虚拟化

虚拟化技术

目前虚拟化技术有软件模拟、全虚拟化（使用二进制翻译）、半虚拟化（操作系统辅助）、硬件辅助虚拟化和容器虚拟化这几种。

（1）软件虚拟化

软件模拟是通过软件完全模拟cpu、芯片组、磁盘、网卡等计算机硬件：

因为是软件模拟，所以理论上可以模拟任何硬件，但是非常低效，一般只用于研究测试的场景，典型的有QEMU。

（2）全虚拟化

x86平台指令集分为4个特权模式：Ring0 、Ring1、Ring2、Ring3、OS工作在Ring0级别，应用软件工作在Ring3级别，驱动程序工作在Ring1和Ring2。

如何将虚拟机越级的指令使用进行隔离，1998年VMware首次找到了解决办法，通过虚拟化引擎，捕获虚拟机的指令，并进行处理，即全虚拟化方案。

在全虚拟化的情况下，VMM工作在Ring 0 ，Guest OS工作在Ring 1 ，应用程序工作在Ring 3，可是这时候Guest OS是不知道自己工作在虚拟机里的，认为自己还是工作在Ring 0 ，所以它还是按照Ring 0级别产特权生指令，Guest OS产生的每一条指令都会被VMM截取，并翻译成宿主机平台的指令，然后交给实际的物理平台执行，由于每一条指令都需要这么翻译一下，所以这种虚拟化性能比较差。

（3）半虚拟化

半虚拟化是对Guest OS做相应修改，以便和VMM协同运作。在硬件辅助虚拟化兴起之前，半虚拟化性能胜过全虚拟化。在半虚拟化情况下，Guest OS知道自己并不是直接运行在硬件资源上，而是运行在虚拟化环境里，工作在非Ring 0，那么它原先在物理机上执行的一些特权指令，就会修改成其他方式（超级调用），这种方式是可以和VMM约定好的，半虚拟化不需要VMM层进行二进制翻译，所以性能较好，但是实现比较麻烦（要修改OS内核代码），典型的半虚拟化技术有xen。

（4）硬件辅助虚拟化

2005年，Intel推出了硬件辅助虚拟化方案，对CPU指令进行改造，即VT-x，VT-x提供了两种操作模式：VMX root operation和VMX non-root operation，VMM运行在 VMX root operation，虚拟机运行在VMX non-root operation。在绝大多数情况下，客户机在此模式下运行与原生系统在非虚拟化环境中运行性能一样，不需要像全虚拟化那样每条指令都要先翻译再执行；在少数必要的时候，某些客户机指令的运行才需要被VMM截获并做相应处理。这种方案因为是基于硬件的，所以效率非常高。

现在不仅CPU指令有硬件虚拟化方案，I/O通信也有硬件解决方案，称为VT-d；网络通信的称为VT-c。

（5）容器虚拟化

容器虚拟化是基于CGroups、Namespace等技术将进程进行隔离，每个进程就像一台独立的虚拟机，拥有自己被隔离出来的资源，也有自己的根目录、独立的进程编号、被隔离的内存空间。基于容器的虚拟化可以实现在单一内核上运行多个实例。目前热门的容器虚拟化技术Docker，Docker可以将一个开发环境进行打包，很方便在另一个系统上运行起来。

虚拟化架构

• 裸金属虚拟化：直接在硬件上面安装虚拟化软件，再在其上安装操作系统和应用，不需要操作系统，hypervisor本身就是一个操作系统， hypervisor直接访问硬件资源，这个使得虚拟机能够获得更好的性能、扩展性与稳定性，比较适合企业数据中心。调用的流程是 虚拟机内核 -> Hypervisor -> 硬件。

  例如：VMware ESXI 、Proxmox VE、Microsoft Hyper-V

• 宿主虚拟化：在宿主操作系统之上安装和运行虚拟化程序，依赖于宿主操作系统对设备的支持和物理资源的管理。宿主虚拟化的 hypervisor 就像是安装在子操作系统上的一个应用，这种方式比裸机虚拟化的 hypervisor 提供更好的硬件兼容性，因为调用硬件的流程是 虚拟机内核 -> Hypervisor -> 操作系统 -> 硬件，但这也导致了宿主虚拟化的性能是要比裸机虚拟化差很多的。

  例如： Windows系统上的 VMware Workstation \ VirtualBox 软件 ，Mac OS 上的 Parallels Desktop 软件

虚拟化对象

CPU虚拟化

CPU虚拟化指的是将单个物理CPU虚拟化成多个虚拟CPU供虚拟机使用，每个虚拟CPU就是一个超线程。虚拟CPU分时复用物理CPU，由虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）对虚拟CPU分配时间片，并同时对虚拟CPU的状态进行管理。

**超线程(hyper-threading)其实就是同时多线程(simultaneous multi-theading),是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。**它的原理很简单，就是把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU，而逻辑CPU对操作系统来说，跟物理CPU并没有什么区别。因此，操作系统会把工作线程分派给这两颗（逻辑）CPU上去执行，让（多个或单个）应用程序的多个线程，能够同时在同一颗CPU上被执行。注意：两颗逻辑CPU共享单颗物理CPU的所有执行资源。因此，我们可以认为，超线程技术就是对CPU的虚拟化。

CPU虚拟化需要解决两个问题：

• 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。
• 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。

内存虚拟化

内存虚拟化：把物理机的真是物理内存统一管理，包装成多个虚拟机的内存给若干虚拟机使用。

在Linux这种使用虚拟地址的OS中，虚拟地址经过page table转换可得到物理地址：

如果这个操作系统是运行在虚拟机上的，那么这只是一个中间的物理地址（Intermediate Phyical Address - IPA），需要经过VMM/hypervisor的转换，才能得到最终的物理地址（Host Phyical Address - HPA）。从VMM的角度，guest VM中的虚拟地址就成了GVA(Guest Virtual Address)，IPA就成了GPA(Guest Phyical Address)。

可见，如果使用VMM，并且guest VM中的程序使用虚拟地址（如果guest VM中运行的是不支持虚拟地址的RTOS，则在虚拟机层面不需要地址转换），那么就需要两次地址转换。

特点

内存超分配和复用

Host Memory和Guest Memory之间并不是一一对应，可以超额分配内存给VM。通讨内存复用技术实现超分配功能。

内存置换：我们在Linux中进行磁盘分区时，会看到有一个swap分区，即交换分区。当内存比较小的时候，会在磁盘上开辟出来一段空间，给内存置换使用。 当内存不够用的时候，把一些冷数据置换在磁盘上。冷数据就是指一 段时间没有被使用的数据，时间越长越冷。

内存气泡：假如我们有两台虚拟机，每台虚拟机规格4G内存，但是并不是每一时刻虚拟机都可以完全使用完这4G大小，因此，hypervisor(VMM)会回收这些未使用完的内存资源，然后给到使用率较高的虚拟机。通过挤压其他虚拟机的内存，把内存释放给其他内存使用率较高的虚拟机。这就是内存气泡技术。

NUMA

NUMA：Non-Uniform Memory Access，非一致性访问。一个服务器架构中，通常有多个物理CPU及对应的内存资源，某些CPU会绑定一定的内存和IO资源，可归为一个NUMA节点，也称为node，而这些CPU访问自身的内存和IO资源速度是最快的。

• 内存访问机制：在NUMA服务器内部，任—CPU可访问整个系统的内存，但远程内存访问的性能远低于本地内存访问。
• 节点互联机制：在同一个物理服务器内部实现，某一CPU进行远程内存访问时必须等待, NUMA服务器无法实现CPU增加时性能线性扩展。