Xen体系结构分析

 

概要

本文档描述的是Xen hypervisor的宏观体系结构、辅助工具以及构建一个完整虚拟化环境所需的应用程序。本文的综合介绍了基于Xen3.2（2008年1月）的Xen体系结构，更详尽的描述请参考Xen books。

Xen组成要素

一个Xen虚拟化环境由以下相互配合的元素构成：

• Xen Hypervisor
• Domain 0
• Domain管理和控制工具
• Domain U PV客户系统
• Domain U HVM客户系统

下面的图形是对这些要素基本组织的描述

Xen Hypervisor
Xen Hypervisor是一个介于硬件和操作系统之间的软件层，它负责在各虚拟机之间进行CPU调度和内存分配（partitioning）。Xen Hypervisor不仅抽象出硬件层，同时控制虚拟机的执行，因为这些虚拟机共享同一个处理环境。Xen Hypervisor不会处理网络、存储设备、视频以及其他I/O。

Domain 0
Domain 0是一个修改过的Linux kernel，是唯一运行在Xen Hypervisor之上的虚拟机，它拥有访问物理I/O资源的权限，同时和系统上运行的其他虚拟机进行交互。Domain 0需要在其它Domain启动之前启动。
Domain 0中包含两个驱动：Network Backend Driver和Block Backend Driver，分别负责处理来自Domain U的网络和本地磁盘请求。Network Backend Driver直接和本地网络硬件进行通信以处理所有来自Domain U上客户操作系统的网络请求。Block Backend Driver和本地存储设备进行通信以处理来自Domain U的读写请求。

Domain U
运行在Xen Hypervisor上的所有半虚拟化（paravirtualized）虚拟机被称为“Domain U PV Guests”，其上运行着被修改过内核的操作系统，如Linux、Solaris、FreeBSD等其它UNIX操作系统。所有的全虚拟化虚拟机被称为 “Domain U HVM Guests”，其上运行着不用修改内核的操作系统，如Windows等。
Domain U PV Guests的内核知道它自己不能直接访问物理硬件，因为他知道有其他的虚拟机也运行在同一个环境中。而Domain U HVM Guests的内核不知道他正在和其他虚拟机共享一个处理环境，它认为它运转在物理硬件上。
Domain U PV Guests包含两个驱动：“PV Network Driver”和“PV Block Driver”。

Domain U HVM Guests虚拟机内没有PV Driver，而是在Domain 0里为每一个HVM Guest启动一个特殊守护进程：Qemu-dm，由Qemu-dm负责客户操作系统的网络和磁盘请求。
Domain U HVM Guests必须进行初始化为某类机器，所以要在Domain U上附加一个软件：Xen虚拟固件，来模拟BIOS。关于Xen虚拟化固件的更多信息请参考后面的内容。

域（Domain）管理和控制
开源社区提供了一系列的域管理和控制工具（Linux守护程序）。这些服务运行在Domain 0，他们支持所有对虚拟化环境的管理和控制，下面的几个图中为了更清楚的说明将这些守护进程画在了Domain 0的外部。
Xend
Xend是一个python应用程序，它是Xen虚拟化环境的系统管理工具。它通过对libxenctrl库的调用实现对Xen Hypervisor的请求。Xend处理的所有请求都是通过Xm工具提供的XML RPC接口提交的，见下图。

Xm
Xm是一个命令行工具，它接受用户的输入并把指令通过XML RPC传输给Xend。
Xenstored
Xenstored维护一个信息档案，包括内存和建立在Domain 0与Domain U之间的事件通道。Domain 0通过改变这个档案来设置和其他虚拟机的设备通道。（具体信息请参考Domain 0和Domain U的通信）
Libxenctrl
Libxenctrl是一个C语言的库，它为Xend提供与Xen Hypervisor通信的能力。privcmd是Domain 0中的一个特殊驱动，它负责提交请求到hypervisor。

Qemu-dm
每一个运行在Xen虚拟化环境下的HVM客户系统都有他自己的Qemu守护进程。该进程处理来自HVM客户系统的所有网络和磁盘请求，以支持Xen虚拟化 环境下的全虚拟化。Qemu必须存在于Xen hypervisor之外，因为它需要访问网络和I/O设备，所以他运行在Domain 0 。
现在已经有一个新的工具来代替Qemu对HVM客户系统的支持，这就是Stub-dm。它是为Xen的将来版本开发的，Xen3.2还不具备该特性，可能发布在Xen3.3中。
Xen虚拟化固件
Xen虚拟化固件是一个虚拟的BIOS，它被加载到每一个Domain U HVM Guest以提供标准的启动指令，保证客户操作系统在正常启动过程中能得到标准的PC兼容的软件环境。

Xen操作

这部分描述一个半虚拟化的Domain U如何通过Xen hypervisor、Domain 0 与外部的网络以及存储进行通信的。
Domain 0与Domain U的通信
前面讲到过，Xen Hypervisor不会支持网络和磁盘请求的，因此一个PV客户系统必须通过和Xen Hypervisor、Domain 0通信，来实现网络和磁盘请求。下面这个例子描述了PV客户系统如何将一个数据写到本地硬盘。
PV客户系统的开设备驱动程序接收到一个写请求，并且通过Xen Hypervisor写数据到适当的本地内存中，该内存是和Domain 0共享的。在Domain 0 和Domain U之间存在一个事件通道（event channel），通过该通道二者进行异步的域间中断通信。Domain 0会接收到一个来自Xen Hypervisor的中断，触发PV Block Backend Driver访问上述的内存，读取来自PV客户系统的数据，然后将这些数据写入硬件磁盘。
下图中事件通道表示为连接Domain 0与Domain U的一个区域，这是系统工作流的一个简化。事实上事件通道运行在Xen Hypervisor，通过Xenstored中的特定中断实现，提供Domain 0与Domain U之间的快速共享内存。
见下图。

术语表
C: http://www.cprogramming.com/; a computer programming language
Daemons: http://en.wikipedia.org/wiki/Daemon_(computer_software); a program running in the background rather than under direct control of a user
Driver: http://en.wikipedia.org/wiki/Device_driver; program allowing software to interact with hardware
Full Virtualization: http://en.wikipedia.org/wiki/Full_virtualization; a virtual machine not aware of its virtualization
Interrupt:  http://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt; signal from hardware to software requesting a specific action in software
Kernel: http://en.wikipedia.org/wiki/Linux_kernel; the central component of a computer operating system
Paravirtualized: http://en.wikipedia.org/wiki/Paravirtualization; virtual machine running on a hypervisor that is aware of it being virtualized]
Python: http://www.python.org/; a dynamic object oriented programming language
ROM BIOS: http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS; software instructions run on a machine when turned on
XML PRC: http://www.xmlrpc.com/; method for an application to leverage another application using HTTP for the remote procedure call and XML as the encoding

译者：BiaBear
博客：http://www.lupaworld.com/386879