系統(tǒng)虛擬化

前言

　　虛擬化技術(shù)在近期成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的一大焦點(diǎn)，并且被認(rèn)為是在將來的一段時間內(nèi)最具影響力的技術(shù)之一，它可能會改變現(xiàn)有系統(tǒng)軟件的整個樣子，為系統(tǒng)軟件帶來一場新的革命。　　虛擬化技術(shù)正在成為系統(tǒng)軟件中廣泛存在的一層，它的普及可以從三個角度來看待。從硬件平臺來講，虛擬化技術(shù)被用于企業(yè)級服務(wù)器、桌面平臺（例如臺式計(jì)算機(jī)和筆記本式計(jì)算機(jī)）以及嵌入式系統(tǒng)中； 從用途來講，虛擬化技術(shù)被用于系統(tǒng)資源管理、容錯、軟硬件維護(hù)、增強(qiáng)系統(tǒng)安全、提升性能和節(jié)能等領(lǐng)域； 從趨勢來講，虛擬化技術(shù)正在廣泛地與其他技術(shù)結(jié)合，并且得到更多硬件上的支持，其性能損失不斷降低，部分固化到硬件中?！　√摂M化技術(shù)的含義很廣泛。將任何一種形式的資源抽象成另一種形式的技術(shù)都是虛擬化。在常用的操作系統(tǒng)中就存在某種意義上的“虛擬化技術(shù)”，例如虛擬內(nèi)存空間和進(jìn)程。如果把內(nèi)存看作是一個設(shè)備，虛擬內(nèi)存就是將物理內(nèi)存虛擬成多個內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存的容量可以少于或多于物理內(nèi)存。進(jìn)程的概念實(shí)際是對于物理硬件執(zhí)行環(huán)境的一個抽象，每一個進(jìn)程都享有一個完整的硬件執(zhí)行環(huán)境，并且與其他進(jìn)程相隔離。　　相對于進(jìn)程級的虛擬化，虛擬機(jī)是另外一個層面的虛擬化，即系統(tǒng)級虛擬化。與虛擬單個進(jìn)程的執(zhí)行環(huán)境所不同，系統(tǒng)級虛擬化所抽象的環(huán)境是整個計(jì)算機(jī)，其抽象出的環(huán)境稱為虛擬機(jī)，包括CPU、內(nèi)存和I/O。在每個虛擬機(jī)中都可以運(yùn)行一個操作系統(tǒng)，在一臺計(jì)算機(jī)上可以虛擬出多個虛擬機(jī)?！　”緯鴩L試將當(dāng)前主要的虛擬機(jī)和系統(tǒng)級虛擬化原理梳理出來，從一個系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度來介紹。從基本的原理出發(fā)，本書結(jié)合主流的x86體系結(jié)構(gòu)和硬件上對虛擬化的支持來介紹系統(tǒng)級虛擬化是如何實(shí)現(xiàn)的。除介紹虛擬機(jī)與系統(tǒng)級虛擬化原理之外，本書力圖加入學(xué)術(shù)界對于虛擬化技術(shù)或利用虛擬化技術(shù)的最新研究、產(chǎn)業(yè)界的最新應(yīng)用和將來可能的發(fā)展趨向?！　?. 面向的讀者　　系統(tǒng)虛擬化是一門跨領(lǐng)域的學(xué)科，涉及操作系統(tǒng)、編譯和體系結(jié)構(gòu)等學(xué)科知識，并延展到資源管理、性能和系統(tǒng)安全等問題?！　”緯ㄎ坏淖x者包括計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的高年級學(xué)生、研究生、研究開發(fā)人員及對虛擬機(jī)及虛擬化核心技術(shù)有興趣的學(xué)者?！　?. 全書結(jié)構(gòu)　　本書的結(jié)構(gòu)安排盡可能使每章的內(nèi)容自包含，盡力讓對于某一章節(jié)感興趣的讀者不需檢索其他章節(jié)的內(nèi)容?！　〉?章從虛擬化技術(shù)的歷史開始講起，將現(xiàn)有的虛擬化技術(shù)作一個分類?！　〉?章介紹了一個縮略版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，幫助讀者溫習(xí)這些知識。其內(nèi)容主要包括硬件抽象層、操作系統(tǒng)的硬件管理機(jī)制以及進(jìn)程等與后續(xù)章節(jié)有關(guān)的操作系統(tǒng)概念。對于這些內(nèi)容已經(jīng)了解的讀者可以直接跳過這一章?！　〉?章介紹典型系統(tǒng)級虛擬化的技術(shù)以及VMM的組成和分類，最后還介紹一些目前市場比較流行的虛擬化產(chǎn)品。　　第4章介紹基于軟件的完全虛擬化技術(shù)。　　第5章介紹硬件輔助的完全虛擬化技術(shù)?！　〉?章以Xen為例介紹類虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理?！　〉?章介紹虛擬機(jī)的性能評測和調(diào)試技術(shù)?！　〉?章介紹系統(tǒng)虛擬化的應(yīng)用實(shí)例?！　〉?章對虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的發(fā)展作一個展望?！　”緯牡?章由復(fù)旦大學(xué)張逢、英特爾公司董耀祖、李少凡合作撰寫； 第2章由復(fù)旦大學(xué)俞捷和英特爾公司張鑫合作撰寫； 第3章由英特爾公司田坤和余珂撰寫； 第4章由復(fù)旦大學(xué)張逢和黃弋簡撰寫； 第5章由英特爾公司余珂、李欣、蔣運(yùn)宏和徐雪飛撰寫； 第6章由復(fù)旦大學(xué)張逢、劉鵬程和黃弋簡撰寫； 第7章由英特爾公司董耀祖和楊曉偉撰寫； 第8章由英特爾公司余珂、王慶和復(fù)旦大學(xué)吳曦、袁立威合作完成； 第9章由復(fù)旦大學(xué)劉鵬程、周亦勛、宋翔和英特爾公司董耀祖合作完成。英特爾公司李少凡和董耀祖對本書的每一版草稿均作了　　細(xì)致的審閱工作，余珂、張鑫、王慶以及復(fù)旦大學(xué)的張逢對全書的統(tǒng)編　　和修改作了大量的工作?！　?. 如何閱讀本書　　對于虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬化基本原理可以閱讀第1、3、4、5、6章。　　希望單獨(dú)了解基于軟件的完全虛擬化、硬件輔助的完全虛擬化或類虛擬化的讀者可以單獨(dú)閱讀對應(yīng)的章節(jié)?！　∠Ｍ私庀到y(tǒng)虛擬化性能評測和優(yōu)化技術(shù)的讀者可以閱讀第7章?！　∠Ｍ私庀到y(tǒng)虛擬化技術(shù)背景、應(yīng)用和發(fā)展的讀者可以閱讀第1、8、9章?！　?. 感謝　　在這里，首先要感謝英特爾公司副總裁王文漢博士、英特爾亞太研發(fā)有限公司總經(jīng)理兼首席研發(fā)官梁兆柱博士、英特爾亞太研發(fā)有限公司　　創(chuàng)新中心總監(jiān)黃波博士和英特爾開源技術(shù)中心高級　　經(jīng)理馮曉焰先生，以及復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院院長　　臧斌宇教授，他們是本書的發(fā)起人，并一直鼓勵我們完成本書。　　也要謝謝所有在英特爾開源技術(shù)中心工作的同事以及所有在復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院學(xué)習(xí)工作的同事和同學(xué)們，感謝他們不僅在工業(yè)界還在學(xué)術(shù)界推動虛擬化技術(shù)向前發(fā)展所做的努力，同時也感謝他們對本書草稿進(jìn)行了一遍又一遍的閱讀，并提出了許多定貴的修改意見。在此，特別感謝英特爾公司辛?xí)曰?、崔得暄、韓偉東、賀青和單海濤等，他們?yōu)楸緯峁┝舜罅考夹g(shù)資料。　　還要特別感謝復(fù)旦大學(xué)陳海波、陳榕、楊子夜、王慧紅和陳誠等，他們　　為本書的編撰提供了許多幫助?！　∽詈?，感謝您在茫茫書海中選擇了本書，并衷心祝愿您能從中受益?！　√摂M化專題寫作組　　2008年9月

內(nèi)容概要

　　本書深入而又系統(tǒng)地介紹了以軟件完全虛擬化、硬件輔助虛擬化及類虛擬化為核心的各種系統(tǒng)虛擬化技術(shù)。全書共9章，第1章概述性地介紹了虛擬化技術(shù)；第2章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識；第3章從CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/0虛擬化三大塊對系統(tǒng)虛擬化技術(shù)進(jìn)行概述，并介紹虛擬機(jī)監(jiān)控器（VMM）的組成與分類，而且對市場上流行的虛擬化產(chǎn)品進(jìn)行了簡單介紹；第4-6章分別從基于軟件的完全虛擬化、硬件輔助的完全虛擬化和類虛擬化三種實(shí)現(xiàn)技術(shù)角度深入介紹系統(tǒng)虛擬化方法；第7章介紹虛擬機(jī)的性能評測和調(diào)試技術(shù)；第8章介紹系統(tǒng)虛擬化的應(yīng)用實(shí)例；最后在第9章對虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的發(fā)展作一個展望?！　”緯窍到y(tǒng)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理的全面展示，也是作者這些年在虛擬化學(xué)術(shù)和工業(yè)研究領(lǐng)域開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。本書理論與實(shí)踐相結(jié)合，用通俗易懂的語言描述系統(tǒng)虛擬化技術(shù)原理，其中不乏具有代表性和普遍意義的實(shí)例和技術(shù)細(xì)節(jié)，是學(xué)習(xí)系統(tǒng)虛擬化技術(shù)的寶貴資料。本書不僅可以作為教材，供計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的大學(xué)高年級學(xué)生和研究生閱讀；而且可以作為一本參考手冊，供大學(xué)或企業(yè)里與系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的研究開發(fā)人員以及對虛擬機(jī)及虛擬化核心技術(shù)有興趣的研究者和開源工作者閱讀。

書籍目錄

第1章　開篇1.1　形形色色的虛擬化1.2　系統(tǒng)虛擬化1.3　系統(tǒng)虛擬化簡史1.4　系統(tǒng)虛擬化的好處第2章　x86架構(gòu)及操作系統(tǒng)概述2.1　x86的歷史和操作系統(tǒng)概要2.1.1　x86的歷史2.1.2　操作系統(tǒng)概述2.2　x86內(nèi)存架構(gòu)2.2.1　地址空間2.2.2　地址2.2.3　x86內(nèi)存管理機(jī)制2.3　x86架構(gòu)的基本運(yùn)行環(huán)境2.3.1　三種基本模式2.3.2　基本寄存器組2.3.3　權(quán)限控制2.4　中斷與異常2.4.1　中斷架構(gòu)2.4.2　異常架構(gòu)2.4.3　操作系統(tǒng)對中斷/異常的處理流程2.5　進(jìn)程2.5.1　上下文2.5.2　上下文切換2.6　I/O架構(gòu)2.6.1　x86的I/O架構(gòu)2.6.2　DMA2.6.3　PCI設(shè)備2.6.4　PCI　Express2.7　時鐘2.7.1　x86平臺的常用時鐘2.7.2　操作系統(tǒng)的時鐘觀第3章　虛擬化概述3.1　可虛擬化架構(gòu)與不可虛擬化架構(gòu)3.2　處理器虛擬化3.2.1　指令的模擬3.2.2　中斷和異常的模擬及注入3.2.3　對稱多處理器技術(shù)的模擬3.3　內(nèi)存虛擬化3.4　I/O虛擬化3.4.1　概述3.4.2　設(shè)備發(fā)現(xiàn)3.4.3　訪問截獲3.4.4　設(shè)備模擬3.4.5　設(shè)備共享3.5　VMM的功能和組成3.5.1　虛擬環(huán)境的管理3.5.2　物理資源的管理3.5.3　其他模塊3.6　VMM的分類3.6.1　按虛擬平臺分類3.6.2　按VMM實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分類3.7　典型虛擬化產(chǎn)品及其特點(diǎn)3.7.1　VMware3.7.2　Microsoft3.7.3　Xen3.7.4　KVM3.8　思考題第4章　基于軟件的完全虛擬化4.1　概述4.2　CPU虛擬化4.2.1　解釋執(zhí)行4.2.2　掃描與修補(bǔ)4.2.3　二進(jìn)制代碼翻譯4.3　內(nèi)存虛擬化4.3.1　概述4.3.2　影子頁表4.3.3　內(nèi)存虛擬化的優(yōu)化4.4　I/O虛擬化4.4.1　設(shè)備模型4.4.2　設(shè)備模型的軟件接口4.4.3　接口攔截和模擬4.4.4　功能實(shí)現(xiàn)4.4.5　案例分析：　IDE的DMA操作4.5　思考題第5章　硬件輔助虛擬化5.1　概述5.2　CPU虛擬化的硬件支持5.2.1　概述5.2.2　VMCS5.2.3　VMX操作模式5.2.4　VM?Entry/VM?Exit5.2.5　VM?Exit5.3　CPU虛擬化的實(shí)現(xiàn)5.3.1　概述5.3.2　VCPU的創(chuàng)建5.3.3　VCPU的運(yùn)行5.3.4　VCPU的退出5.3.5　VCPU的再運(yùn)行5.3.6　進(jìn)階5.4　中斷虛擬化5.4.1　概述5.4.2　虛擬PIC5.4.3　虛擬I/O　APIC5.4.4　虛擬Local　APIC5.4.5　中斷采集5.4.6　中斷注入5.4.7　案例分析5.5　內(nèi)存虛擬化5.5.1　概述5.5.2　EPT5.5.3　VPID5.6　I/O虛擬化的硬件支持5.6.1　概述5.6.2　VT?d技術(shù)5.7　I/O虛擬化的實(shí)現(xiàn)5.7.1　概述5.7.2　設(shè)備直接分配5.7.3　設(shè)備I/O地址空間的訪問5.7.4　設(shè)備發(fā)現(xiàn)5.7.5　配置DMA重映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.7.6　設(shè)備中斷虛擬化5.7.7　案例分析：　網(wǎng)卡的直接分配在Xen里面的實(shí)現(xiàn)5.7.8　進(jìn)階5.8　時間虛擬化5.8.1　操作系統(tǒng)的時間概念5.8.2　客戶機(jī)的時間概念5.8.3　時鐘設(shè)備仿真5.8.4　實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)時間概念的一種方法5.8.5　實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)時間概念的另一種方法5.8.6　如何滿足客戶機(jī)時間不等于實(shí)際時間的需求5.9　思考題第6章　類虛擬化技術(shù)6.1　概述6.1.1　類虛擬化的由來6.1.2　類虛擬化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6.1.3　類虛擬化接口的標(biāo)準(zhǔn)化6.2　類虛擬化體系結(jié)構(gòu)6.2.1　指令集6.2.2　外部中斷6.2.3　物理內(nèi)存空間6.2.4　虛擬內(nèi)存空間6.2.5　內(nèi)存管理6.2.6　I/O子系統(tǒng)6.2.7　時間與時鐘服務(wù)6.3　Xen的原理與實(shí)現(xiàn)6.3.1　超調(diào)用6.3.2　虛擬機(jī)與Xen的信息共享6.3.3　內(nèi)存管理6.3.4　頁表虛擬化6.3.5　事件通道6.3.6　授權(quán)表6.3.7　I/O系統(tǒng)6.3.8　實(shí)例分析：　塊設(shè)備虛擬化6.4　XenLinux的運(yùn)行6.5　思考題第7章　虛擬環(huán)境性能和優(yōu)化7.1　性能評測指標(biāo)7.2　性能評測工具7.2.1　重用操作系統(tǒng)的性能評測工具7.2.2　面向虛擬環(huán)境的性能評測工具7.3　性能分析工具7.3.1　Xenoprof7.3.2　Xentrace7.3.3　Xentop7.4　性能優(yōu)化方法7.4.1　降低客戶機(jī)退出事件發(fā)生頻率7.4.2　降低客戶機(jī)退出事件處理時間7.4.3　降低處理器利用率7.5　性能分析案例7.5.1　案例分析：　Xenoprof7.5.2　案例分析：　Xentrace7.6　可擴(kuò)展性7.6.1　宿主機(jī)的可擴(kuò)展性7.6.2　客戶機(jī)的可擴(kuò)展性7.7　思考題第8章　虛擬化技術(shù)的應(yīng)用模式8.1　常用技術(shù)介紹8.1.1　虛擬機(jī)的動態(tài)遷移8.1.2　虛擬機(jī)快照8.1.3　虛擬機(jī)的克隆8.1.4　案例分析：　VMware　VMotion　和VMware　快照8.2　服務(wù)器整合8.2.1　服務(wù)器整合技術(shù)8.2.2　案例分析：　VMware　Infrastructure　38.3　災(zāi)難恢復(fù)8.3.1　災(zāi)難恢復(fù)與虛擬化技術(shù)8.3.2　案例分析：　VMware　Infrastructure　38.4　改善系統(tǒng)可用性8.4.1　可用性的含義8.4.2　虛擬化技術(shù)如何提高可用性8.4.3　虛擬化技術(shù)帶來的新契機(jī)8.4.4　案例分析：　VMware　HA和　LUCOS8.5　動態(tài)負(fù)載均衡8.5.1　動態(tài)負(fù)載均衡的含義8.5.2　案例分析：　VMware　DRS8.6　增強(qiáng)系統(tǒng)可維護(hù)性8.6.1　可維護(hù)性的含義8.6.2　案例分析：　VMware　VirtualCenter8.7　增強(qiáng)系統(tǒng)安全與可信任性8.7.1　安全與可信任性的含義8.7.2　虛擬化技術(shù)如何提高系統(tǒng)安全8.7.3　虛擬化技術(shù)如何提高可信任性8.7.4　案例分析：　sHyper、VMware　Infrastructure　3和CoVirt8.8　Virtual　Appliance第9章　前沿虛擬化技術(shù)9.1　基于容器的虛擬化技術(shù)9.1.1　容器技術(shù)的基本概念和發(fā)展背景9.1.2　基于容器的虛擬化技術(shù)9.2　系統(tǒng)安全9.2.1　基于虛擬化技術(shù)的惡意軟件9.2.2　虛擬機(jī)監(jiān)控器的安全性9.3　系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化9.3.1　開放虛擬機(jī)格式9.3.2　虛擬化的可管理性9.3.3　虛擬機(jī)互操作性標(biāo)準(zhǔn)9.4　電源管理9.5　智能設(shè)備9.5.1　多隊(duì)列網(wǎng)卡9.5.2　SR?IOV9.5.3　其他索引參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第3章　虛擬化概述　　通過前面章節(jié)的介紹，了解到虛擬化技術(shù)的歷史與背景知識，從這章開始，將進(jìn)一步揭開VMM神秘的面紗，對其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的基本原理作一番全面掃描。　　傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)一般是通過陷入再模擬的方式實(shí)現(xiàn)的，而這種方式依賴于處理器的支持。也就是說，處理器本身是否是一個可虛擬化的體系結(jié)構(gòu)。所以本章首先從可虛擬化結(jié)構(gòu)的定義人手，介紹VMM實(shí)現(xiàn)中的一些基本概念。顯然，某些處理器在設(shè)計(jì)之初并沒有充分考慮虛擬化的需求，而不具備一個完備的可虛擬化結(jié)構(gòu)。如何填補(bǔ)這些結(jié)構(gòu)上的缺陷，直接促使了本書提到的三種主要虛擬化方式的產(chǎn)生。　　不論采取何種虛擬化方式，VMM對物理資源的虛擬可以歸結(jié)為三個主要任務(wù)：處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/0虛擬化。本章前面部分就圍繞這三個部分展開介紹虛擬化的基本原理，對于不同虛擬化方式的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，本書后續(xù)章節(jié)會有詳細(xì)的描述。本章后面部分著重介紹VMM的功能、組成和分類，并且對目前市場上流行的虛擬化產(chǎn)品及其特點(diǎn)做一些簡單的介紹，使讀者對現(xiàn)階段典型的虛擬化產(chǎn)品有一些了解?！　?.1　可虛擬化架構(gòu)與不可虛擬化架構(gòu)　　一般來說，虛擬環(huán)境由三個部分組成：硬件、VMM和虛擬機(jī)，如圖3-1所示。在沒有虛擬化的情況下，操作系統(tǒng)直接運(yùn)行在硬件之上，管理著底層物理硬件，這就構(gòu)成了一個完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也就是下文所謂的“物理機(jī)”。在虛擬環(huán)境里，虛擬機(jī)監(jiān)控器VMM搶占了操作系統(tǒng)的位置，變成了真實(shí)物理硬件的管理者，同時向上層的軟件呈現(xiàn)出虛擬的硬件平臺，“欺騙”著上層的操作系統(tǒng)。而此時操作系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬平臺之上，仍然管理著它認(rèn)為是“物理硬件”的虛擬硬件，儼然不知道下面發(fā)生了什么，這就是圖3-1中的“虛擬機(jī)”。

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