剖析 Linux hypervisor
1、概念
Hypervisor——一种运行在基础物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系统和应用共享硬件。也可叫做VMM（ virtual machine monitor ），即虚拟机监视器。
Hypervisors是一种在虚拟环境中的“元”操作系统。他们可以访问服务器上包括磁盘和内存在内的所有物理设备。Hypervisors不但协调着这些硬件资源的访问，也同时在各个虚拟机之间施加防护。当服务器启动并执行Hypervisor时，它会加载所有虚拟机客户端的操作系统同时会分配给每一台虚拟机适量的内存，CPU，网络和磁盘。
In computing, a hypervisor, also called virtual machine monitor (VMM), is a piece of software/hardware platform-virtualization software that allows multiple operating systems to run on a host computer concurrently.
2、作用
Hypervisor是所有虚拟化技术的核心。 非中断地支持多工作负载迁移的能力是Hypervisor的基本功能。
3、种类
目前市场上各种x86 管理程序(hypervisor)的架构存在差异，三个最主要的架构类别包括：
· I型：虚拟机直接运行在系统硬件上，创建硬件全仿真实例，被称为“裸机”型。
· II型：虚拟机运行在传统操作系统上，同样创建的是硬件全仿真实例，被称为“托管（宿主）”型。
· Ⅲ型：虚拟机运行在传统操作系统上，创建一个独立的虚拟化实例（容器），指向底层托管操作系统，被称为“操作系统虚拟化”。
图 1 三种主要的虚拟化架构类型
常见的Hypervisor有两类： 裸机型与宿主型
裸机型的Hypervisor最为常见，直接安装在硬件计算资源上，操作系统安装并且运行在Hypervisor之上。
尽管来自Eucalyptus、CloudStack等对手在当下拥有更成熟的产品，但IBM、Dell、惠普、Intel等巨头不约而同的选择了OpenStack，投入大量的资金和研发力量，在社区活跃度上OpenStack也超越所有对手，占尽了天时地利与人和。开源是被Linux证明是成功的开发的模式，OpenStack被誉为21世纪的Linux，最有可能成为云计算IaaS层的工业标准。
如果要说在Interop展会中我与各位嘉宾之间的交谈要有个总主题的话，那便是软件是网络的未来。可以说，一直以来都是这样，即使最佳的交换机机架中，也是代码驱动它的运行。直到今年，OpenFlow规范——几个月之前它还只是斯坦福大学的一个研究项目——现在可是极大的热点，大多数网络供应商都争相宣布他们的软件定义网络的策略，或者迫于舆论而紧紧跟随。
即使没有网络虚拟化，只有软件的网络设备已经从一种开发/测试环境的方法转换为支持生产环境的产品了，这是很明显的一点。在Interop 2011上，我所交谈过的每个供应商都在宣传他们的硬件设备的虚拟化版本。例如，Infoblox谈到了虚拟IP地址管理和配置管理产品，而BlueCoat则谈到了虚拟化WAN优化和安全设备。
基于云的网络管理——基本上是由软件驱动的——也在Interop展会上有所涉及到。例如，PowerCloud在会场上介绍了它的技术是如何支持OEM伙伴实现基于云的无线接入点管理的。这样一来，管理服务供应商就可以与诸如Aerohive 和 Meraki的公司展开正面竞争。通过将很少的代码添加到他们的固件中，接入点就能够“呼叫”主机服务，然后通过唯一的识别码连接到特定的客户。在很多方面，基于云的管理不需要与大型WLAN硬件解决方案相当的资本支出就能够向SMB市场提供企业级的特性和功能。
Cisco在Interop展会上也加入了云管理WLAN的讨论，它介绍了自己的新系统。该新系统可以让企业通过一个集中私有云对成千上万的分公司的AP进行管理。在硬件主导的时代转换到软件是一个逻辑方法，由于虚拟化时代的灵活性水平要求将成为硬件的唯一挑战。它未来的发展值得我们期待。
hypervisor 之于操作系统类似于操作系统之于进程。它们为执行提供独立的虚拟硬件平台，而虚拟硬件平台反过来又提供对底层机器的虚拟的完整访问。但并不是所有 hypervisor 都是一样的，这是件好事，因为 Linux 就是以灵活性和选择性著称。本文首先简要介绍虚拟化和 hypervisor，然后探索两个基于 Linux 的 hypervisor。
虚拟化和 hypervisor
我们首先花一点时间理解为什么虚拟化很重要，以及 hypervisor 的扮演的角色。（要更多地了解这两个主题，请参见 参考资料）。
在本文中，虚拟化 就是通过某种方式隐藏底层物理硬件的过程，从而让多个操作系统可以透明地使用和共享它。这种架构的另一个更常见的名称是平台虚拟化。在典型的分层架构中，提供平台虚拟化的层称为hypervisor （有时称为虚拟机管理程序 或 VMM）。来宾操作系统称为虚拟机（VM），因为对这些 VM 而言，硬件是专门针对它们虚拟化的。图 1 简单的展示了这个分层架构。
图 1. 显示常用硬件虚拟化的简单分层架构
平台虚拟化的好处很多。美国环境保护署（EPA）报告的一组有趣的统计数据就证明了其好处。EPA 研究服务器和数据中心的能源效率时发现，实际上服务器只有 5% 的时间是在工作的。在其他时间，服务器都处于 “休眠” 状态。在单个服务器上的虚拟化平台能够改善服务器的利用率，但是减少服务器的数量才是它的最大功用。减少服务器数量意味着减少不动资产、能耗、冷却和管理成本。使用更少的硬件还能提高可靠性。总之，平台虚拟化不仅带来技术优势，还能创造成本和能源优势。
在图 1 中可以看到，hypervisor 是提供底层机器虚拟化的软件层（在某些情况下需要处理器支持）。并不是所有虚拟化解决方案都是一样的，您可以在 参考资料 中了解更多的虚拟化方式。继续讨论进程，操作系统将对机器的底层资源的访问虚拟化为进程。hypervisor 也做一样的事情，但其对象不是进程，而是整个来宾操作系统。
备注：
Xen 是一种类型 1 虚拟机管理程序，它创建系统资源的逻辑池，使许多虚拟机可共享相同的物理资源。
Xen 是一个直接在系统硬件上运行的虚拟机管理程序。Xen 在系统硬件与虚拟机之间插入一个虚拟化层，将系统硬件转换为一个逻辑计算资源池，Xen 可将其中的资源动态地分配给任何操作系统或应用程序。在虚拟机中运行的操作系统能够与虚拟资源交互，就好象它们是物理资源一样。
图 1 显示了一个运行虚拟机的 Xen 系统。
图 1. Xen 架构
Xen 运行 3 个虚拟机。每个虚拟机与其他虚拟机都独自运行一个来宾操作系统和应用程序，同时共享相同的物理资源。
hypervisor 分类
hypervisor 可以划分为两大类。首先是类型 1，这种 hypervisor 是直接运行在物理硬件之上的。其次是类型 2，这种 hypervisor 运行在另一个操作系统（运行在物理硬件之上）中。类型 1 hypervisor 的一个例子是基于内核的虚拟机（KVM —— 它本身是一个基于操作系统的 hypervisor）。类型 2 hypervisor 包括 QEMU 和 WINE。
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hypervisor 的构成
hypervisor（不管是什么类型）仅是一个从其来宾操作系统抽象机器硬件的分层应用程序。通过这种方式，每个来宾操作系统看到的仅是一个 VM 而不是真实的硬件机器。我们大致看一下 hypervisor 的内部组成，以及它在 VM（来宾操作系统）上的表示。
在较高级别上，hypervisor 需要少量设施启动来宾操作系统：一个需要驱动的内核映像、一个配置（比如 IP 地址和所需的内存量）、一个磁盘盒一个网络设备。磁盘和网络设备通常映射到机器的物理磁盘和网络设备（如图 2 所示）。最后，需要使用一组来宾操作系统工具启动和管理来宾操作系统。
图 2. 在假设 hypervisor 中的最小资源映射
然后，一个简化的 hypervisor 架构实现最后的关键功能，从而使来宾操作系统可以和宿主操作系统同时运行。实现这个功能需要一些特定的要素，如图 3 所示。首先，类似于将用户空间应用程序和内核函数连接起来的系统调用，一个通常可用的虚拟化调用（hapercall，hypervisor 对操作系统进行的系统调用）层允许来宾系统向宿主操作系统发出请求。可以在内核中虚拟化 I/O，或通过来宾操作系统的代码支持它。故障必须由 hypervisor 亲自处理，从而解决实际的故障，或将虚拟设备故障发送给来宾操作系统。hypervisor 还必须处理在来宾操作系统内部发生的异常。（毕竟，来宾操作系统发生的错误仅会停止该系统，而不会影响 hypervisor 或其他来宾操作系统）。hypervisor 的核心要素之一是页映射器，它将硬件指向特定操作系统（来宾或 hypervisor）的页。最后，需要使用一个高级别的调度器在hypervisor和来宾操作系统之间传输控制。
图 3. 简化的基于 Linux 的hypervisor
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Linux hypervisor
本文探索两个基于 Linux 的 hypervisor 解决方案。首先是 KVM，它是首个被集成到 Linux 内核的 hypervisor 解决方案，并且实现了完整的虚拟化。其次是 Lguest，这是一个实验 hypervisor，它通过少量的更改提高准虚拟化。
KVM
KVM 针对运行在 x86 硬件硬件上的、驻留在内核中的虚拟化基础结构。KVM 是第一个成为原生 Linux 内核（2.6.20）的一部分的 hypervisor，它是由 Avi Kivity 开发和维护的，现在归 Red Hat 所有。
这个 hypervisor 提供 x86 虚拟化，同时拥有到 PowerPC® 和 IA64 的通道。另外，KVM 最近还添加了对对称多处理（SMP）主机（和来宾）的支持，并且支持企业级特性，比如活动迁移（允许来宾操作系统在物理服务器之间迁移）。
KVM 是作为内核模块实现的，因此 Linux 只要加载该模块就会成为一个hypervisor。KVM 为支持 hypervisor 指令的硬件平台提供完整的虚拟化（比如 Intel® Virtualization Technology [Intel VT] 或 AMD Virtualization [AMD-V] 产品）。KVM 还支持准虚拟化来宾操作系统，包括 Linux 和 Windows®。
这种技术由两个组件实现。第一个是可加载的 KVM 模块，当在 Linux 内核安装该模块之后，它就可以管理虚拟化硬件，并通过 /proc 文件系统公开其功能（见图 4）。第二个组件用于 PC 平台模拟，它是由修改版 QEMU 提供的。QEMU 作为用户空间进程执行，并且在来宾操作系统请求方面与内核协调。
图 4. KVM hypervisor 的高级别视图
当新的操作系统在 KVM 上启动时（通过一个称为 kvm 的实用程序），它就成为宿主操作系统的一个进程，因此就可以像其他进程一样调度它。但与传统的 Linux 进程不一样，来宾操作系统被 hypervisor 标识为处于 “来宾” 模式（独立于内核和用户模式）。
每个来宾操作系统都是通过 /dev/kvm 设备映射的，它们拥有自己的虚拟地址空间，该空间映射到主机内核的物理地址空间。如前所述，KVM 使用底层硬件的虚拟化支持来提供完整的（原生）虚拟化。I/O 请求通过主机内核映射到在主机上（hypervisor）执行的 QEMU 进程。
KVM 在 Linux 环境中以主机的方式运行，不过只要底层硬件虚拟化支持，它就能够支持大量的来宾操作系统。您可以在 参考资料 部分找一个到受支持的来宾操作系统的列表。
Lguest（以前的 lhype）
Lguest hypervisor 由澳大利亚 IBM 的 Rusty Russell 开发，它采用完全不同的方式实现虚拟化。Lguest 并没有为运行任意操作系统提供完整的虚拟化支持，而是为支持 x86 的 Linux 来宾操作系统（也称为Linux-on-Linux 虚拟化）提供轻量级准虚拟化。这意味着来宾操作系统知道自己正在被虚拟化，并且这同时还会改进性能。但是，Lguest 不需要 QEMU 提供平台虚拟化（像在 KVM 中一样）来改进性能。使用 Lguest 这种方法还减少了总代码需求，仅需在来宾操作系统和宿主操作系统中使用一个瘦层。现在，我们探索这些变化，并查看 Lguest 环境的高级别架构。
如图 5 所示，来宾操作系统包含一个 Lguest 代码瘦层（根据定义，就是准虚拟化）。这段代码提供许多服务。在最高的级别，有一些代码可以决定正在启动的内核是否被虚拟化。此外，还有一个通过虚拟化调用将特权操作发送给宿主操作系统的抽象层（通过paravirt_ops 实现）。例如，来宾操作系统不能禁用中断，以使这些请求在宿主操作系统中执行。您还可找到一个为来宾操作系统实现设备抽象的总线，以及一组实现控制台、虚拟块驱动器和虚拟网络驱动器（允许与其他来宾通信）的简单驱动器。
图 5. 实现 x86 准虚拟化的 Lguest 的架构
内核部分被实现为可加载的模块，即lg.ko。这个模块包含来宾操作系统通向宿主内核的接口。第一个组件是切换器，它实现一种方法，让来宾操作系统在执行时根据上下文进行切换。这个模块还实现 /proc 文件系统代码（针对 /dev/lguest），该代码实现到内核和驱动器（包括虚拟化调用）的用户空间接口。还有一些代码通过使用影子页表（shadow page-table）和管理 x86 区段来提供内存映射。
最后，内核中的 Documentation 子目录包含启动实用程序（lguest），用于启动新的来宾操作系统实例。这个文件负责两项任务，即使用和记录。
Lguest 从 2.6.23（2007 年 10 月）开始就成为主流内核，并且由 Rusty Russell 开发和维护。它大约包含 5000 行源代码，包括用户空间实用程序。尽管 Lguest 很简单（据说是这样的），但它能提供真正的准虚拟化。不过简单性往往与局限性相随。例如，Lguest 仅虚拟化其他支持 Lguest 的来宾操作系统，并且目前仅能用于 x86 架构。尽管存在这些限制，Lguest 仍然提供一种有趣的虚拟化方式，并且对任何希望研究 Rusty 的代码的人员公开。
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Linux hypervisor 的益处
使用 Linux 作为内核开发 hypervisor 有实实在在的好处。最明显的是， 以 Linux 为基础开发 hypervisor 受益于稳步前进的 Linux，以及为改进 Linux 投入的大量工作。从典型的优化、bug 修复、调度和内存管理创新到支持不同处理器架构，Linux 都是一个不断进步的平台（引自 Salisbury 市的 John 的 “站在巨人的肩膀上” 一文）。
不久前已经证明，通过向 KVM 添加一个内核模块，就可以将 Linux 内核转变为 hypervisor。Lguest 进一步改进了这种方法，并且通过受限制的准虚拟化进一步简化了该解决方案。
使用 Linux 作为平台的另一个奇特好处是，除了可以将该平台用作 hypervisor 之外，您还可以将其用作操作系统。因此，除了可以在 Linux hypervisor 上运行多个来宾操作系统之外，您还可以在该级别上运行其他传统的应用程序。所以，不必担心带有新的应用编程接口（API）的新平台，因为您拥有用于开发应用程序的标准 Linux 平台（如果需要监控应用程序或 hypervisor）。标准协议（TCP/IP）和其他有用的应用程序（Web 服务器）和来宾操作系统都是可用的。回顾一下讨论 KVM 时的 图 4：除了来宾操作系统之外，还使用了修改了 KVM 的 QEMU。这是一个标准进程，并展示了 Linux 作为 hypervisor 的强大之处。KVM 在平台虚拟化中利用 QEMU，并使用 Linux 作为hypervisor，因此实现了这个构思，即让来宾操作系统能够和其他 Linux 应用程序协调执行。
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结束语
在 hypervisor 开发的过程中，hypervisor 就是新开辟的战场。3 年以前，操作系统是战场的主线，并且控制了一小部分据点。然而，今天战场已转移到 hypervisor，并且 Linux 担任一个明确的角色。
但是，也有声音反对使用 Linux 作为 hypervisor，并且最剧烈的批评来自于夸夸其谈的空论。在数年以前这种情况曾出现在嵌入式领域。今天，作为嵌入式操作系统的 Linux 已是不曾止步的强者。但是我们也有对付批评的办法，通过一些架构上的改进可以让 Linux 成为最强大、最普遍和更灵活的操作系统。
参考资料
学习
- EPA Report on Server and Data Center Energy Efficiency 包含一个出色的调查，分析了能量是如果在数据中心消耗的。根据这份报告，虚拟化通过合并服务器对提高数据中心的能源效率扮演了重要角色。
- Kernel-based Virtualization Machine 是基于 Linux 的hypervisor之一。您可以在该项目的 Web 站点上更多地了解 KVM。在这里，您还可以找到一份 有趣的白皮书，它讨论了虚拟化技术背后的思想。KVM 不断发展，您可以通过上一次 2008 KVM 论坛了解目前的情况和未来的趋势。您还可以在 KVM 来宾操作系统支持状态页面 中找到一个受支持的来宾操作系统的列表。
- 有各种不同的虚拟化技术。本文探索了其中两种，即完整虚拟化和准虚拟化。您可以通过 “虚拟 Linux” 了解其他虚拟化技术（developerWorks，2006 年 12 月）。您还可以通过 “探索 Linux 内核虚拟机”（developerWorks，2007 年 4 月）和 “使用 QEMU 进行系统仿真”（developerWorks，2007 年 10 月） 详细探索 KVM 和 QEMU。
- 本文简要提到了其他有趣的 Linux 主题，比如可加载内核模块和 /proc 文件系统。要详细了解这两个主题，请查看 “Linux 可加载内核模块剖析”（developerWorks，2008 年 7 月）和 “使用 /proc 文件系统来访问 Linux 内核的内容”（developerWorks，2006 年 3 月）。
- Lguest (Simple x68 Hypervisor) 演示了如何通过少量的更改使用 Linux 构建一个简单的 x86 hypervisor。Lguest Web 站点提供最新的细节和文档。
- 尽管本文探索的是基于 Linux 的 hypervisor 背后的高级理论，您仍然可以在 Enterprise Linux Tips 上探索 Lguest 的安装和使用。
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关于作者
M. Tim Jones 是一名嵌入式软件工程师，他是 Artificial Intelligence: A Systems Approach, GNU/Linux Application Programming（现在已经是第 2 版）、AI Application Programming（第 2 版）和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等书的作者。他的工程背景非常广泛，从同步宇宙飞船的内核开发到嵌入式系统架构设计，再到网络协议的开发。Tim 是位于科罗拉多州 Longmont 的 Emulex Corp. 的一名顾问工程师。