云计算：2、虚拟化技术.ppt

虚拟化技术
Page  *
内容
1 不同层次的虚拟化
2 虚拟化的定义
3 虚拟化的动机
4 硬件虚拟化实现
5 虚拟机迁移技术
6 虚拟化的一个应用实例：用户计算环境移动化
7 虚拟化产品
8 物理集群与虚拟化集群 程时不切换页表；
2、从客户操作系统切换到虚拟机管理器；
3、批量工作，一次调用执行多个HyperCall；
4、其它
提高I/O设备虚拟化性能
1、优化客户操作系统的驱动；
2、客户操作系统直接访问I/O
3、建设I/O操作的CPU开销
硬件虚拟化实现
CPU虚拟化
X86体系结构在虚拟化时的问题
由于指令集中有一部分敏感指令不是特权指令，在低权限级运行时不会陷入，无法由硬件保证VMM能接管所有状态和控制相关指令。
如何保证需要监控的指令能够发生陷入？
二进制代码动态翻译
在执行时动态重写虚拟机的执行代码，在敏感指令前插入陷入指令。
优化问题
半虚拟化
修改客户操作系统的源代码，将待监控操作替换为对虚拟机管理的超级调研HyperCall。优点：接近裸机运行性能；缺点：修改操作系统。
预虚拟化
修改编译器，在编译时将需要VMM监控和模拟的指令替换为对VMM接口的调用，无需人工修改操作系统代码。
硬件辅助
引入新的指令和处理器运行模式：VMM和客户操作系统运行在不同的模式下，硬件支持模式切换。
Intel VT-x, Intel VT-I, AMD SVM
硬件辅助的CPU虚拟化
两种处理器工作模式：root (VMM) 和non-rooot (客户操作系统)
执行VMXON指令——进入Root模式——运行VMM代码
执行VMLAUNCH指令——进入non-root模式——运行客户操作系统指令
执行VM exit指令——回到root模式
执行VMRESUME指令——回到non-root模式non-root模式
执行VMXOFF指令——退出虚拟化状态
内存虚拟化
传统操作系统：段页式（已算虚拟化）
ＶＭＭ需要将机器的内存分配给各个虚拟机，并维护机器内存和虚拟机所见到的“物理内存”的映射关系，使得这些内存在虚拟机看来是一段从地址０开始的、连续的物理地址空间。
几个概念：
机器地址：真实硬件的机器地址；
物理地址：经过ＶＭＭ抽象，虚拟机看到的伪物理地址。
虚拟地址：客户操作系统提供给其应用程序使用的线性地址空间。
内存虚拟化（半虚拟化方式，以Xen为例子）
Xen剥夺客户操作系统对页表的写权限，每次对页表的写都陷入到VMM加以验证和转换。验证保证只操作属于该虚拟机的机器页面。转换则Xen根据自身维护的映射关系f，将页表项中的物理地址替换为相应的机器地址，最后再把修改过的页表载入MMU，这样MMU就根据修改过的页表直接完成虚拟机地址到机器地址的转换。
内存虚拟化（全虚拟化方式，影子页表，无法修改源代码时使用）
影子页表技术为客户操作系统的每个页表维护一个影子页表，将合成后的映射关系写入影子页表，客户操作系统的页表保持不变（而半虚拟化则会被写入合成映射关系），然后再由VMM将影子页表交给MMU做地址转换。
I/O虚拟化
全虚拟化：客户操作系统看到的一组统一的虚拟I/O设备，客户操作系统对这些虚拟设备的每个I/O操作都会陷入到VMM中，由VMM对I/O指令进行解析并映射到实际物理设备，直接控制硬件完成。
例如：VMWare ESX Server
优点：性能较好，对客户操作系统完全透明；
确定：VMM设计复杂，无法应对设备的快速更新
半虚拟化：向客户操作系统提供了一个不同于传统I/O设备的虚拟设备界面，需要在客户操作系统中为每个虚拟I/O设备安装一个特殊的驱动。该驱动负责把客户操作系统的I/O请求传递给特权域。
虚拟机迁移技术
将虚拟机从一个物理服务器移动到另一个物理服务器的过程被称为虚拟机迁移
必要性
虚拟机迁移可自动适应服务器中的负载动态变化。（负载均衡）
有计划的维护会导致用户无法使用服务器。虚拟机迁移可将VM迁移到其他服务器上，维护结束后移回原服务器。
安全性，隔离被攻击的虚拟机
容错，从失效的主机移动到其他服务器。
排列，将需要通信的虚拟机放在一起。
迁移，从旧服务器转移到新的服务器上，而且对服务不会产生影响。
功耗管理，把负载从过热的服务器移开。
迁移动机：大部分情况下，迁移是因负载均衡和服务器合并等策略自动发起。（也可手动发起迁移，较少见）
虚拟机迁移步骤
开始迁移：为后继的迁移做准备，包括确定要迁移的虚拟机和目标主机