计算虚拟化

一、计算虚拟化的介绍

1、什么是计算虚拟化

云计算1.0时代以虚拟化为主，并在此基础上进一步发展，因此，虚拟化也成为云计算的入门技术。我们再资源商又可以将虚拟化分为：计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化。

2、计算虚拟化的分类

从服务器组建角度来看，计算虚拟化可以分为CPU虚拟化、内存虚拟化、I/O虚拟化。CPU虚拟化的目标是保障CPU资源的合理调度以及虚拟机上的指令能正常高效的执行。内存虚拟化的目标是保障内存空间的合理分配、管理、隔离以及高效可靠地使用。I/O虚拟化的目标是保障虚拟机（VM）的输入输出隔离，可以正常高效地执行。

• CPU虚拟化

1. 分级保护域：Ring0:拥有最高权限，一般只有操作系统和驱动才会允许拥有此权限。Ring1、Ring2、Ring3：权限最低，所有程序都可以拥有此权限。
2. 两种指令：特权指令、普通指令。还有一条敏感指令，能够修改虚拟机得到运行模式或宿主机状态的指令。
3. 两个阶段：

1. 大型机时代（PowerPC架构，精简指令集RISC计算架构）的CPU共享问题。缺陷：定时器中断机制。

解决方法：(1)特权解除：将虚拟机运行在非特权权限，VMM运行于最高级别权限。(2)陷入模拟：普通指令仍然直接在硬件上执行。当需要执行特权指令时，将指令陷入到VMM层模拟执行，再由VMM代替虚拟机到底层硬件执行相应指令，并返回结果给VM。

1. X86架构（复杂指令集CISC计算架构）。缺陷：敏感指令集和特权指令集不重合。

解决方法：（1）全虚拟化：将所有的指令全部发送到VMM，由VMM进行二进制翻译，如果发现是特权指令或敏感指令，就陷入VMM模拟执行。好处：不需要修改虚拟机的操作系统，虚拟机支持的操作系统更多。缺点：性能消耗大，VMM开发难度大。（2）半虚拟化：将VM的操作系统进行修改，让虚拟机知道自己是虚拟化了的，VM可以通过“超级调用（Hypercall）”替换虚拟化中的敏感指令。好处：提供了与原始系统相近的性能。缺点：只有开源的操作系统才能修改，支持的操作系统少，可移植性差。（3）硬件辅助虚拟化：让物理硬件直接支持虚拟化功能，并且能够识别敏感指令。为CPU新增一个root模式，VMM运行于root模式，特权指令和敏感指令就可以直接发送到VMM执行。

• 内存虚拟化

1. 物理机如何使用内存：（1）内存地址从物理地址0开始（2）内存地址空间分配时要求连续（3）物理内存（4）虚拟内存
2. 内存虚拟化：将物理机内存进行统一管理，引用一个新的内存空间，让虚拟机运行于新的内存空间中。四个内存地址：物理机的物理地址（HPA）、物理机的虚拟地址（HVA）、虚拟机的物理地址（GPA）、虚拟机的内存地址（GVA）。影子页表：从软件上实现GVA到HPA的转换，由Hypervisor将影子页表载入物理上的内存管理单元（MMU）。缺点：技术复杂、内存开销大

• I/O虚拟化

1. 全虚：VMM为虚拟机直接模拟出一个与真实设备相似的IO设备
2. 半虚：建立一个特权级别的虚拟机，特权虚拟机（Dom0）：安装原生驱动和后端驱动；普通虚拟机（DomU）:安装前端驱动。
3. IO透传：直接将IO设备安装给VM使用
4. 硬件辅助虚拟化：直接将IO驱动安装在VM中