第二章 虚拟化技术基础

一、虚拟化技术介绍

• 资源抽象成共享资源池，操作系统与硬件解耦，从资源池中分配资源。
• 本质：分区→一个物理服务器上运行多个虚拟机、隔离→同一服务器上虚拟机间相互隔离、封装→虚拟机都保存在文件中、独立→独立于硬件，无需修改即可在任何服务器上运行
• 类型
  • 寄居虚拟化 vmware workstation，virtual PC→简单易于实现；管理开销，性能损耗大。
  • 裸金属虚拟化 vmware esxserver，citrix xenserver，redhat KVM，微软hyper V，华为 fusionshpers→不依赖于操作系统，支持多种系统多种应用；虚拟化层内核开发难度大。
  • 操作系统虚拟化，docker。→简单易于实现，管理开销低
• 裸金属虚拟化主要实现两个基本功能：
  • 识别、捕获和响应虚拟机发出的CPU特权指令或保护指令
  • 处理虚拟机队列和调度，并将屋里硬件的处理结果返回给相应的虚拟机。

二、计算虚拟化

• 包括：CPU虚拟化，内存虚拟化，IO虚拟化
• CPU虚拟化
  • 利用与原始操作系统类似的机制-通过定时器中断，在中断触发时陷入VMM，从而根据调度机制进行调度。
  • 经典虚拟化方法主要使用特权解除和陷入-模拟的方式→客户OS在运行在非特权级，VMM运行在最高特权级。客户OS的大部分指令仍然可以在硬件上直接运行，当执行特权指令时，陷入到VMM模拟执行。
  • X86架构的虚拟化漏洞：敏感指令需要读取系统关键资源，但不是特权指令。
  • 解决方法：半虚拟化，全虚拟化，硬件辅助虚拟化
  • 半虚拟化：敏感指令修改为对VMM的调用指令→性能损耗小；只能是可修改的操作系统
  • 全虚拟化：将敏感指令翻译成特权指令后进行→支持广泛的OS；引入新的复杂性，性能损耗大
  • 硬件辅助虚拟化：利用CPU新增的虚拟化指令进行特权和非特权的交换→简化VMM软件→发展趋势
• 内存虚拟化
  • 物理操作系统内存特点：从物理地址0开始；内存连续；
  • 虚拟化后的问题：只有一个0地址；地址连续分配使用效率不高，缺乏灵活性。
  • 内存虚拟化核心→引入客户机物理地址空间→通过VMM在客户机物理地址空间和物理地址空间中建立映射表。
• IO虚拟化
  • 目的在于复用有限的外设资源。
  • 原理：VMM截获客户OS对设备访问的请求，然后通过软件方式来模拟真实设备的效果。
  • 问题：设备发现，控制各虚拟机能访问的设备；访问截获
  • 实现：前后端驱动模型；Intel硬件虚拟化技术
  • 硬件虚拟化技术：VT-x，VT-d，VT-c，TXT

三、存储虚拟化

• 概念：存储设备上加入逻辑层，通过逻辑层访问存储资源
• 作用：管理员→方便调整存储资源，提高存储利用率；终端用户→更好的性能和易用性
• 实现方式：裸设备+逻辑卷；存储设备虚拟化；主机存储虚拟化+文件系统
  • 裸设备+逻辑卷：直接在通用块上建立逻辑卷→实现简单，性能好；支持业务少
  • 存储设备虚拟化：通过存储设备的能力，进行卷的维护操作→支持业务相对较多，需要特定的存储设备
  • 存储虚拟化+文件系统：在通用块层上建立文件系统，通过文件系统管理虚拟机磁盘→支持异构存储和异构服务器，高级功能丰富；IO路径长，性能损耗大。→目前采用较多的方式。

四、网络虚拟化

• 背景：一台服务器上多个虚拟机→传统网络无法满足虚拟机间通信；虚拟机动态迁移→传统网络无法很好满足。
• 网络虚拟化包括：
  • 物理设备虚拟化：QBG、QBR，TRILL，SPB
  • 服务器虚拟化：VMDQ、SR-IOV，VXLAN（叠加大二层网络技术）
• 虚拟交换技术：
  • vSwitch：服务器内部CPU实现虚拟交换功能→功能扩展灵活；消耗CPU，性能低
  • eSwitch：网卡实现→性能高，节省CPU资源；依赖特殊网卡；
  • QBG：物理交换机实现→可继承交换机的二层特性；规格小，扩展困难，Hypervisor均不支持
• 华为网络虚拟化解决方案→分布式虚拟交换，集中管理，分布式虚拟交换支持vSwitch和eSwitch两种方式。

五、创建虚拟机简介

• 创建流程：
  • 使用者提出业务需求，确定虚拟机规格
  • 管理员从存储池中划分虚拟硬盘
  • 管理员选择符合所需CPU，内存，虚拟网卡的物理服务器
  • 将虚拟硬盘挂载到物理服务器上
  • 用CPU，内存，硬盘启动一个无系统的虚拟机
  • 使用CIFS协议将ISO挂载到VNA节点，设置虚拟机从虚拟光驱启动，加载ISO文件，安装系统
• 没有操作系统的虚拟机，可以使用ISO文件安装操作系统，或者挂载瘦终端上的光驱安装