计算虚拟化简介

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，本章重点介绍计算虚拟化的架构及相关技术。

计算虚拟化中的重要概念

Guest OS：虚拟机操作系统
Guest Machine：虚拟出来的虚拟机
Hypervisor：虚拟化软件层/虚拟机监控机（Virtual Machine Monitor，VMM）
Host OS：运行在物理机之上的OS
Host Machine：物理机

计算虚拟化的分类

裸金属型虚拟化

Hypervisor直接架设在硬件之上，掌握所有硬件资源，包括内存CPU、IO设备。不依赖于操作系统，支持多种操作系统，VMM（Virtual Machine Monitor）开发难度打，负载重。Xen

宿主型虚拟化

需要Host OS的应用程序，通过调用OS服务获取资源，简单易实现，安装应用依赖宿主OS，管理开销大，性能损耗多，VMWare workstation VirtualBox

操作系统虚拟化

Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的镜像中，然后发布到任何流行的 Linux或Windows 机器上，也可以实现虚拟化。容器是完全使用沙箱机制，相互之间不会有任何接口。简单易实现性能高，隔离性较差，容器和HostOS是同一种系统。

虚拟化的特点

分区、隔离、封装、独立

CPU特权级别

Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的，级别共分4层，RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的两个级别RING0和RING3。RING0层拥有最高的权限，RING3层拥有最低的权限。按照Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，只能访问RING3层的数据，操作系统工作在RING0层，可以访问所有层的数据，而其他驱动程序位于RING1、RING2层，每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。如果普通应用程序企图执行RING0指令，则Windows会显示“非法指令”错误信息。
Guest os在Ring1

CPU虚拟化

不支持硬件辅助虚拟化技术的X86架构下的CPU有4个特权级(ring0~ring3)，操作系统是处于最高级别的ring0，应用程序处于最低级别的ring3。
在这种架构下实现CPU的全虚拟化是极其困难的，为什么困难？

原先的OS运行在ring0层，拥有对所有硬件的全部特权级；虚拟化之后将OS运行在ring1层，OS就没有权限执行一些特权指令，怎么保证这些特权指令执行；在保证该OS虚拟机的特权指令执行的情况下，保证其他运行的OS虚拟机的安全；最先实现这种CPU全虚拟化技术的是Trap-and-emulation技术，即陷入模式和模拟仿真技术。这种技术通过将OS需求的特权指令通过VMM自动捕获的方式运行后返回去OS。当OS有特权指令产生时，VMM将其自动捕获，将OS所请求的特权指令进行截获，然后通过VMM运行之后将结果返回给OS层。VMM会使用模拟仿真将特权指令模拟仿真的方式执行一遍。

全虚拟化

动态二进制翻译，过滤所有虚拟机发送请求，动态完成敏感指令翻译，不需要修改Guest os内核，Hypervisor层监控，动态翻译时需要VMM资源，依赖VMM。VirtualPC VMWare workstation

半虚拟化必须修改Guest os内核，性能几乎等于物理机，对VMM以来少，支持多种OS用Hypercall方式做敏感指令。Xen Hyper-v

硬件辅助虚拟化

动态完成敏感指令翻译，不需要修改Guest os，两套特权级，两个Ring0，性能最强，需要硬件支持。Inter vp-x AMD -V

内存虚拟化

通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。
VA virtual memory
PA physical memory
MA mechine memory

I/O虚拟化

模拟(完全虚拟)：完全使用软件来模拟真实硬件，
半虚拟化：对硬件驱动由前端(IO frontend)直接转到后端(IO backend)调用，通常仅适用于硬盘和网卡，性能高. eg.Xen
IO-through：IO透传，直接分配给虚拟机物理设备，例如直接分配一个硬盘或网卡给虚拟机，需要硬件具备IO透传技术，在Xen下由Dom0分配，但是访问使用直接使用，不经过Dom0，需要硬件支持。

虚拟化

环境隔离、资源复用提供高级的虚拟化特性

虚拟化优势

资源利用率：主机和操作系统不再一一对应，按需分配使用，提高资源利用率。
独立性：虚拟机独立于硬件。
程序运行效率：管理操作系统和应用程序被封装成一个个个体。
安全：安全、故障隔离。

Xen vs KVM

Xen 是一个开放源代码虚拟机监视器，裸金属型虚拟化
Kernel-based Virtual Machine基于内核虚拟机

KVM I/O操作流程 - 默认

全虚拟化IO

不用修改客户机操作系统，使用原生驱动，可以模拟老式经典设备。
IO路径长，依赖KVM和QEMU来做中间信息处理，多次数据拷贝，宿主机和虚拟机、内核态和用户态多次进行上下文切换。