感指令：x86平臺上有些敏感指令運行在環(huán)1，環(huán)2上。
4、地址空間壓縮：每一個虛擬機所得到的內(nèi)存地址空間中必須保留一部分給vmm（虛擬機監(jiān)控器，比如關(guān)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(nèi)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(quán)失敗：X86的某些特卻指令在執(zhí)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(tài)。 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(quán)資源的每次訪問都會觸發(fā)處理器異常，（中斷發(fā)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(jié)果送個guest中。來回切換導(dǎo)致性能降低。
4、CPU實現(xiàn)虛擬化方式：
1、完全虛擬化
BT技術(shù)提升虛擬化性能 二進制翻譯
硬件層 ---> 環(huán)0（vmm） ----> 環(huán)1 （guestos 內(nèi)核）----> 環(huán)2 空閑 ---->環(huán)3（應(yīng)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(huán)0，所以性能確實很厲害
2、 半虛擬化：
硬件層 ---> 環(huán)0（vmm 與 guestos 內(nèi)核）） ----> 環(huán)1 、 環(huán)2 空閑 ---->環(huán)3（應(yīng)用程序）
guestOS不會直接調(diào)用環(huán)0，特權(quán)指令需要使用VMM，這時guestOS知道自己是虛擬化。（hypercall調(diào)用請求）
guestOS的內(nèi)核被修改了。知道自己是虛擬化。windows不能運行在半虛擬化環(huán)境，因為不能修改close的操作系統(tǒng)
3、硬件虛擬化 hvm
cpu虛擬化
硬件層 --->環(huán) -1 （vmm）-----> 環(huán)0（ guestos 內(nèi)核） ----> 環(huán)1 、 環(huán)2 空閑 ---->環(huán)3（應(yīng)用程序）
guestos內(nèi)核直接安裝在環(huán)0上，不用做修改，cpu設(shè)計時直接支持虛擬化，但是環(huán)0上沒有特權(quán)指令上，只能捕獲操作特權(quán)指令，然后交給環(huán)-1上的vmm來執(zhí)行。
但是由于還是需要環(huán)-1 環(huán)0 來回切換，還是性能比半虛擬化要差一些
5、內(nèi)存虛擬化：
正常的內(nèi)存使用就是被虛擬化的。
指令和數(shù)據(jù)都是由內(nèi)存中獲取的。內(nèi)存本身就是由物理地址轉(zhuǎn)換成線性地址，(MMU來處理的)
MMU 工作原理：
線性空間轉(zhuǎn)換成物理空間的關(guān)系存在頁表當中的。 （page table）
每個進程給cpu發(fā)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(zhuǎn)換
虛擬化后的內(nèi)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(nèi)存中數(shù)據(jù)，直接發(fā)送給HostOS cpu，此時由VMM捕獲到，HCPU通過MMU找到對應(yīng)的物理內(nèi)存地址后會把地址結(jié)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(nèi)存地址會同時發(fā)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(zhuǎn)換過程。
tlb技術(shù)：保存了va--->pa的對應(yīng)關(guān)系 ，加快MMU的轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)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(xiàn)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(quán)實例（dome0），管理其他的虛擬機
=======> ，
io完全虛擬化 ： guestOS調(diào)用dome0的虛擬硬盤接口，dome0然后再真正調(diào)用物理IO設(shè)備的接口，進行二次驅(qū)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(shè)備，進行IO設(shè)備的調(diào)用。
io由dome0自己調(diào)用。hv自己不會有過多的硬件驅(qū)動。所以要借助dome0 io 等各種驅(qū)動。
hypervisor自我實現(xiàn)驅(qū)動硬件，各個硬件廠商需要單獨開發(fā)給hv提供驅(qū)動，但是廠商不會專門給某個hv提供驅(qū)動的，所以hv需要自己開發(fā)驅(qū)動程序。但是硬件設(shè)備太多，自己開發(fā)硬件驅(qū)代價太大，
所以這種的虛擬化技術(shù)對于硬件的兼容性太差。 買服務(wù)器需要找好型號。
io虛擬化，是使用文件來模擬io設(shè)備。 dome0軟件模擬硬件真實的借口。
type-2: 虛擬機跑在操作系統(tǒng)上
vmm不用自己提供任何驅(qū)動，只需要模擬各硬件，真正設(shè)備的驅(qū)動又host來提供
梳理：
各vmm對io的驅(qū)動有三種模式：
類型1：半虛擬化，自主vmm：vmm自行提供驅(qū)動
混合vmm：借助于外在OS提供驅(qū)動。XEN、VM
1、依賴于外部OS提供特權(quán)域
2、自我提供特權(quán)提供特權(quán)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(xiàn)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(shù)：
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(jié)
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