从VT-x到VT-d Intel虚拟化技术发展蓝图

从VT-x到VT-d Intel虚拟化技术发展蓝图

2007-09-09 09:57:39

标签： Intel  虚拟机  虚拟化  VMware  VT-x

作者：IT168评测中心 Lucifer  2007-08-25   

 

【IT168评测中心】当前非常热门的Virtualization虚拟化技术的出现和应用其实已经有数十年的历史了，在早期，这个技术主要应用在服务器以及大型主机上面，现在，随着PC性能的不断增长，Virtualization也开始逐渐在x86架构上流行起来。

虚拟化技术将各种资源虚拟出多台主机，以提高这些资源的共享率和利用率

虚拟化可以将IT环境改造成为更加强大、更具弹性、更富有活力的架构。通过把多个操作系统整合到一台高性能服务器上，最大化利用硬件平台的所有资源，用更少的投入实现更多的应用，还可以简化IT架构，降低管理资源的难度，避免IT架构的非必要扩张。客户虚拟机的真正硬件无关性还可以实现虚拟机的运行时迁移，可以实现真正的不间断运行，从而最大化保持业务的持续性，而不用为购买超高可用性平台而付出高昂的代价。

和Sun上的虚拟化技术（CPU分区）比起来，x86上的虚拟化要落后不少的，然而确实在不断进步着，在数年前，x86上还没有什么硬件支持，甚至连指令集都不是为虚拟化而设计，这时主要靠完全的 软件 来实现虚拟化，当时的代表是VMware的产品，以及尚未被Microsoft收购Connectix开发的Virtual PC，在服务器市场上应用的主要是VMware的产品，包括GSX Server和稍后的ESX Server，这些软件虚拟化产品在关键指令上都采用了二进制模拟/翻译的方法，开销显得比较大，后期出现了Para-Virtualization部分虚拟化技术，避免了一些二进制转换，性能得到了提升，不过仍然具有隔离性的问题。

今天，虚拟化技术的各方面都有了进步，虚拟化也从纯软件逐深入到处理器级虚拟化，再到平台级虚拟化乃至输入/输出级虚拟化，代表性技术就是Intel Virtualization Technology for Directed I/O，简写为Intel VT-d，在介绍这个Intel VT-d之前，我们先来看看x86硬件虚拟化的第一步：处理器辅助虚拟化技术，也就是Intel Virtualization Technology，分为对应Itanium平台的VT-i和对应x86平台的VT-x两个版本。AMD公司也有对应的技术AMD-V，用于x86平台。我们介绍的是x86平台上的VT-x技术，VT-i技术原理上略为相近。

纯软件虚拟化主要的问题是性能和隔离性。Full Virtuali z ation完全虚拟化技术可以提供较好的客户操作系统独立性，不过其性能不高，在不同的应用下，可以消耗掉主机10%~30%的资源。而OS Virtualization可以提供良好的性能，然而各个客户操作系统之间的独立性并不强。无论是何种软件方法，隔离性都是由Hypervisor软件提供的，过多的隔离必然会导致性能的下降。

这些问题主要跟x86设计时就没有考虑虚拟化有关。我们先来看看x86处理器的Privilege特权等级设计。

x86架构为了保护指令的运行，提供了指令的4个不同Privilege特权级别，术语称为Ring，从Ring 0～Ring 3。Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。各个级别对可以运行的指令有所限制，例如，GDT，IDT，LDT，TSS等这些指令就只能运行于Privilege 0，也就是Ring 0。要注意Ring/Privilege级别和我们通常认知的进程在操作系统中的优先级并不同。

操作系统必须要运行一些Privilege 0的特权指令，因此Ring 0是被用于运行操作系统内核，Ring 1和Ring 2是用于操作系统服务，Ring 3则是用于应用程序。然而实际上并没有必要用完4个不同的等级，一般的操作系统实现都仅仅使用了两个等级，即Ring 0和Ring 3，如图所示：

也就是说，在一个常规的x86操作系统中，系统内核必须运行于Ring 0，而VMM软件以及其管理下的Guest OS却不能运行于Ring 0——因为那样就无法对所有虚拟机进行有效的管理，就像以往的协同式多任务操作系统（如，Windows 3.1）无法保证系统的稳健运行一样。在没有处理器辅助的虚拟化情况下，挑战就是采用Ring 0之外的等级来运行VMM (Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)或Hypervisor，以及Guest OS。

现在流行的解决方法是Ring Deprivileging（暂时译为特权等级下降），并具有两种选择：客户OS运行于Privilege 1（0/1/3模型），或者Privilege 3（0/3/3模型）。

无论是哪一种模型，客户OS都无法运行于Privilege 0，这样，如GDT，IDT，LDT，TSS这些特权指令就必须通过模拟的方式来运行，这会带来很明显的性能问题。特别是在负荷沉重、这些指令被大量执行的时候。

同时，这些特权指令是真正的“特权”，隔离不当可以严重威胁到其他客户OS，甚至主机OS。Ring Deprivileging技术使用IA32架构的Segment Limit（限制分段）和Paging（分页）来隔离VMM和Guest OS，不幸的是EM64T的64bit模式并不支持Segment Limit模式，要想运行64bit操作系统，就必须使用Paging模式。

对于虚拟化而言，使用Paging模式的一个致命之处是它不区分Privileg 0/1/2模式，因此客户机运行于Privileg 3就成为了必然（0/3/3模型），这样Paging模式才可以将主机OS和客户OS隔离开来，然而在同一个Privileg模式下的不同应用程序（如，不同的虚拟机）是无法受到Privileg机构保护的，这就是目前IA32带来的隔离性问题，这个问题被称为Ring Compression。

IA32不支持VT，就无法虚拟64-bit客户操作系统

这个问题的实际表现是：VMware在不支持Intel VT的IA32架构CPU上无法虚拟64-bit客户操作系统，因为无法在客户OS之间安全地隔离。

作为一个芯片辅助（Chip-Assisted）的虚拟化技术，VT可以同时提升虚拟化效率和虚拟机的 安全 性，下面我们就来看看Intel VT带来了什么架构上的变迁。我们谈论的主要是IA32上的VT技术，一般称之为VT-x，而在Itanium平台上的VT技术，被称之为VT-i。

VT-x将IA32的CU操作扩展为两个forms（窗体）：VMX root operation（根虚拟化操作）和VMX non-root operation（非根虚拟化操作），VMX root operation设计来供给VMM/Hypervisor使用，其行为跟传统的IA32并无特别不同，而VMX non-root operation则是另一个处在VMM控制之下的IA32环境。所有的forms都能支持所有的四个Privileges levels，这样在VMX non-root operation环境下运行的虚拟机就能完全地利用Privilege 0等级。

两个世界：VMX non-root和VMX root

和一些文章认为的很不相同，VT同时为VMM和Guest OS提供了所有的Privilege运行等级，而不是只让它们分别占据一个等级：因为VMM和Guest OS运行于不同的两个forms。

由此，GDT、IDT、LDT、TSS等这些指令就能正常地运行于虚拟机内部了，而在以往，这些特权指令需要模拟运行。而VMM也能从模拟运行特权指令当中解放出来，这样既能解决Ring Aliasing问题（软件运行的实际Ring与设计运行的Ring不相同带来的问题），又能解决Ring Compression问题，从而大大地提升运行效率。Ring Compression问题的解决，也就解决了64bit客户操作系统的运行问题。

为了建立这种两个虚拟化窗体的架构，VT-x设计了一个Virtual-Machine Control Structure（VMCS，虚拟机控制结构）的数据结构，包括了Guest-State Area（客户状态区）和Host-State Area（主机状态区），用来保存虚拟机以及主机的各种状态参数，并提供了VM entry和VM exit两种操作在虚拟机与VMM之间切换，用户可以通过在VMCS的VM-execution control fields里面指定在执行何种指令/发生何种事件的时候，VMX non-root operation环境下的虚拟机就执行VM exit，从而让VMM获得控制权，因此VT-x解决了虚拟机的隔离问题，又解决了性能问题。

作为一个芯片辅助（Chip-Assisted）的虚拟化技术，VT可以同时提升虚拟化效率和虚拟机的安全性，下面我们就来看看Intel VT带来了什么架构上的变迁。我们谈论的主要是IA32上的VT技术，一般称之为VT-x，而在Itanium平台上的VT技术，被称之为VT-i。

VT-x将IA32的CU操作扩展为两个forms（窗体）：VMX root operation（根虚拟化操作）和VMX non-root operation（非根虚拟化操作），VMX root operation设计来供给VMM/Hypervisor使用，其行为跟传统的IA32并无特别不同，而VMX non-root operation则是另一个处在VMM控制之下的IA32环境。所有的forms都能支持所有的四个Privileges levels，这样在VMX non-root operation环境下运行的虚拟机就能完全地利用Privilege 0等级。

两个世界：VMX non-root和VMX root

和一些文章认为的很不相同，VT同时为VMM和Guest OS提供了所有的Privilege运行等级，而不是只让它们分别占据一个等级：因为VMM和Guest OS运行于不同的两个forms。

由此，GDT、IDT、LDT、TSS等这些指令就能正常地运行于虚拟机内部了，而在以往，这些特权指令需要模拟运行。而VMM也能从模拟运行特权指令当中解放出来，这样既能解决Ring Aliasing问题（软件运行的实际Ring与设计运行的Ring不相同带来的问题），又能解决Ring Compression问题，从而大大地提升运行效率。Ring Compression问题的解决，也就解决了64bit客户操作系统的运行问题。

为了建立这种两个虚拟化窗体的架构，VT-x设计了一个Virtual-Machine Control Structure（VMCS，虚拟机控制结构）的数据结构，包括了Guest-State Area（客户状态区）和H ost -State Area（主机状态区），用来保存虚拟机以及主机的各种状态参数，并提供了VM entry和VM exit两种操作在虚拟机与VMM之间切换，用户可以通过在VMCS的VM-execution control fields里面指定在执行何种指令/发生何种事件的时候，VMX non-root operation环境下的虚拟机就执行VM exit，从而让VMM获得控制权，因此VT-x解决了虚拟机的隔离问题，又解决了性能问题。

I/O虚拟化的关键在于解决I/O设备与虚拟机数据交换的问题，而这部分主要相关的是DMA直接 内存 存取，以及IRQ中断请求，只要解决好这两个方面的隔离、保护以及性能问题，就是成功的I/O虚拟化。

和处理器上的Intel VT-i和VT-x一样，Intel VT-d技术是一种基于North Bridge北桥芯片（或者按照较新的说法：MCH）的硬件辅助虚拟化技术，通过在北桥中内置提供DMA虚拟化和IRQ虚拟化硬件，实现了新型的I/O虚拟化方式，Intel VT-d能够在虚拟环境中大大地提升 I/O 的可靠性、灵活性与性能。

传统的IOMMUs（I/O memory management units，I/O内存管理单元）提供了一种集中的方式管理所有的DMA——除了传统的内部DMA，还包括如AGP GART、TPT、RDMA over TCP/IP等这些特别的DMA，它通过在内存地址范围来区别设备，因此容易实现，却不容易实现DMA隔离，因此VT-d通过更新设计的IOMMU架构，实现了多个DMA保护区域的存在，最终实现了DMA虚拟化。这个技术也叫做DMA Remapping。

I/O设备会产生非常多的中断请求，I/O虚拟化必须正确地分离这些请求，并路由到不同的虚拟机上。传统设备的中断请求可以具有两种方式：一种将通过I/O中断控制器路由，一种是通过DMA写请求直接发送出去的MSI（message signaled interrupts，消息中断），由于需要在DMA请求内嵌入目标内存地址，因此这个架构须要完全访问所有的内存地址，并不能实现中断隔离。

VT-d实现的中断重映射（interrupt-remapping）架构通过重新定义MSI的格式来解决这个问题，新的MSI仍然是一个DMA写请求的形式，不过并不嵌入目标内存地址，取而代之的是一个消息ID，通过维护一个表结构，硬件可以通过不同的消息ID辨认不同的虚拟机区域。VT-d实现的中断重映射可以支持所有的I/O源，包括IOAPICs，以及所有的中断类型，如通常的MSI以及扩展的MSI-X。

VT-d进行的改动还有很多，如硬件缓冲、地址翻译等，通过这些种种措施，VT-d实现了北桥芯片级别的I/O设备虚拟化。VT-d最终体现到虚拟化模型上的就是新增加了两种设备虚拟化方式：

左边是传统的I/O模拟虚拟化，右边是直接I/O设备分配

直接I/O设备分配：虚拟机直接分配物理I/O设备给虚拟机，这个模型下，虚拟机内部的 驱动 程序直接和硬件设备直接 通信 ，只需要经过少量，或者不经过VMM的管理。为了系统的健壮性，需要硬件的虚拟化支持，以隔离和保护硬件资源只给指定的虚拟机使用，硬件同时还需要具备多个I/O容器分区来同时为多个虚拟机服务，这个模型几乎完全消除了在VMM中运行驱动程序的需求。例如CPU，虽然CPU不算是通常意义的I/O设备——不过它确实就是通过这种方式分配给虚拟机，当然CPU的资源还处在VMM的管理之下。

I/O设备共享：这个模型是I/O分配模型的一个扩展，对硬件具有很高的要求，需要设备支持多个功能接口，每个接口可以单独分配给一个虚拟机，这个模型无疑可以提供非常高的虚拟化性能表现。

运用VT-d技术，虚拟机得以使用直接I/O设备分配方式或者I/O设备共享方式来代替传统的设备模拟/额外设备接口方式，从而大大提升了虚拟化的I/O性能。

主流双路Xeon Stoakley平台将支持Intel VT-d技术

高端四路Caneland平台也会支持VT-d功能

根据资料表明，不日发布的Stoakley平台和Caneland平台上将包含VT-d功能，Stoakley平台是现在的Bensley的下一代产品，用于双路Xeon处理器，而Caneland则是Truland的继任者，用于四路Xeon处理器，这些芯片组都能支持最新的45nm Penryn处理器。

从Intel虚拟化技术发展路线图来看，虚拟化无疑是从处理器逐渐扩展到其他设备的，从VT-i/VT-x到VT-d就非常体现了这个过程，对于关注I/O性能的企业级应用而言，完成了处理器的虚拟化和I/O的虚拟化，整个平台的虚拟化就接近完成了，因此在未来，Intel将会持续地开发VT-d技术，将各种I/O设备中加入虚拟化特性，从而提供一个强大的虚拟化基础架构。

原文地址： [url]http://publish.it168.com/2007/0824/20070824033101.shtml[/url]