虛擬化技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

前言

　　隨著云計(jì)算熱潮的興起，構(gòu)成其中關(guān)鍵技術(shù)之一的虛擬化技術(shù)再次成為業(yè)內(nèi)外的焦點(diǎn)。但是與之前有所不同，虛擬化技術(shù)不再僅限于計(jì)算機(jī)從業(yè)者范圍，而是走向更為廣闊的融合寬帶網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的廣義的資源基礎(chǔ)設(shè)施層面。更為重要的是，受虛擬化概念的影響，正在形成一種新的資源體系，動(dòng)態(tài)組合調(diào)整所需的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源以適應(yīng)最終應(yīng)用的需求。這一變化直接帶動(dòng)創(chuàng)新的服務(wù)模式、快速部署和資源彈性擴(kuò)展等一系列優(yōu)勢(shì)?！　≈袊?guó)電信作為基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商，一直密切關(guān)注云計(jì)算技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，成立了專業(yè)化的研究中心對(duì)云計(jì)算相關(guān)核心技術(shù)進(jìn)行研究，并將研究與中國(guó)電信自身業(yè)務(wù)服務(wù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。中國(guó)電信擁有世界上最大的寬帶網(wǎng)絡(luò)和國(guó)內(nèi)最豐富的數(shù)據(jù)中心資源，如何將傳統(tǒng)的物理資產(chǎn)轉(zhuǎn)化成邏輯可管理的虛擬資源以提高資源的利用率，降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，滿足國(guó)家綠色環(huán)保的要求是研究重點(diǎn)之一?！　‘?dāng)前基于x86的虛擬化技術(shù)已經(jīng)成熟，但是其核心技術(shù)一直掌握在少數(shù)虛擬化軟件廠家手中，阻礙了虛擬化技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用。開源技術(shù)Xen和KVM的出現(xiàn)以及該類技術(shù)在亞馬遜成功的商用，給虛擬化技術(shù)的應(yīng)用注入了強(qiáng)心劑，越來(lái)越多的企業(yè)和個(gè)人參與到開源技術(shù)的研究和開發(fā)過(guò)程中。隨著開源軟件版本的不斷升級(jí)，其與管理平臺(tái)的接口也日漸成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，一些知名的平臺(tái)開發(fā)廠商也開始支持這些開源技術(shù)，為開源技術(shù)的商用奠定了良好的基礎(chǔ)。　　本書作者均來(lái)自中國(guó)電信云計(jì)算研究中心，他們以飽滿的工作熱情參與到虛擬化開源技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，秉承開源的精神。希望自己的研究成果不再局限于中國(guó)電信研究中心內(nèi)部，而且像云計(jì)算資源一樣借助圖書這個(gè)介質(zhì)為更多的研究人員和開發(fā)者服務(wù)，讓更多的人加入到開源技術(shù)的研究和開發(fā)過(guò)程中?！　”緯闹饕獌?nèi)容包括4個(gè)部分?！　〉谝徊糠譃樘摂M化技術(shù)原理篇。介紹虛擬化技術(shù)，包括它的發(fā)展歷程、基本原理、技術(shù)架構(gòu)和一些主流的虛擬化產(chǎn)品等?！　〉诙糠譃閄en虛擬化技術(shù)篇。介紹Xen軟件模塊結(jié)構(gòu)、工作原理及流程，并借助源碼分析Xen最核心的軟件模塊Hypervisor的工作原理、流程及實(shí)現(xiàn)?！　〉谌糠譃镵VM虛擬化技術(shù)篇。從KVM的體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，分別從日常使用、KVM內(nèi)核代碼和qemu-kvm用戶態(tài)代碼三個(gè)角度進(jìn)行分析，情景化地剖析了KVM虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，包括重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、處理流程等?！　〉谒牟糠譃樘摂M化軟件開放接口篇。從典型Xen管理接口入手，通過(guò)源碼分析介紹了Xen管理接口的工作原理與實(shí)現(xiàn)方式，并推而廣之?？紤]到未來(lái)需要對(duì)Xen、KVM等虛擬化技術(shù)構(gòu)建的異構(gòu)資源池進(jìn)行統(tǒng)一管理，需要提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的管理接口，本書最后對(duì)libvirt虛擬化控制中間件進(jìn)行了介紹?！　”緯婕暗闹R(shí)面較廣，由于筆者的知識(shí)水平和認(rèn)知的局限，書中難免有紕漏之處，懇請(qǐng)各位專家和讀者不吝賜教?！　∽髡?/pre>


內(nèi)容概要
　　本書對(duì)云計(jì)算中關(guān)鍵技術(shù)之一的虛擬化技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，從x86計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及操作系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，介紹了虛擬化技術(shù)原理以及業(yè)界主流虛擬化軟件產(chǎn)品，并以Xen、KVM開源軟件為例分析了虛擬化軟件的架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，最后對(duì)虛擬化軟件管理接口的工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了全面的梳理。


作者簡(jiǎn)介
　　·郭京·
北京郵電大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樵朴?jì)算及虛擬化技術(shù)。
·侯光華·
1995年獲北方交通大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)碩士學(xué)位，擁有近15年的電信行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。2012年加入中國(guó)電信云計(jì)算分公司，任高級(jí)工程師，負(fù)責(zé)云計(jì)算產(chǎn)品規(guī)劃和研發(fā)，同時(shí)擔(dān)任寬帶論壇（BBF）商業(yè)業(yè)務(wù)委員會(huì)委員，并發(fā)表論文、國(guó)際文稿若干，擁有多項(xiàng)專利。
·司偉·
東北大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)碩士。2008年加入中國(guó)電信北京研究院，擁有多年數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，目前主要從事虛擬化安全、云計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)研究。
·顧茜·
畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，主要從事云計(jì)算技術(shù)研究，政務(wù)云行業(yè)數(shù)據(jù)研究工作，掌握云數(shù)據(jù)管理、云數(shù)據(jù)挖掘和SPECvirt性能測(cè)評(píng)等云相關(guān)知識(shí)體系。發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，擁有第一發(fā)明人發(fā)明專利兩項(xiàng)，參與發(fā)明專利4項(xiàng)。
·廣小明·
1993年畢業(yè)于上海交通大學(xué)?，F(xiàn)任中國(guó)電信云計(jì)算分公司產(chǎn)品部總監(jiān)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉?wù)器虛擬化和存儲(chǔ)技術(shù)。
·胡杰·
2004年畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院?，F(xiàn)任中國(guó)電信北京研究院云平臺(tái)及應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)總監(jiān)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉?wù)器虛擬化和存儲(chǔ)技術(shù)。
·陳龍·
2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)，畢業(yè)后加入中國(guó)電信北京研究院，負(fù)責(zé)中國(guó)電信定制網(wǎng)關(guān)中間件的開發(fā)和云主機(jī)業(yè)務(wù)的開發(fā)工作，并對(duì)嵌入式開發(fā)和和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面有較深入的研究。


書籍目錄
第一篇 云計(jì)算與虛擬化技術(shù)
第1章 虛擬化技術(shù)基本原理
 1.1 云計(jì)算與虛擬化技術(shù)
 1.2 x86和非x86體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
 1.2.1 x86的發(fā)展歷程
 1.2.2 x86-64
 1.2.3 x86內(nèi)存架構(gòu)
 1.2.4 x86-64的基本模式
 1.2.5 x86-64的寄存器組
 1.2.6 中斷與異常
 1.2.7 IO架構(gòu)
 1.2.8 DMA
 1.2.9 時(shí)鐘
 1.3 操作系統(tǒng)與虛擬化
 1.3.1 操作系統(tǒng)
 1.3.2 進(jìn)程
 1.3.3 系統(tǒng)虛擬化
 1.3.4 系統(tǒng)虛擬化的發(fā)展歷程
 1.3.5 可虛擬化條件
 1.3.6 虛擬化的原理與分類
 1.4 VMM技術(shù)架構(gòu)分類
 1.4.1 Hypervisor模型
 1.4.2 宿主（Hosted）模型
 1.4.3 混合模型
 1.5 本章小結(jié)
第2章 虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)
 2.1 處理器虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)
 2.1.1 Intel VT
 2.1.2 AMD SVM
 2.1.3 vCPU
 2.2 中斷虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)
 2.3 內(nèi)存虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)
 2.3.1 影子頁(yè)表
 2.3.2 Intel EPT
 2.3.3 AMD NPT
 2.4 IO設(shè)備虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)
 2.4.1 Intel VT-d
 2.4.2 DMA重映射
 2.4.3 IO頁(yè)表
 2.4.4 AMD IOMMU
 2.5 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)
 2.5.1 虛擬通道
 2.6 時(shí)間虛擬化技術(shù)
 2.6.1 操作系統(tǒng)和客戶機(jī)的時(shí)間概念
 2.6.2 客戶機(jī)時(shí)間概念的實(shí)現(xiàn)
 2.7 主流虛擬化產(chǎn)品及其特點(diǎn)
 2.7.1 Xen
 2.7.2 VMware
 2.7.3 Hyper –V
 2.7.4 KVM
 2.8 本章小結(jié)
第二篇 Xen虛擬化技術(shù)篇
第3章 Xen軟件系統(tǒng)原理
 3.1 Xen軟件模塊結(jié)構(gòu)
 3.1.1 Xen Hypervisor
 3.1.2 特權(quán)虛擬域0（Dom0）
 3.1.3 獨(dú)立設(shè)備驅(qū)動(dòng)域（IDD）
 3.1.4 非特權(quán)虛擬域U(DomU)
 3.1.5 硬件虛擬域（HVM）
 3.2 Xen系統(tǒng)啟動(dòng)工作原理及流程
 3.2.1 系統(tǒng)引導(dǎo)過(guò)程
 3.2.2 Hypervisor啟動(dòng)與初始化過(guò)程
 3.2.3 Dom0啟動(dòng)過(guò)程
 3.2.4 DomU的啟動(dòng)
 3.3 Xen CPU虛擬化工作原理
 3.3.1 x86體系虛擬化存在的問(wèn)題
 3.3.2 CPU虛擬化—半虛擬化（又稱為泛虛擬化）
 3.3.3 CPU虛擬化技術(shù)—硬件虛擬化技術(shù)支持的全虛擬化
 3.4 Xen內(nèi)存虛擬化工作原理
 3.4.1 內(nèi)存虛擬化—直接模式
 3.4.2 內(nèi)存虛擬化—影子模式
 3.5 IO虛擬化工作原理
 3.5.1 半虛擬化IO
 3.5.2 全虛擬化IO
 3.6 Xen虛擬機(jī)（DomU）生命周期管理
 3.7 本章小結(jié)
第4章 Xen Hypervisor技術(shù)實(shí)現(xiàn)
 4.1 Xen Hypervisor關(guān)鍵技術(shù)概述
 4.2 Hypercall
 4.2.1 Hypercall的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
 4.2.2 自定義Hypercall的方法
 4.2.3 應(yīng)用程序使用Hypercall的方法
 4.3 事件通道
 4.3.1 事件通道的初始化
 4.3.2 事件通道的綁定
 4.3.3 發(fā)送事件通知
 4.3.4 事件通知的處理
 4.4 數(shù)據(jù)共享
 4.4.1 授權(quán)表（Grant table）
 4.4.2 XenStore和XenBus
 4.4.3 分離設(shè)備驅(qū)動(dòng)
 4.5 本章小結(jié)
第三篇 KVM虛擬化技術(shù)篇
第5章 qemu-kvm虛擬化解決方案
 5.1 概述
 5.2 內(nèi)核模塊組成概述
 5.3 KVM所提供的API
 5.4 KVM內(nèi)核模塊重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 5.4.1 KVM結(jié)構(gòu)體
 5.4.2 kvm_vcpu結(jié)構(gòu)體
 5.4.3 kvm_x86_ops結(jié)構(gòu)體
 5.4.4 KVM API中重要的結(jié)構(gòu)體
 5.5 KVM內(nèi)核模塊重要流程的分析
 5.5.1 初始化流程
 5.5.2 虛擬機(jī)的創(chuàng)建
 5.5.3 vCPU的創(chuàng)建
 5.5.4 vCPU的運(yùn)行
 5.6 qemu-kvm軟件架構(gòu)分析
 5.6.1 QEMU的三種運(yùn)行模式
 5.6.2 libvirt和virt-manager
 5.6.3 KVM的調(diào)試接口
 5.7 本章小結(jié)
第6章 qemu-kvm原理與分析
 6.1 QEMU軟件架構(gòu)
 6.1.1 qemu-kvm的配置與編譯
 6.1.2 qemu-kvm的架構(gòu)與配置
 6.2 QEMU組件
 6.2.1 模塊模型
 6.2.2 libkvm模塊
 6.2.3 virtio組件
 6.3 基于KVM的QEMU PC Emulator
 6.3.1 KVM中的Machine模塊
 6.3.2 基于KVM加速支持的CPU虛擬化模塊
 6.3.3 虛擬機(jī)的內(nèi)存管理
 6.3.4 IO管理
 6.4 本章小結(jié)
第四篇 虛擬化軟件開放接口
第7章 Xen API接口技術(shù)及實(shí)現(xiàn)
 7.1 Xen Management API接口概述
 7.2 XML-RPC工作原理
 7.2.1 XML-RPC概述
 7.2.2 XML-RPC請(qǐng)求
 7.2.3 XML-RPC響應(yīng)
 7.3 Xen Managemnet API的實(shí)現(xiàn)
 7.3.1 C語(yǔ)言和Python語(yǔ)言的擴(kuò)展與嵌入
 7.3.2 Xen Management API類的定義
 7.3.3 Xen Management API處理流程分析
 7.4 本章小結(jié)
第8章 libvirt虛擬化控制中間件
 8.1 libvirt概述
 8.1.1 libvirt簡(jiǎn)介及使用樣例
 8.1.2 基于libvirt所開發(fā)的開源應(yīng)用
 8.1.3 安裝與配置
 8.2 libvirt架構(gòu)與開發(fā)
 8.2.1 libvirt架構(gòu)說(shuō)明
 8.2.2 libvirt API控制接口
 8.2.3 libvirt的主機(jī)域管理
 8.2.4 libvirt的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
 8.2.5 libvirt的存儲(chǔ)管理
 8.3 基于libvirt的XML配置解析
 8.3.1 XML配置格式簡(jiǎn)析
 8.3.2 針對(duì)Xen的libvirt配置詳解
 8.3.3 針對(duì)KVMQEMU的libvirt配置詳解
 8.4 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)


章節(jié)摘錄
版權(quán)頁(yè)：   插圖：   （1）缺頁(yè)異常的分類 我們首先介紹缺頁(yè)異常的分類，對(duì)于不同類型的缺頁(yè)異常，其處理方式往往也是不同的。常見的缺頁(yè)異常包括以下三類。 1）影子頁(yè)表初始化時(shí)的缺頁(yè)異常。 開始時(shí)，VMM中與客戶機(jī)操作系統(tǒng)所擁有的頁(yè)表相對(duì)應(yīng)的影子頁(yè)表是空的，但是影子頁(yè)表又是載入到物理CR3中真正為物理MMU所利用進(jìn)行尋址的頁(yè)表，因此，開始時(shí)任何的內(nèi)存訪問(wèn)操作都會(huì)引起缺頁(yè)異常。如果客戶機(jī)操作系統(tǒng)為所訪問(wèn)的客戶機(jī)虛擬地址分配了客戶機(jī)物理頁(yè)，即客戶機(jī)操作系統(tǒng)的當(dāng)前頁(yè)表中包含了從這個(gè)客戶機(jī)虛擬地址到已經(jīng)分配了的某一客戶機(jī)物理頁(yè)地址的映射，那么，正是由于影子頁(yè)表中相應(yīng)的從客戶機(jī)虛擬地址到宿主機(jī)物理地址的映射尚未初始化造成了這種異常的發(fā)生。處理這種異常的過(guò)程也就是完成影子頁(yè)表初始化的過(guò)程。 2）VMM將宿主機(jī)物理頁(yè)換出到硬盤上引發(fā)的缺頁(yè)異常。 VMM在客戶機(jī)操作系統(tǒng)不知情的情況下，將分配給客戶機(jī)的宿主機(jī)物理頁(yè)換出到硬盤上，那么，雖然客戶機(jī)操作系統(tǒng)為所訪問(wèn)的客戶機(jī)虛擬地址分配了客戶機(jī)物理頁(yè)，但是由于VMM沒在影子頁(yè)表中為這個(gè)客戶機(jī)虛擬地址建立相應(yīng)的到宿主機(jī)物理地址的映射，便會(huì)引發(fā)缺頁(yè)異常。 3）客戶機(jī)上的缺頁(yè)異常。 如果客戶機(jī)操作系統(tǒng)尚未給這個(gè)客戶機(jī)虛擬地址分配客戶機(jī)物理頁(yè)，即相應(yīng)的客戶機(jī)操作系統(tǒng)頁(yè)表中沒有這個(gè)客戶機(jī)虛擬地址到某一客戶頁(yè)的映射，這時(shí)也會(huì)引發(fā)缺頁(yè)異常。此外，還有客戶機(jī)所訪問(wèn)的客戶頁(yè)表項(xiàng)存在位（Present Bit）為0，或者寫一個(gè)只讀的客戶機(jī)物理頁(yè)，也會(huì)引起缺頁(yè)異常。 （2）影子頁(yè)表的缺頁(yè)處理機(jī)制 VMM首先截獲到缺頁(yè)異常的發(fā)生，并將發(fā)生異常的客戶機(jī)虛擬地址在客戶機(jī)頁(yè)表中對(duì)應(yīng)頁(yè)表項(xiàng)的訪問(wèn)權(quán)限位與缺頁(yè)異常的錯(cuò)誤碼進(jìn)行比較，從而檢查此缺頁(yè)異常是否是由客戶機(jī)本身引起的。對(duì)于由客戶機(jī)本身引起的缺頁(yè)異常，VMM將直接返回客戶機(jī)操作系統(tǒng)，再由客戶機(jī)操作系統(tǒng)的缺頁(yè)異常處理機(jī)制來(lái)處理該缺頁(yè)異常；如果缺頁(yè)異常不是由客戶機(jī)引起的，那么它必定是由于客戶機(jī)頁(yè)表和影子頁(yè)表不一致，這樣的異常也叫“影子缺頁(yè)異常”。對(duì)于影子缺頁(yè)異常，VMM會(huì)根據(jù)客戶機(jī)頁(yè)表同步影子頁(yè)表。同步影子頁(yè)表的過(guò)程如下。




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