硬件虚拟化技术浅析.docx

硬件虚拟化技术浅析====================================--(DirectAssign)===================================1硬件虚拟化技术背景硬件虚拟化技术经过虚拟化指令集、MMU(MemoryMapUnit)以及IO来运行不加修改的操作系统。传统的处理器经过选择不同的运行(Ring特权)模式,来选择指令集的范围,内存的寻址方式,中断发生方式等操作。在原有的Ring特权等级的基础上,处理器的硬件虚拟化技术带来了一个新的运行模式:Guest模式[1],来实现指令集的虚拟化。当切换到Guest模式时,处理器提供了先前完整的特权等级,让Guest操作系统能够不加修改的运行在物理的处理器上。Guest与Host模式的处理器上下文完全由硬件进行保存与切换。此时,虚拟机监视器(VirtualMachineMonitor)经过一个位于内存的数据结构(Intel称为VMCS,AMD称为VMCB)来控制Guest系统同Host系统的交互,以完成整个平台的虚拟化。传统的操作系统经过硬件MMU完成虚拟地址到物理地址的映射。在虚拟化环境中,Guest的虚拟地址需要更多一层的转换,才能放到地址总线上:Guest虚拟地址->Guest物理地址->Host物理地址^^||MMU1MMU2其中MMU1能够由软件模拟(Shadowpaging中的vTLB)或者硬件实现(IntelEPT、AMDNPT)。MMU2由硬件提供。系统的IO虚拟化技术,一般是VMM捕捉Guest的IO请求,经过软件模拟的传统设备将其请求传递给物理设备。一些新的支持虚拟化技术的设备,经过硬件技术(如IntelVT-d),能够将其直接分配给Guest操作系统,避免软件开销。[1]X86处理器的生产厂商有自己的称谓,比如英特尔将Guest模式称为non-rootoperation,与之相正确是rootoperation,本文称为host模式。2KVM的内部实现概述KVM是Linux内核的一个模块,基于硬件虚拟化技术实现VMM的功能。该模块的工作主要是经过操作与处理器共享的数据结构来实现指令集以及MMU的虚拟化,捕捉Guest的IO指令(包括PortIO和mmapIO)以及实现中断虚拟化。至于IO设备的软件模拟,是经过用户程序QEMU来实现的。QEMU负责解释IO指令流,并将其请求换成系统调用或者库函数传给Host操作系统,让Host上的驱动去完成真正的IO操作。她们之间的关系如下图所示:+--------------++--------+|Qemu||||||||+---++----+||Guest|||vHD||vNIC||<-----+|||+---++----+||||+--------------+|+--------+^|^|syscall|IOstream||viaFDs||+----|----------------|------------|--------+|||v||v|+----------+||+--------++------>|||||drivers|<--+||||+--------+|+----------+||^|Hostkernel|+----|----------|---------------------------+vv+--------++---+|HDD||NIC|+--------++---+图1从Host操作系统的角度来看,KVMGuest操作系统相当于一个进程运行在系统上,普通的命令如kill、top、taskset等能够作用于该Guest。该进程的用户虚拟空间就是Guest的物理空间,该进程的线程对应着Guest的处理器。从Qemu的角度来看,KVM模块抽象出了三个对象,她们分别代表KVM自己,Guest的虚拟空间以(VM)及运行虚拟处理器(VCPU)。这三个对象分别对应着三个文件描述符,Qemu经过文件描述符用系统调用IOCTL来操作这三个对象,同KVM交互。此时,Qemu主要只模拟设备,。(Qemu)的交互接口为/dev/kvm,经过open以及ioctl系统调用能够获取并操作KVM抽象出来的三个对象,Guest的虚拟处理器(fd_vcpu[N]),Guest的地址空间(fd_vm),KVM本身(fd_kvm)。其