剖析 Linux hypervisor
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。
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。
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
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。
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。
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。
- 在 developerWorks Linux 专区 寻找为 Linux 开发人员（包括 Linux 新手入门）准备的更多参考资料，查阅我们 最受欢迎的文章和教程。
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