HICP云计算—计算虚拟化

一．什么是虚拟化

• 虚拟化是一个抽象层，它打破了物理硬件和操作系统之间的硬性连接。
• 虚拟基础结构是一种企业级解决方案，可提供流畅、强大的计算能力，从而最大限度地利用资源和节约成本。
• 虚拟机是虚拟基础结构的重要元素。虚拟化可以让您在同一台物理机上独立、并行运行安装不同操作系统和应用程序的多台虚拟机。
• 使用虚拟化，您可以根据需要动态移动资源和处理能力。

虚拟化前：1.IT资源独立;2.操作系统必须与硬件紧耦合。

虚拟化后：1.资源抽像成共享资源池；2.上层操作系统与硬件解耦，操作系统从资源池中分配资源。

二.虚拟化的本质

• 分区：在单一物理服务器上同时运行多个虚拟机
• 隔离：在单一物理服务器上的多个虚拟机之间相互隔离
• 封装：整个虚拟机执行环境封装在独立文件中，可以通过移动文件的方式来迁移该虚拟机。
• 相对硬件独立：虚拟机无需修改，即可在任何服务器上运行

三.CPU虚拟化

1. CPU虚拟化需要解决两个问题：

    A.如何模拟CPU指令 (所有敏感指令)

• 敏感指令：可以读写系统关键资源的指令叫做敏感指令。
• 特权指令：决大多数的敏感指令是特权指令，特权指令只能在处理器的最高特权级 (内核态)执行。

   B.如何让多个VM共享CPU

• 利用与Native操作系统类似的机制—通过定时器中断，在中断触发时陷入VMM，从而根据调度机制进行调度。

    2.FusionCompute计算虚拟化技术采用的是KVM技术。KVM的CPU虚拟化是基于CPU辅助的全虚拟化方案，它需要CPU虚拟化特性的支持。

1. 虚拟机VM共享CPU

• 利用与原始操作系统类似的机制—通过定时器中断，在中断触发时陷入VMM，从而根据调度机制进行调度。

四．内存虚拟化

1.Native操作系统对内存的认识与管理达成以下两点认识：

• 内存都是从物理地址0开始的
• 内存都是连续的

2.内存虚拟化需要解决两个的问题：

• 从物理地址0开始的：物理地址0只有一个，无法同时满足所有客户机从0开始的要求；
• 地址连续：虽然可以分配连续的物理地址，但是内存使用效率不高，缺乏灵活性。

3.内存虚拟化：把物理机的真实物理内存统一管理，包装成多个虚拟机的内存给若干虚拟机使用。KVM 通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。

4.KVM中，虚机的物理内存即为qemu-kvm进程所占用的内存空间。KVM使用CPU 辅助的内存虚拟化方式。在Intel平台，其内存虚拟化的实现方式为EPT  (Extended Page Tables)技术。

五.I/O虚拟化

1.I/O虚拟化需要解决两个问题

• 设备发现: 需要控制各虚拟机能够访问的设备；
• 访问截获: 通过I/O端口或者MMIO对设备的访问；设备通过DMA与内存进行数据交换；

1. I/O虚拟化可以被看作是位于服务器组件的系统和各种可用I/O处理单元之间的硬件中间件层，使得多个guest可以复用有限的外设资源。
2. 设备虚拟化(I/O虚拟化)的过程，就是模拟设备的这些寄存器和内存，截获Guest OS对IO端口和寄存器的访问，通过软件的方式来
3. 在QEMU/KVM中，客户机可以使用的设备大致可分为三类：

• 模拟设备：完全由 QEMU 纯软件模拟的设备
• Virtio 设备：实现 VIRTIO API 的半虚拟化设备
• PCI 设备直接分配 (PCI device assignment)

5.用软件完全模拟一个特定的设备

• 保持一样的软件接口，如：PIO、MMIO、DMA、中断等
• 可以模拟出跟系统中的物理设备不一样的虚拟设备

6.每次I/O操作需要多次上下文切换

• VM Hypervisor
• Qemu Hypervisor

7.软件模拟的设备对不影响虚拟机中的软件栈

• 原生驱动