系統(tǒng)虛擬化

出版時間:2009-1  出版社:清華大學(xué)出版社  作者:Intel corporatio  頁數(shù):238  
Tag標(biāo)簽:無  

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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